汽车结构的有限元计算模型

车辆有限元分析方法课程名称教材名称汽车有限元法汽车结构的有限元计算模型第一节概述Over第二节汽车结构计算模型第三节载荷与边界约束条件的处理有限元法（FEM）虽然已很流行，但无需讳言，对于接触FEM时间不长的同学们来说，有限元方法仍难免有些神秘和高深莫测。此前，我们学习了各种平面和空间单元，讨论了其位移模式、单元刚度矩阵的求取以及单元组集的方法等。对结构有限元分析问题的运算复杂性和手算低效的矛盾有了深刻印象和切身感受。随着上机实践的进行，运算复杂性这一矛盾已迎刃而解。但是…我们还是不禁要问：FEM真的那么有用吗？它是屠龙妙术，还是一种实用技术？它在汽车工程中真有那么广泛的应用吗？本节教学内容FEM在现代汽车开发中的应用汽车结构分析方法简述FEM应用实例FEM建模和使用软件进行结构分析的三点注意（重点）第一节概述教学要求明确FEM在现代汽车开发中应用的广泛性熟悉FEM在汽车结构分析中的常见应用实例深刻体会并积极实践“FEM建模和软件使用中的三点注意”FEM决不是屠龙妙术，而是一门实用技术早期的汽车设计和制造主要以经验和科学实验结合。现代汽车的设计以数字化设计为主，综合应用先进的计算机辅助技术，如CAD、CAE（计算机辅助工程）、CAM，以缩短研发周期，降低设计成本，提高设计质量。FEM在现代汽车开发过程中的应用现代汽车开发过程（从概念到实物）造型设计总体设计详细设计样车试制模具制造批量生产效果图油泥模型制作1:5和1:1模型分析仿真三维总布置设计车身设计底盘设计管路布置电器系统其它系统设计在这一过程中，有限元分析充当了重要角色具有不可或缺的作用CAD技术的发展使三维设计和虚拟装配成为现实汽车产品数字化开发是建立在计算机辅助技术（CAX）基础上的，其中，有限元分析充当了重要角色，具有不可或缺的作用自20世纪80年代开始，在基于特征的CAD技术中，可以建立全参数驱动的三维模型，并以此为基础，对整体设计和部件进行有限元分析、运动分析、装配的干涉检查和NC自动编程等。CAX与有限元分析充分融合已成趋势CAE技术使结构分析和运动校核可以在设计阶段完成，避免了反复实验和试制！CAM技术使设计数据直接用于加工，大大缩短了产品的制造周期。这些技术的广泛应用使汽车产品开发发生了根本性的变革，使汽车产品也可以按照不断变化的客户需求进行及时响应，开发一个全新车型的周期已经从4~5年缩短到18个月左右。如，有限元数值模拟板料冲压成形过程，可很好的预测成形缺陷。新一代的CAE技术将不单纯是计算技术，它将和试验技术紧密地融合在一起，成为工程实用中更加可靠的一门完整技术。汽车结构分析方法简述在汽车结构分析中，解析方法（如材料力学、弹性力学和结构力学等）只能用于简单的结构件，如杆、梁、柱以及简单的板壳等，不能解决汽车中众多复杂零部件的结构分析问题（为什么？），因此现代汽车设计的技术分析主要采用有限元等数值方法。1弹性力学的基本方程有哪些？2从数学上讲，弹性力学问题的求解是哪类问题？汽车结构分析方法简述在汽车结构分析中，解析方法（如材料力学、弹性力学和结构力学等）只能用于简单的结构件，如杆、梁、柱以及简单的板壳等，不能解决汽车中众多复杂零部件的结构分析问题（为什么？），因此现代汽车设计的技术分析主要采用有限元等数值方法。FEM是一种高效、成熟和不断发展的数值方法，如小波有限元在分析裂纹扩展问题中的应用等等FEM自20世纪40年代始……作为一种有效的数值方法，在汽车设计中，有限元分析应用十分广泛。复杂的大型结构件有限元分析FEM应用实例教学提示：与今后的科研和实际工作关系客车车身骨架有限元模型白车身有限元模型复杂的大型结构件有限元分析FEM应用实例白车身弯曲变形分析结果各种零部件的有限元分析FEM应用实例如，悬架各部件（如空气弹簧、钢板弹簧、稳定杆等）有限元分析双扭杆弹簧悬架有限元分析空气弹簧有限元分析模型位移云图应力云图各种零部件的有限元分析又如，发动机机体、驱动桥壳、曲轴、差速器及变速器齿轮等各种零部件的结构分析。柴油机机体有限元分析位移云图发动机机体实物与有限元模型各种零部件的有限元分析又如，发动机机体、驱动桥壳、差速器及变速器齿轮等各种零部件的结构分析。驱动桥有限元分析应力云图驱动桥有限元模型变速器齿轮有限元分析模型汽车设计中，除了要满足强度和刚度的要求外，还要进行碰撞实验，使其符合相关法规的要求。汽车碰撞有限元建模与仿真汽车正碰实验汽车碰撞的两种研究手段：实验和有限元仿真汽车碰撞有限元建模与仿真汽车正碰仿真与实验结果的对比汽车侧碰过程有限元分析与仿真汽车载荷工况复杂多样，汽车结构分析中一项重要也是关键的前提条件就是确定计算载荷。1为了保证汽车结构具有合理的强度与刚度，要根据工程力学、汽车理论等基础知识，正确分析汽车所受各种载荷，再运用FEM的知识，对汽车结构进行强度和刚度计算和评价。建模和使用软件进行结构分析的三点注意注意点1：分析汽车结构所受载荷要全面xyz四轮汽车模型汽车坐标系C.G.C.G.——CenterofGravity(1)汽车弯曲情况xyz由于部件质量引起的载荷，作用在垂直平面（x-z）,载荷沿汽车车架方向分布，产生绕y轴的弯矩。Fz（2）汽车扭转情况xyz由于路面不平或不对称支承，使作用在同一车轴两车轮的沿z轴的力不等，必引起扭矩,使汽车有绕纵向x轴转动的趋势。MXMx（3）汽车弯扭组合情况xyz实际上，由于重力始终存在，汽车必受弯矩和扭矩，必须一起考虑！FzMXMx（4）汽车侧向载荷情况xyz这种情况发生在汽车转弯(离心力)或汽车受横风或汽车滑向路牙时，即受y轴载荷。Fy（5-1）汽车纵向载荷——加速情况(后轮驱动)xyztumddutudd加速时，产生纵向载荷(沿x轴)，作用在轮胎与地面接触点的牵引力和惯性力。（5-2）汽车纵向载荷——制动情况xyz制动时，也产生纵向载荷(沿x轴)，作用在轮胎与地面接触点的地面制动力和惯性力。utuddtumdd2以汽车构造、汽车设计、汽车制造工艺学以及相关汽车设计规范为指导，建立汽车结构件三维数字化模型。以汽车驱动桥壳为例，讨论与有限元分析相关的三维建模中的注意点。作为结构设计成果的三维数字化模型与有限元分析中的几何模型两者侧重点不同，既有区别，又有联系。前者侧重于可制造性，故每个细节必须定义清楚，而后者侧重于结构力学特性，所关注的是对安全有影响的部位。驱动桥壳一般主要由桥壳本体、半轴套管、后桥盖总成、钢板弹簧固定座总成、后制动底板固定法兰等组成。桥壳本体半轴套管半轴套管后桥盖总成钢板弹簧固定座总成后制动底板固定法兰后制动底板固定法兰注意点2：在UG(或Solidworks等)软件中按设计图样对桥壳进行参数化建模时，模型必须反映危险部位应力，即，有限元模型应尽量保留原实体结构的重要细节。但为减少节点数量，必须对非危险部位的细节结构进行简化。全浮式驱动车桥结构中，哪些部位是对汽车的安全有直接影响的危险部位？具体简化方法是：1）保留危险部位的细节结构，如两端的固定螺纹结构，以及与锥轴承内圈配合部位结构等。2）略去某些非感兴趣区域的铸造圆角，以倒斜角取代倒圆角。3）略去非危险部位结构，如油管支架、制动底板固定法兰等。4）忽略不重要区的小孔及小尺寸结构，如通气孔挡油罩、加油螺塞、放油螺塞以及各处螺纹孔。将合理简化后的3D实体模型导入ANSYSWorkbench进行有限元分析。3汽车零件数以万计，其几何形状各异，支承和连接形式多样，载荷及其传递复杂，无论是进行静态还是动态分析，建立有限元模型时头绪纷繁，怎样才能使分析结果不停留在“仅作为一种趋势的判断”这一水平上呢？或者说，怎样实现精确化建模？注意点3：从几何模型——力学模型——计算模型的提炼过程中，要实现精确建模的目标，必须确保“三个一致”，即，几何模型与原结构一致，施加载荷与实际情况一致，设置支承与实际边界条件一致，只有这样才能将各种误差减到最低。必须指出：要真正做到精确建模，决非一日之功，没有汽车工程理论和实践、有限元理论和实践两个方面知识长期积累、融合是做不到的！洞察FEM基本理论与通用有限元软件内在力学本质的一致性。比如，使用ANSYS求解薄板结构分析问题时，前处理操作中elementtype有link,beam,pipe,solid,shell等选项。软件使用中，从力学模型到计算模型提炼过程中，决策的正确性问题作一阐述SHELL单元中，仍有很多选项路多歧而树多枝，如何选择？依据在哪？在帮助中有不同（壳）单元的详细描述（Description）:阅读帮助后，再结合分析问题的性质作出选择！不同单元的节点数，每个节点的自由度数，适应条件（是薄板？还是中板厚？是弹性分析？还是塑性分析？）进一步思考在进行刚架的有限元分析时，ANSYS软件中，梁单元有哪些类型？其适应条件如何？在有限单元法中，桁架采用杆单元离散，刚架采用梁单元离散。（第四章杆系结构有限元法）课堂小结从全面分析汽车所受载荷、有限元分析之三维模型建立和有限元分析中精确化建模这三个方面讨论了（结构分析时）FEM建模和使用通用软件的注意点。结合现代汽车开发过程和有限元分析在汽车工程中的应用实例，阐述了有限元分析技术已融入计算机辅助技术之中，在现代汽车设计与制造过程中具有不可或缺的重要作用。第二节汽车结构计算模型本节教学内容：制定有限元分析方案，汽车结构件有限元分析计算模型的分类及选用。教学要求：理解制定有限元分析方案的内容要点、方法步骤；初步掌握汽车结构件有限元分析计算模型的分类及选用。9.2.1制定分析方案接到汽车结构分析任务后，要严格审查分析对象的原始数据（正、逆向设计的成果）和工作历程，遵循有限元分析技术的规律，掌握所用通用程序的特点，明确分析目标，制定周密的分析方案和实施计划，包括模型简化和单元离散方案，载荷和约束施加方案等，尽量避免分析过程中的错误和反复调试。好的方案是保证计算精度和计算效率的基础。虽然在处理具体问题时可能有不同的步骤，但“心中有数”正是有经验者的基本素质，按照一定的工作程序进行，少走弯路。（1）充分占有图纸：充分占有分析对象的图纸，了解各种载荷工况及材料数据等相关资料，明确分析任务及目标。（2）明确分析类型：是静态还是动态，是线性还是非线性，是否进行优化、疲劳、参数化分析，是否与热、流体等之间进行耦合计算等。（3）采用合理单位：准备好分析原始数据、模型几何尺寸、材料属性参数等的单位。注意使用国际单位制单位。（4）确定模型范围：要简化分析模型，是部分还是整体，有无对称性等。根据结构受力特点，有针对性地创建模型，在杆、梁、板壳、三维实体模型中进行合理选择，尤其是不要一切都用实体建模。（5）准确划分网格：要考虑包括单元选用、单元形状、边界条件和施加载荷的位置、分析问题的性质等因素。（6）处理连接关系：确定零部件之间及各总成之间的连接关系（刚接、铰接、滑移接触等）。连接关系处理好坏直接影响模型的构造关系，也影响到模型的精度。（7）制定载荷工况：确认每种工况的载荷类型、大小、施加位置和施加方式。9.2.2汽车结构件计算模型的分类及选用汽车是由成百上千个部件组成，这些结构件和机械产品的结构件一样，其形状各式各样，相应的计算模型自然也有不同。按照汽车构造及汽车结构和行为特征可以归纳为以下几种计算模型：（1）平面结构模型：全部由平面单元组成的计算模型，自然这是将汽车某些部件简化的结果。如变速器中的齿轮，其一个轮齿的应力分析可简化为平面问题处理；发动机的连杆，其结构结构模型形状基本上对称于中间摆动平面，也可当成平面问题来研究。（2）空间结构模型：全部由空间单元组成的模型，零部件三维特征明显，可按空间问题处理。如客车中的连接球销，其难点在于分布力是按正弦规律作用在球面上的；轿车车轮钢圈可按对称和反对称条件来简化处理；还有万向节叉、转向节、车架等。（3）杆系结构模型：全部由杆单元、梁单元组成的模型。如汽车起重机的臂架系统，承载式客车骨架，载货汽车的车架等。（4）板壳结构模型：全部由板壳单元组成的计算模型。如载货汽车车架、货箱、驾驶室，轿车车架、车身，