汽車有限元法

汽車有限元法第一章概論

1-1有限元法概述1-2有限元法在汽車工程中的應(yīng)用有限元法概述

------FiniteElementMethocd/FiniteElementAnalysis(FEM/FEA)有限元法是將連續(xù)體理想化為有限個(gè)單元集合而成，這些單元僅在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上相連接，亦即用有限個(gè)單元的集合來代替原來具有無限個(gè)自由度的連續(xù)體。由于有限單元的分割和節(jié)點(diǎn)的配置非常靈活，它可適應(yīng)于任意復(fù)雜的幾何形狀，處理不同的邊界條件。單元有各種類型，包括線、面和實(shí)體或稱為一維、二維和三維等類型單元。節(jié)點(diǎn)一般都在單元邊界上，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定載荷，這樣就組成了有限單元集合體。

有限元法概述有限元法直接為產(chǎn)品設(shè)計(jì)服務(wù)，與工程應(yīng)用密切相關(guān)。而且有限元法的物理概念十分清晰，容易為工程技術(shù)人員所理解。大型集成化通用軟件的普及與推廣，應(yīng)用有限元法進(jìn)行一般工程結(jié)構(gòu)分析成為相對(duì)容易的技術(shù)工作。但是，為了正確地使用通用程序，做好數(shù)據(jù)前后處理工作，掌握分析方法，都需要對(duì)有限元基本理論有一定程度的理解。隨著計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）溶入設(shè)計(jì)過程的進(jìn)程加快，立足于設(shè)計(jì)前期的CAE技術(shù)，將有限元軟件集成于CAD環(huán)境中，面向CAD軟件的使用者，形成產(chǎn)品分析、設(shè)計(jì)、制造一體化，這也是工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向，有限元法在其中則起著重要的作用。結(jié)構(gòu)有限元模型結(jié)構(gòu)有限元模型實(shí)例結(jié)構(gòu)有限元模型實(shí)例結(jié)構(gòu)有限元模型實(shí)例結(jié)構(gòu)有限元分析重要性汽車CAE技術(shù)的應(yīng)用面向整車開發(fā)的全過程，在汽車開發(fā)過程（概念設(shè)計(jì)-詳細(xì)設(shè)計(jì)-樣機(jī)驗(yàn)證-定型生產(chǎn)）中實(shí)現(xiàn)全過程、整車及部件級(jí)虛擬樣機(jī)仿真，減少原型車試驗(yàn)次數(shù)，降低生產(chǎn)成本、縮短新車研發(fā)周期。隨著CAE應(yīng)用深度及廣度的提高，實(shí)現(xiàn)CAE工作的規(guī)范化和制度化是提升企業(yè)的技術(shù)能力和市場(chǎng)競爭力的有力保證。

汽車CAE技術(shù)的應(yīng)用熱點(diǎn)

動(dòng)力學(xué)操縱穩(wěn)定性分析---應(yīng)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件（MBS），ADAMS及CarSim；NVH性能分析---低頻振動(dòng)和高頻噪聲（剛彈耦合、聲固耦合）；疲勞耐久性分析---加速疲勞設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法；碰撞安全性分析---以LSDYNA為代表的顯式有限元軟件來模擬；流場(chǎng)分析及熱管理---基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）；多目標(biāo)優(yōu)化、多物理場(chǎng)耦合、多性能協(xié)調(diào)分析；……汽車結(jié)構(gòu)有限元分析1)

汽車設(shè)計(jì)中對(duì)所有結(jié)構(gòu)件、主要零部件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析2)

汽車結(jié)構(gòu)件或零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如以汽車質(zhì)量或體積為目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，還有對(duì)比分析中的參數(shù)化設(shè)計(jì)和形狀優(yōu)化；3)

對(duì)汽車結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和響應(yīng)譜分析，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供方便有效的工具；4)

汽車零部件及整車的疲勞分析，在概念或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段估計(jì)產(chǎn)品的壽命或是分析部件損壞的原因；5)

車身內(nèi)的聲學(xué)設(shè)計(jì)，將車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與車身內(nèi)聲模態(tài)耦合，評(píng)價(jià)乘員感受的噪聲并進(jìn)行噪聲控制；6)

車身空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，解決高速行駛中的升力、阻力和湍流等問題，為汽車性能和造型設(shè)計(jì)服務(wù)；7）汽車碰撞歷程仿真和乘員安全保護(hù)分析，提高汽車結(jié)構(gòu)的被動(dòng)安全性。

汽車結(jié)構(gòu)有限元分析||標(biāo)準(zhǔn)分析流程有限元基本本方法結(jié)構(gòu)離散化化離散成有限限個(gè)單元單元之間通通過節(jié)點(diǎn)相相連問題變成求節(jié)點(diǎn)位移移有限個(gè)自由由度網(wǎng)格越密精度越高計(jì)算時(shí)間越越長所需計(jì)算機(jī)機(jī)資源越大大單元節(jié)點(diǎn)位位移用矢量量單元種類很很多結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格單元分析假設(shè)位移模模式得到假設(shè)的的位移函數(shù)數(shù)矩陣［N］任一點(diǎn)的位位移用用節(jié)點(diǎn)位移移表示單元力學(xué)特特性分析由幾何方程程得到應(yīng)變變矢量（［［B］為應(yīng)應(yīng)變矩陣））由物理方程程得應(yīng)力由虛位移原原理得到單單元?jiǎng)偠染鼐仃嚬?jié)點(diǎn)力和和節(jié)點(diǎn)位位移的關(guān)系系單元e節(jié)點(diǎn)力單元e節(jié)點(diǎn)位移整體分析單剛迭加形形成總剛［［K］單元節(jié)點(diǎn)力力矢量迭加加形成結(jié)構(gòu)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力矢矢量形成結(jié)構(gòu)線線性方程組組約束處理并并求解方程程處理位移約約束條件求解線性方方程組的全全部節(jié)點(diǎn)位位移根據(jù)所求節(jié)節(jié)點(diǎn)位移計(jì)計(jì)算應(yīng)力分分量有限元應(yīng)用用實(shí)例（一一）汽車安全氣氣囊計(jì)算有限元應(yīng)用用實(shí)例（二二）有限元應(yīng)用用實(shí)例（九九）汽車碰撞1有限元應(yīng)用用實(shí)例（十十）汽車碰撞2有限元結(jié)構(gòu)構(gòu)分類和計(jì)計(jì)算步驟結(jié)構(gòu)分類平面問題平面應(yīng)力平面應(yīng)變軸對(duì)稱問題題桿系結(jié)構(gòu)桁架（平面面、空間））剛架（平面面、空間））板殼結(jié)構(gòu)空間實(shí)體結(jié)結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模模型計(jì)算過程前處理－建建立計(jì)算模模型建立幾何模模型劃分單元網(wǎng)網(wǎng)格選擇單元類類型劃分網(wǎng)格給定材料常常數(shù)給定單元實(shí)實(shí)常數(shù)施加載荷處理邊界條條件提交計(jì)算后處理觀察分析位位移結(jié)果觀察分析各各種應(yīng)力其它結(jié)果常用有限元元分析軟件件介紹從二十世紀(jì)紀(jì)60年代代中期以來來，進(jìn)行了了大量的理理論研究，，不但拓展展了有限單單元法的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域，，還開發(fā)了了許多通用或?qū)Ｓ玫挠邢拊址治鲕浖?。。有限元法得得以飛速發(fā)發(fā)展的一個(gè)個(gè)重要原因因就是在工工程實(shí)際中中提出了一一大批重要要問題需要要進(jìn)行分析析：航空、機(jī)械械制造、土土木工程、、冶金、核核能、地震震、氣象…常用大型通用有限元軟件件ADINA、ABAQUS、ANSYS、MSC/Marc、MSC/Nastran一些專用有限元軟件件LS_DYNA、PAM-CRASH、MSC/Dytran(碰碰撞）Autoform、、DYNAFORM、、PAM-STAMP（沖壓））、DEFORM(體積積成形)、、SysWeld（焊接））MOLDFLOW(注塑)、ProCast(鑄造)、AdvantEdge(切削)SimFact(體體積成形)ADINAAutomaticdynamicincrementalnonlinearanalysis1975年年K.J.Bathe(Wilson的學(xué)生生)在美國國MIT創(chuàng)創(chuàng)辦ADINA公司司大型通用非非線性分析析軟件(注：20世紀(jì)60年代美美國加州大大學(xué)Wilson教教授主持開開發(fā)了第一個(gè)大型通用結(jié)結(jié)構(gòu)分析程程序SAP)ABAQUS1978年年，三位著著名學(xué)者Hibbitt,Karlsson和Sorensen成立HKS公司司，推出有有限元產(chǎn)品品為ABAQUS。。總部位于于美國的羅羅德島州（（RhodeIsland）。國際上最先先進(jìn)的大型型通用有限限元分析軟軟件之一。。特別是它它的非線性性力學(xué)分析析功能具有有世界領(lǐng)先先水平。兩個(gè)主要分分析模塊：：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit國內(nèi)清華大大學(xué)工程力力學(xué)系提供供技術(shù)支持持和服務(wù)。。(公司)ANSYS發(fā)展歷程程MSC/Nastran1963年年，R.MacNeal博博士和R.Schwendler創(chuàng)創(chuàng)辦MSC公司1964年年，MSC承擔(dān)美國國航空航天天局（NASA）項(xiàng)項(xiàng)目，主持持NASTRAN的開發(fā)1971年年，MSC推出專利利版MSC/NASTRAN1989年年,發(fā)布布經(jīng)重大改改進(jìn)的MSC/NASTRAN661994年年，MSC公司發(fā)布布了經(jīng)重大大改進(jìn)的MSC/NASRANV68版1994年年，MSC與PDAE合并,形成了以以MSC/NASTRAN為核心心的MSC產(chǎn)品品系列如：MSC.PATRAN、、MSC.THERMAL、、MSC.FATIGUE等等1997年年,MSC/NASTRANV70版2001年年,MSC/NASTRAN2001版航空航天領(lǐng)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)分分析軟件MSC/Marc1967年年美國布朗朗大學(xué)力學(xué)學(xué)系的PedroMarcal教授授創(chuàng)立Marc公司司大型通用非非線性分析析軟件后因經(jīng)營上上的問題，，被MSC公司并購購DYNA3D1976年年由LawrenceLivermore國國家實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室的JohnHallguist博士發(fā)布布顯式有限元元理論和程程序的鼻祖，其獨(dú)特的的算法非常常適合求解解碰撞、爆爆炸、金屬屬成形等高高度非線性性問題。目前狀況被法國ESI公司商商品化為PAMCRASH1989Hallguist推出商商業(yè)化版本本LS-DYNA(3D)Dynaform-PC,Ansys/LS-DYNA幾種通用有有限元軟件件的比較軟件一般結(jié)構(gòu)非線性爆炸與沖擊電磁場(chǎng)溫度場(chǎng)流體力學(xué)多場(chǎng)耦合易用性使用范圍二次開發(fā)MSC.NASTRAN5303532152MSC.MARC5503533355ABAQUS5543533455ANSYS5405545555ADINA5503544251（5分制：：強(qiáng)5弱1易易5難1廣廣5小小1）有限元軟件件的主要發(fā)發(fā)展趨勢(shì)并行運(yùn)算單元庫、材材料庫多物理場(chǎng)耦耦合、多體體耦合、多尺度耦合合分析增進(jìn)前后處處理能力及及與CAD軟件的集集成技術(shù)優(yōu)化技術(shù)有限元分析析的作用及及地位現(xiàn)代工業(yè)的的進(jìn)步，完完全得力于于計(jì)算機(jī)科科技的突飛飛猛進(jìn)。將將計(jì)算機(jī)、、計(jì)算機(jī)軟軟件應(yīng)用于于產(chǎn)品的開開發(fā)、設(shè)計(jì)計(jì)、分析與與制造，已已成為近代代工業(yè)提升升競爭力的的主要方法法。CADCAMCAECAE：在產(chǎn)品的研研發(fā)過程中中，利用計(jì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行行建模及性性能仿真分分析有限元法是是CAE的的最主要方方法，是處理各種種復(fù)雜工程程問題的重重要分析手手段，也是是進(jìn)行科學(xué)學(xué)研究的重重要工具。。利用有限限元分析可可以獲取幾幾乎任意復(fù)復(fù)雜工程結(jié)結(jié)構(gòu)的各種種機(jī)械性能能信息，可可以直接就就工程設(shè)計(jì)計(jì)進(jìn)行各種種評(píng)判及優(yōu)化，提高產(chǎn)品品品質(zhì)。一個(gè)新產(chǎn)品品的問題有有60%以以上可以在在設(shè)計(jì)階段段消除，如如果人們有有先進(jìn)的精精確分析手手段。目前，國際際上有90%以上的的機(jī)械產(chǎn)品品和裝備都都要采用有有限元方法法進(jìn)行分析析，進(jìn)而進(jìn)進(jìn)行設(shè)計(jì)修修改和優(yōu)化化。有限元分析析已成為替替代大量實(shí)實(shí)物試驗(yàn)的的數(shù)值化““虛擬試驗(yàn)驗(yàn)”，基于于該方法的的大量計(jì)算算分析與典典型的驗(yàn)證證性試驗(yàn)相相結(jié)合可以以做到高效效率率和低成成本本?！疤撎摂M擬試試驗(yàn)驗(yàn)””：頭頭部部撞撞傷傷是是交交通通事事故故中中的的常常見見傷傷害害，，由由于于包包括括倫倫理理在在內(nèi)內(nèi)多多種種原原因因，，很很難難對(duì)對(duì)頭頭部部受受傷傷機(jī)機(jī)制