汽車有限元法

汽車有限元法第1頁(yè)/共42頁(yè)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(lái)代替原來(lái)具有無(wú)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(guò)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。

第2頁(yè)/共42頁(yè)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(guò)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。第3頁(yè)/共42頁(yè)結(jié)構(gòu)有限元模型第4頁(yè)/共42頁(yè)結(jié)構(gòu)有限元模型實(shí)例第5頁(yè)/共42頁(yè)結(jié)構(gòu)有限元模型實(shí)例第6頁(yè)/共42頁(yè)結(jié)構(gòu)有限元模型實(shí)例第7頁(yè)/共42頁(yè)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(kāi)發(fā)的全過(guò)程，在汽車開(kāi)發(fā)過(guò)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(guò)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(jìng)爭(zhēng)力的有力保證。

第8頁(yè)/共42頁(yè)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(lái)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；……第9頁(yè)/共42頁(yè)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(wèn)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。

第10頁(yè)/共42頁(yè)汽車結(jié)構(gòu)有限元分析||標(biāo)準(zhǔn)分析流程第11頁(yè)/共42頁(yè)有限元基本方法結(jié)構(gòu)離散化離散成有限個(gè)單元單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連問(wèn)題變成求節(jié)點(diǎn)位移有限個(gè)自由度網(wǎng)格越密精度越高計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)所需計(jì)算機(jī)資源越大單元節(jié)點(diǎn)位移用矢量單元種類很多結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格第12頁(yè)/共42頁(yè)單元分析假設(shè)位移模式得到假設(shè)的位移函數(shù)矩陣［N］任一點(diǎn)的位移用節(jié)點(diǎn)位移表示單元力學(xué)特性分析由幾何方程得到應(yīng)變矢量（［B］為應(yīng)變矩陣）由物理方程得應(yīng)力由虛位移原理得到單元?jiǎng)偠染仃嚬?jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系單元e節(jié)點(diǎn)力單元e節(jié)點(diǎn)位移第13頁(yè)/共42頁(yè)整體分析單剛迭加形成總剛［K］單元節(jié)點(diǎn)力矢量迭加形成結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力矢量形成結(jié)構(gòu)線性方程組約束處理并求解方程處理位移約束條件求解線性方程組的全部節(jié)點(diǎn)位移根據(jù)所求節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算應(yīng)力分量第14頁(yè)/共42頁(yè)有限元應(yīng)用實(shí)例（一）汽車安全氣囊計(jì)算第15頁(yè)/共42頁(yè)有限元應(yīng)用實(shí)例（二）第16頁(yè)/共42頁(yè)第17頁(yè)/共42頁(yè)有限元應(yīng)用實(shí)例（九）汽車碰撞1第18頁(yè)/共42頁(yè)有限元應(yīng)用實(shí)例（十）汽車碰撞2第19頁(yè)/共42頁(yè)有限元結(jié)構(gòu)分類和計(jì)算步驟結(jié)構(gòu)分類平面問(wèn)題平面應(yīng)力平面應(yīng)變軸對(duì)稱問(wèn)題桿系結(jié)構(gòu)桁架（平面、空間）剛架（平面、空間）板殼結(jié)構(gòu)空間實(shí)體結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型第20頁(yè)/共42頁(yè)計(jì)算過(guò)程前處理－建立計(jì)算模型建立幾何模型劃分單元網(wǎng)格選擇單元類型劃分網(wǎng)格給定材料常數(shù)給定單元實(shí)常數(shù)施加載荷處理邊界條件提交計(jì)算后處理觀察分析位移結(jié)果觀察分析各種應(yīng)力其它結(jié)果第21頁(yè)/共42頁(yè)常用有限元分析軟件介紹從二十世紀(jì)60年代中期以來(lái)，進(jìn)行了大量的理論研究，不但拓展了有限單元法的應(yīng)用領(lǐng)域，還開(kāi)發(fā)了許多通用或?qū)Ｓ玫挠邢拊治鲕浖?。有限元法得以飛速發(fā)展的一個(gè)重要原因就是在工程實(shí)際中提出了一大批重要問(wèn)題需要進(jìn)行分析：航空、機(jī)械制造、土木工程、冶金、核能、地震、氣象…第22頁(yè)/共42頁(yè)常用大型通用有限元軟件

ADINA、ABAQUS、ANSYS、MSC/Marc、MSC/Nastran一些專用有限元軟件LS_DYNA、PAM-CRASH、MSC/Dytran(碰撞）Autoform、DYNAFORM、、PAM-STAMP（沖壓）、

DEFORM(體積成形)、SysWeld（焊接）MOLDFLOW(注塑)、ProCast(鑄造)、AdvantEdge(切削)SimFact(體積成形)第23頁(yè)/共42頁(yè)ADINAAutomaticdynamicincrementalnonlinearanalysis1975年K.J.Bathe(Wilson的學(xué)生)在美國(guó)MIT創(chuàng)辦ADINA公司大型通用非線性分析軟件

(注：20世紀(jì)60年代美國(guó)加州大學(xué)Wilson教授主持開(kāi)發(fā)了第一個(gè)大型通用結(jié)構(gòu)分析程序SAP)第24頁(yè)/共42頁(yè)ADINA

/第25頁(yè)/共42頁(yè)ABAQUS1978年，三位著名學(xué)者Hibbitt,Karlsson和Sorensen成立HKS公司，推出有限元產(chǎn)品為ABAQUS?？偛课挥诿绹?guó)的羅德島州（RhodeIsland）。國(guó)際上最先進(jìn)的大型通用有限元分析軟件之一。特別是它的非線性力學(xué)分析功能具有世界領(lǐng)先水平。兩個(gè)主要分析模塊：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit國(guó)內(nèi)清華大學(xué)工程力學(xué)系提供技術(shù)支持和服務(wù)。(公司)第26頁(yè)/共42頁(yè)ABAQUS

/第27頁(yè)/共42頁(yè)ANSYS發(fā)展歷程第28頁(yè)/共42頁(yè)ANSYS中國(guó)

http：///第29頁(yè)/共42頁(yè)MSC/Nastran1963年，R.MacNeal博士和R.Schwendler創(chuàng)辦MSC公司1964年，MSC承擔(dān)美國(guó)航空航天局（NASA）項(xiàng)目，主持NASTRAN的開(kāi)發(fā)

1971年，MSC推出專利版MSC/NASTRAN1989年,發(fā)布經(jīng)重大改進(jìn)的MSC/NASTRAN66第30頁(yè)/共42頁(yè)1994年，MSC公司發(fā)布了經(jīng)重大改進(jìn)的MSC/NASRANV68版1994年，MSC與PDAE合并,形成了以MSC/NASTRAN為核心的MSC產(chǎn)品系列如：MSC.PATRAN、MSC.THERMAL、MSC.FATIGUE等1997年,MSC/NASTRANV70版

2001年,MSC/NASTRAN2001版航空航天領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)分析軟件第31頁(yè)/共42頁(yè)MSC/Marc1967年美國(guó)布朗大學(xué)力學(xué)系的PedroMarcal教授創(chuàng)立Marc公司大型通用非線性分析軟件后因經(jīng)營(yíng)上的問(wèn)題，被MSC公司并購(gòu)第32頁(yè)/共42頁(yè)MSC中國(guó)

/第33頁(yè)/共42頁(yè)DYNA3D1976年由LawrenceLivermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的JohnHallguist博士發(fā)布顯式有限元理論和程序的鼻祖，其獨(dú)特的算法非常適合求解碰撞、爆炸、金屬成形等高度非線性問(wèn)題。目前狀況被法國(guó)ESI公司商品化為PAMCRASH1989Hallguist推出商業(yè)化版本LS-DYNA(3D)Dynaform-PC,Ansys/LS-DYNA第34頁(yè)/共42頁(yè)幾種通用有限元軟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(kāi)發(fā)MSC.NASTRAN5303532152MSC.MARC5503533355ABAQUS5543533455ANSYS5405545555ADINA5503544251（5分制：強(qiáng)5弱1易5難1廣5小1）第35頁(yè)/共42頁(yè)有限元軟件的主要發(fā)展趨勢(shì)并行運(yùn)算單元庫(kù)、材料庫(kù)多物理場(chǎng)耦合、多體耦合、多尺度耦合分析增進(jìn)前后處理能力及與CAD軟件的集成技術(shù)優(yōu)化技術(shù)第36頁(yè)/共42頁(yè)有限元分析的作用及地位現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步，完全得力于計(jì)算機(jī)科技的突飛猛進(jìn)。將計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、分析與制造，已成為近代工業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)力的主要方法。CADCAMCAE

CAE：在產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行建模及性能仿真分析第37頁(yè)/共42頁(yè)有限元法是CAE的最主要方法，是處理各種復(fù)雜工程問(wèn)題的重要分析手段，也是進(jìn)行科學(xué)研究的重要工具。利用有限元分析可以獲取幾乎任意復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的各種機(jī)械性能信息，可以直接就工程設(shè)計(jì)進(jìn)行各種評(píng)判及優(yōu)化，提高產(chǎn)品品質(zhì)。一個(gè)新產(chǎn)品的問(wèn)題有60%以上可以在設(shè)計(jì)階段消除，如果人們有先進(jìn)的精確分析手段。第38頁(yè)/共42頁(yè)目前，國(guó)際上有90%以上的機(jī)械產(chǎn)品和裝備都要采用有限元方法進(jìn)行分析，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和優(yōu)