《车辆有限元》PPT课件

安徽农业大学,主要内容： 第一章 绪论 第二章 有限元法的基础理论 第三章 结构分析有限元法的实现 第四章 汽车结构有限元分析及应用,主要内容,安徽农业大学,第一章 绪论 一、有限元法基础知识 二、汽车结构有限元分析基础,绪论,安徽农业大学,一、有限元法基础知识 1、有限元法的概念 2、有限元法的发展 3、有限元法的用途 4、有限元分析的典型步骤,绪论,安徽农业大学,1、有限元法的概念 有限元法（Finite Element Method, FEM），也称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在 一起的一种数值计算方法。,绪论,安徽农业大学,绪论,左图所示,为分析齿轮上一个齿内的应力分布,可分析图中所示的一个平面截面内位移分布.作为近似解,可以先求出图中各三角形顶点的位移.这里的 三角形就是单元,其顶点就是节点。,从物理角度理解, 可把一个连续的齿形截面单元之间在节点处以铰链相链接,由单元组合而成的结构近似代替原连续结构,在一定的约束条件下,在给定的载荷作用下,就可以求出各节点的位移,进而求出应力.,从数学角度理解, 把这个求解区域剖分成许多三角形子域,子域内的位移可用相应各节点的待定位移合理插值来表示.,安徽农业大学,绪论,有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。,真实系统,有限元模型,安徽农业大学,2、有限元法的发展,绪论,安徽农业大学,有限元分析方法的发展趋势： （1）与CAD软件的无缝集成,绪论,安徽农业大学,（2）更为强大的网格处理能力 (技术难题，关键步骤),绪论,安徽农业大学,（3）由求解线性问题发展到求解非线性问题,绪论,安徽农业大学,（4）由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解,绪论,安徽农业大学,（5）程序面向用户的开放性,绪论,安徽农业大学,4、有限元分析的典型步骤,绪论,连续体的离散化 选择位移模型 用变分原理推导单元刚度矩阵 集合整个离散化连续体的代数方程 求解位移矢量 由节点位移计算出单元的应变和应力,安徽农业大学,二、汽车结构有限元分析基础 1、汽车的研发过程 2、汽车结构有限元分析内容 3、汽车结构有限元分析流程,绪论,安徽农业大学,汽车的研发 市场调研 概念设计（参考车研究） 整车设计（总布置） 零部件设计（CAD、CAE、CAT） 样车试制、调整 样车实验、改进 小批量生产,绪论,安徽农业大学,2、汽车结构有限元分析内容 汽车结构有限元分析的五阶段 汽车结构有限元分析内容,绪论,安徽农业大学,汽车结构有限元分析的五阶段 样车的试验和分析 概念设计阶段的分析 详细设计阶段的分析 确认设计阶段的分析 批量生产后改进设计的分析,绪论,安徽农业大学,汽车结构有限元分析内容 整车及零部件强度和疲劳寿命分析 整车及零部件刚度分析 整车及零部件模态及动态分析 汽车NVH分析 整车碰撞安全性分析 优化设计分析 气动或流场分析 热结构耦合分析,绪论,安徽农业大学,3、汽车结构有限元分析流程,绪论,安徽农业大学,汽车结构有限元分析流程,绪论,安徽农业大学,第二章 有限元法的基础理论 重点和难点：有限元法的理论基础 有限元法的分析步骤 单元类型和单元分析 目的：了解有限元法的基本理论和分析方法，了解单 元类型及特点。,有限元法的基础理论,安徽农业大学,第三章 结构分析有限元法的实现 一、概述 二、有限元法的软件实现 三、有限元软件分析的关键问题,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,一、概述 有限元法的基本研究思路： 结构离散单元分析整体求解 有限元软件实施的过程： 前处理中处理后处理 常用的有限元分析软件：ANSYS，NASTRAN 常用的有限元前处理软件：Hypermesh,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,二、有限元法的软件实现 1、前处理 2、中处理 3、后处理,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,1、前处理 前处理常用菜单 前处理内容,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,前处理常用菜单 Element Type: 添加和删除单元类型 Real Constants:添加单元实常数 Material Properties:定义材料属性 Sections:定义截面形状比较复杂的梁和壳体 Modeling:建立几何模型 Meshing:设置单元属性和网格划分 Loads:设置边界条件和施加载荷,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,前处理内容 建立几何模型 网格划分 施加载荷及边界条件,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,2、中处理（软件计算） 常用菜单： Analysis Type：设置求解问题类型（静态、模态、瞬态） Define Loads：设置边界条件和施加载荷 Load Step Options：定义载荷步 Solve：问题求解,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,3、后处理 目的：获取并检查求解结果，对模型做出评价。计算结果以图表、曲线或动画形式输出。 后处理常用菜单 注意问题,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,后处理常用菜单 Plot Results：绘出结果 List Results ：列表显示节点解 Query Results ：查询节点或单元解 Element Table：建立单元表形式画出各部件内力图 Path Operations：沿指定路径绘出相关应力分布,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,注意问题 计算结果处理 计算结果编辑 数据的可视化,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,三、有限元软件分析的关键问题 1、网格划分 2、节点位移约束 3、有限元模型的装配 4、模型验证及结果评价,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,1、网格划分 单元选用 网格大小 网格形状,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,单元选用 单元类型的选用对分析精度有重要影响。 常用单元适用情况： 梁单元用于车身骨架、车架 板壳单元用于车身、车架 实体单元用于三维结构 刚体单元用于各结构的刚性部分 质量单元用于振动分析,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,网格尺寸大小 网格大小对计算精度和速度有重要影响 原则： 在保证计算精度的情况下，采用尺寸大的网格划分方法,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,网格形状 网格形状的优劣对计算精度有重要影响,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,2、节点位移约束 利用节点位移约束建立模型各部分之间的连接关系，消除结构的刚体运动、保持节点间的相对变形关系。 节点坐标系 绝对位移约束 自由度耦合 位移约束方程,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,绝对位移约束 对节点位移大小的限制 刚性约束 强迫约束 弹性约束,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,自由度耦合 定义：一组节点具有相同的自由度值，相当于一个完全的刚性约束关系。 用途： 同一位置两节点重合 周期对称性结构 小位移条件下的无摩擦接触表面,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,位移约束方程 定义：描述多个不同的或相同的自由度之间的线性协调关系，建立多个节点之间的刚性连接关系。 用途： 连接不同类型单元之间的网格 连接具有不同自由度的单元 建立刚性域 描述过盈装配中两界面间的盈量或间隙,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,3、有限元模型的装配 复杂结构采用同一单元装配（节点位移约束） 复杂结构采用不同单元装配 注意： 自由度不同的单元不协调 有相同自由度的单元不总是协调的 三维梁单元与三维壳单元出现的不匹配问题,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,4、模型验证及结果评价 模型验证应注意的问题 误差产生,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,模型验证应注意的问题 熟悉研究对象，积累相关资料 了解所分析问题的结果情况，验证分析的正确性 新问题可用小的模型试算 检查几何模型、材料属性、单位统一 确认加载是否合理 单元划分是否合理 理论分析与试验结果对比,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,误差产生 模型误差 计算误差 离散误差,结构分析有限元法的实现,安徽农业大学,第四章 汽车结构有限元分析及应用 一、汽车结构有限元分析 二、应用实例,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,一、汽车结构有限元分析 1、汽车结构设计准则与目标 2、汽车结构有限元建模 3、单元选用及网格划分 4、边界约束条件处理 5、受力分析与载荷处理 6、汽车结构有限元分析指南,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,1、汽车结构设计准则与目标 （1）汽车结构设计涉及的内容 （2）汽车结构设计目标 （3）汽车结构设计准则,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,（1）汽车结构设计涉及的内容 可靠性：汽车结构刚度、强度、动态特性及疲劳寿命 安全性：结构耐撞性及乘员安全性 经济性：结构优化及轻量化 舒适性：NVH,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,（2）汽车结构设计目标 设计目标分级： 整车目标总成目标零部件目标 设计目标的依据： 市场需求 竞争样车的分析 经验的积累,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,（3）汽车结构设计准则 1）概念设计阶段 车身静刚度目标 整车NVH目标 整车安全性目标 零部件及总成寿命目标,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,2）详细设计阶段（车身） 车身强度刚度及灵敏度分析 截面与接头分析 开闭件的强度刚度分析 车身附件的强度刚度分析 模态分析及频率响应分析 NVH分析 安全性分析 耐久性分析,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,2、汽车结构有限元建模 （1）汽车结构中的力学问题 （2）模型简化及原则 （3）结构计算模型 （4）结构分析方法,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,（1）汽车结构中的力学问题 强度 刚度 疲劳 振动、噪声 碰撞安全,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,2）模型简化及原则 模型简化的原则 模型的简化,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,模型简化的原则 结构的简化应不使受力状态失真，最大限度地保留零部件的主要力学特征 选用的单元和网格划分应能保证计算精度 尽量控制模型的规模 计算结果要经得起检验并能与设计参数匹配,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,模型的简化 节点的简化 结构的简化 载荷的简化,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,节点的简化 通常将节点简化为铰节点和刚节点 铰节点：可以绕节点中心自由转动 刚节点：不能发生任何转动,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,结构的简化 结构简化的原则是：在保证充分反映实际结构力学性能的前提下，作必要的简化。 省略非承载件 构件表面光顺化 对翻边的简化,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,载荷的简化 等效载荷 载荷谱（疲劳分析、振动分析）,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,（3）结构计算模型 平面结构模型 空间结构模型 杆系结构模型 板壳结构模型,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,（4）结构分析方法 主要步骤 1）了解问题，明确目标 2）结构简化和假设 3）建立模型，注意模型各部分之间的连接关系 4）模型分析、检验和修改 5）模型应用（评价、改进、优化）,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,4、边界约束条件处理 边界约束：模仿实际边界的约束受力情况，消除结构刚体位移。 支座、节点与约束 连接,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,支座、节点与约束 支座:结构与基础联系起来的装置 节点：结构中两个或两个以上的部件连接处 结构的合理约束要求： 模型无内外多余自由度 模型无内外多余附加约束 支座反力与所加载荷保持平衡,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,5、受力分析与载荷处理 载荷类型 施加载荷的原则,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,载荷类型 静载荷：作用在车身（车架）上所有总成、设备、乘员、货物等质量引起的载荷，按集中载荷或分布载荷处理。 动载荷：交变载荷（载荷谱） 发动机的激励载荷，路面的激励载荷,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,施加载荷的原则 简化假定越少越好 施加的载荷与结构的实际承接的载荷状态保持一致 集中载荷施加到模型上 对于多种单元组成的连续性模型，集中载荷可能带来应力奇异点 惯性载荷独立于有限元模型,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,6、汽车结构有限元分析指南,汽车结构有限元分析及应用,安徽农业大学,二、应用实例 1、轿车白车身刚度强度分析 2、SRV白车身模态分析 3、汽车排气系统消声特性分析 4、车内声辐射分析,汽车结构有限元分析及应用,