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 。nFEM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 45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 。 n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 ？ n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nFEM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nFEM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nFEM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 。 n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x yz四 轮 汽 车 模 型汽 车 坐 标 系 C.G. C.G.Center of Gravity (1)汽 车 弯 曲 情 况x yz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 。 F z （ 2） 汽 车 扭 转 情 况x yz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 。 MXM x （ 3） 汽 车 弯 扭 组 合 情 况x yz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 ！ F zMX Mx （ 4） 汽 车 侧 向 载 荷 情 况x yz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 )x yz tum ddu tudd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x yz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 。u tudd tum dd 2 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 element type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 ， 汽 车 的 后 桥 壳 ， 齿 轮 箱 箱 体 等 ， 它 们 都 是 用 板 焊接 或 铆 接 而 成 的 。 （ 5） 组 合 结 构 模 型 ： 主 要 有 梁 单 元 、 板 单 元 及 实 体单 元 混 合 组 成 ， 形 成 板 梁 结 构 、 实 体 与 梁 组 合 结 构 。如 推 土 机 的 推 土 装 置 ， 客 车 车 架 、 轿 车 车 身 等 。 其 它 还 有 与 各 种 专 用 单 元 的 组 合 方 式 ， 如 质 量 单 元 、弹 簧 单 元 和 刚 性 单 元 等 。 不 同 的 结 构 需 要 不 同 的 计 算模 型 ， 不 同 的 分 析 求 解 需 要 不 同 的 计 算 模 型 ， 不 同 的分 析 阶 段 可 能 也 需 要 不 同 的 模 型 ， 很 难 用 一 种 模 型 完成 所 有 分 析 ， 其 中 最 主 要 的 问 题 就 是 汽 车 不 同 结 构 件的 力 学 特 性 相 差 很 大 。 因 此 为 了 进 行 有 限 元 分 析 ， 在选 择 建 立 汽 车 结 构 件 计 算 模 型 时 ， 应 进 一 步 考 虑 下 面几 个 问 题 ： 按 照 结 构 的 受 力 特 征 和 构 造 特 点 ： 如 客 车 车 身 骨 架 是 由 梁 组 成 的 空 间 刚 架 系 统 ， 根 据 其结 构 特 点 ， 总 是 选 用 杆 系 结 构 计 算 模 型 。 但 悬 架 处 底架 纵 梁 刚 性 很 大 ， 且 连 接 复 杂 ， 可 以 采 用 板 单 元 或 实体 单 元 模 型 ， 这 样 就 形 成 了 板 梁 组 合 结 构 。 为 了 进 行车 身 计 算 ， 还 要 在 钢 板 弹 簧 或 空 气 气 囊 悬 挂 处 ， 采 用梁 单 元 和 弹 簧 元 作 为 支 承 模 型 。 当 隔 离 出 一 个 零 部 件进 行 分 析 时 ， 通 常 采 用 适 当 的 边 界 条 件 来 考 虑 周 围 结构 的 影 响 。 如 果 边 界 条 件 不 合 理 ， 计 算 结 果 可 能 误 差很 大 ， 这 是 所 有 零 部 件 分 析 中 都 会 遇 到 的 问 题 。 实 际应 用 中 还 常 常 要 求 对 几 个 部 件 组 合 进 行 有 限 元 分 析 。这 些 都 涉 及 到 结 构 边 界 之 间 的 相 互 影 响 ， 需 要 采 用 专用 单 元 模 型 。 按 照 分 析 类 型 不 同 ： 与 静 力 分 析 不 同 ， 动 力 分 析 更多 地 建 立 质 点 、 弹 簧 、 梁 等 单 元 组 成 的 模 型 ， 采 用 相对 较 粗 糙 的 单 元 网 格 。 一 般 情 况 下 ， 动 力 分 析 的 计 算模 型 要 尽 可 能 简 单 。 如 客 车 骨 架 、 载 货 汽 车 车 架 、 驾驶 室 的 动 态 计 算 都 可 采 用 空 间 刚 架 模 型 。 按 照 计 算 精 度 的 要 求 ： 在 设 计 初 期 方 案 选 择 阶 段 ，可 选 取 较 简 单 、 近 似 程 度 大 的 模 型 ； 而 在 设 计 开 发 后期 ， 要 查 明 结 构 细 部 应 力 和 变 形 ， 则 需 要 选 取 较 精 确的 模 型 。 如 车 架 、 驾 驶 室 等 ， 可 将 其 先 简 化 为 空 间 刚架 进 行 分 析 ， 但 在 最 后 校 核 时 ， 则 可 以 采 用 全 板 单 元 ，演 算 各 连 接 处 的 局 部 强 度 等 。 按 照 计 算 机 容 量 及 经 费 的 限 制 ： 对 于 大 型 模 型 ， 可 以 分 成 几 个 部 件 分 别 建 模 ， 充 分利 用 组 装 合 并 技 术 、 子 结 构 技 术 、 超 单 元 技 术 等 程 序功 能 。 如 对 轿 车 车 身 或 整 车 模 型 做 静 动 态 计 算 或 碰 撞仿 真 时 ， 其 模 型 规 模 一 般 较 大 ， 建 模 工 作 就 需 要 分 组进 行 ， 按 主 要 结 构 件 划 分 为 若 干 个 部 件 组 。 模 型 要 突出 重 点 ， 保 证 分 析 重 点 部 位 的 质 量 。 可 以 通 过 首 先 分析 一 个 简 化 模 型 来 了 解 分 析 过 程 ， 理 解 结 构 特 性 。 这类 模 型 建 立 涉 及 较 多 技 术 和 经 验 ， 需 要 不 断 学 习 和 深造 。 同 样 是 车 架 ， 梁 模 型 要 比 板 模 型 花 费 少 得 多 。 建 模 工 作 是 一 个 分 析 矛 盾 ， 解 决 矛 盾 的 过 程 ， 归 结 起来 建 立 有 限 元 计 算 模 型 有 两 项 原 则 ： （ 1） 从 实 际 出 发 模 型 要 反 映 实 际 结 构 的 主 要 性 能 ； （ 2） 分 清 主 次 ， 略 去 细 节 模 型 要 便 于 计 算 。 第 三 节 载 荷 与 边 界 约 束 条 件 的 处 理本 节 教 学 内 容 ： 载 荷 分 类 ； 约 束 与 连 接 。 教 学 要 求 ： 结 合 工 程 实 际 理 解 载 荷 分 类 ； 初 步 掌 握有 限 元 分 析 中 载 荷 、 约 束 的 添 加 ； 实 际 问 题 有 限 元分 析 中 ， 能 结 合 问 题 特 点 ， 在 程 序 中 正 确 处 理 常 用连 接 。 9.3.1载 荷 分 类 及 其 它 在 有 限 元 分 析 中 ， 载 荷 可 分 为 以 下 几 种 ： （ 1） 集 中 载 荷 ： 包 括 力 和 力 矩 ， 具 有 方 向 和 大 小 。一 般 当 载 荷 作 用 在 结 构 上 的 区 域 很 小 时 ， 可 处 理 成 集中 载 荷 ， 但 集 中 载 荷 作 用 点 附 近 ， 可 能 存 在 应 力 失 真 。有 时 为 简 化 计 算 ， 也 将 某 些 外 力 处 理 成 集 中 载 荷 ， 如车 架 分 析 中 ， 发 动 机 的 重 量 就 是 以 集 中 载 荷 的 方 式 处理 的 。 第 三 节 载 荷 与 边 界 约 束 条 件 的 处 理9.3.1载 荷 分 类 及 其 它 （ 2） 分 布 载 荷 ： 施 加 于 面 上 ， 分 布 于 空 间 、 由 物 体惯 性 引 起 的 载 荷 ， 都 可 以 看 作 是 分 布 载 荷 。 在 结 构 分析 中 ， 分 布 载 荷 常 指 线 压 力 、 面 压 力 、 风 压 力 、 自 重以 及 由 质 量 引 起 的 惯 性 力 等 。 9.3.1载 荷 分 类 及 其 它 汽 车 结 构 构 件 上 承 受 的 载 荷 ， 随 着 行 驶 路 面 、 行 驶 速度 、 装 载 条 件 、 操 作 条 件 等 有 很 大 的 变 化 ， 其 大 小 也多 是 变 化 的 。 汽 车 在 行 驶 过 程 中 ， 零 部 件 一 般 承 受 动载 荷 的 作 用 ， 而 且 由 于 路 面 不 平 的 激 励 所 产 生 的 往 往是 随 机 载 荷 。 在 进 行 疲 劳 强 度 计 算 时 ， 应 以 零 部 件 所承 受 的 动 载 荷 或 由 动 载 荷 按 一 定 方 法 编 制 的 载 荷 谱 为基 础 。 另 外 ， 汽 车 在 动 载 荷 作 用 下 ， 往 往 要 发 生 振 动现 象 ， 这 就 需 要 同 时 研 究 汽 车 的 振 动 问 题 。 在 动 载 荷作 用 下 的 结 构 分 析 方 法 完 全 不 同 于 静 载 荷 作 用 下 的 分析 方 法 。 有 限 元 中 处 理 动 载 荷 是 按 照 时 间 历 程 顺 序 逐步 求 解 在 时 间 历 程 载 荷 作 用 下 的 系 统 响 应 ， 即 将 载 荷划 分 成 多 个 载 荷 步 以 反 映 载 荷 随 时 间 变 化 关 系 ， 迭 代求 解 。 9.3.1载 荷 分 类 及 其 它 在 汽 车 结 构 分 析 中 ， 还 要 考 虑 计 算 载 荷 组 合 问 题 、 多种 计 算 工 况 问 题 ， 明 确 汽 车 在 运 行 中 主 要 受 力 零 部 件所 承 受 的 各 种 载 荷 及 其 组 合 原 则 。 有 限 元 分 析 中 ， 载 荷 施 加 的 途 径 有 以 下 两 种 : (1)在 实 体 模 型 上 施 加 载 荷 ： 按 集 中 载 荷 、 分 布 载 荷施 加 于 所 建 模 型 上 ， 程 序 求 解 时 将 自 动 转 换 到 有 限 元模 型 上 。 (2)在 有 限 元 模 型 上 施 加 载 荷 ： 将 载 荷 直 接 施 加 到 节点 上 ， 这 也 是 有 限 元 分 析 的 最 终 载 荷 施 加 状 态 。 9.3.2约 束 与 连 接 汽 车 各 零 部 件 之 间 存 在 多 种 多 样 的 联 系 ， 汽 车 结 构 必须 支 承 在 某 一 基 础 或 其 它 结 构 上 ， 对 各 种 联 系 进 行 合理 的 简 化 ， 是 确 定 计 算 简 图 的 重 要 问 题 。 1 支 座 、 节 点 与 约 束 把 结 构 与 基 础 联 系 起 来 的 装 置 叫 做 支 座 ， 结 构 所 受的 载 荷 通 过 支 座 传 于 基 础 ， 支 座 对 结 构 的 反 作 用 力称 为 支 座 反 力 。 结 构 中 两 个 或 两 个 以 上 的 部 件 共 同 连 接 称 为 节 点 ， 节点 有 铰 接 点 和 刚 节 点 两 种 。 铰 接 点 是 各 部 件 可 以 绕 节 点 自 由 转 动 ， 而 刚 节 点 是 各部 件 在 节 点 夹 角 保 持 不 变 。 车 身 、 车 架 分 析 中 的 支 承或 是 说 约 束 ， 就 要 选 用 上 述 支 座 形 式 。 一 个 汽 车 结 构 或 部 件 计 算 模 型 的 合 理 约 束 要 做 到 ： （ 1） 模 型 无 内 外 多 余 自 由 度 ， 否 则 将 产 生 机 构 运 动 而无 法 计 算 ； （ 2） 模 型 无 内 外 多 余 附 加 约 束 ， 否 则 可 能 产 生 附 加 约束 力 而 使 计 算 结 果 失 真 ； （ 3） 支 座 反 力 与 所 施 加 载 荷 要 保 持 平 衡 ， 否 则 就 违 背了 最 基 本 的 平 衡 关 系 。 2 连 接 汽 车 各 零 部 件 之 间 或 各 总 成 之 间 存 在 着 各 种 各 样 的 连接 形 式 ， 连 接 部 位 的 处 理 也 是 有 限 元 分 析 中 最 棘 手 的问 题 之 一 。 程 序 中 提 供 的 处 理 方 法 一 般 有 以 下 几 种 ： （ 1） 固 接 关 系 ： 如 焊 接 、 多 个 螺 栓 或 铆 钉 连 接 零 部 件或 构 件 。 （ 2） 预 紧 连 接 ： 常 见 螺 栓 连 接 或 铆 钉 连 接 、 拉 索 连 接 、拉 杆 连 接 等 ， 可 采 用 专 门 预 紧 单 元 、 具 有 施 加 初 始 应变 功 能 或 初 始 应 力 功 能 的 单 元 。 （ 3） 弹 簧 连 接 ： 如 弹 性 支 座 、 减 振 隔 振 装 置 等 ， 可 采用 各 类 线 性 、 非 线 性 弹 簧 阻 尼 器 单 元 。 （ 4） 轴 销 连 接 ： 处 理 运 动 构 件 的 连 接 部 位 ， 如 转 向 器 、刮 水 器 等 ， 可 用 专 用 销 轴 单 元 、 耦 合 自 由 度 等 方 法 。 （ 5） 刚 性 连 接 ： 采 用 专 用 刚 性 单 元 ， 模 拟 点 与 点 刚 性连 接 （ 刚 性 梁 或 刚 性 杆 ） ， 比 如 以 刚 性 单 元 定 义 焊 点 。刚 性 单 元 可 应 用 于 几 何 非 线 性 分 析 。 （ 6） 约 束 方 程 ： 常 用 于 处 理 自 由 度 不 协 调 问 题 ， 如 处理 板 梁 单 元 连 接 问 题 等 ， 可 用 于 耦 合 自 由 度 上 的 刚 性连 接 。 约 束 方 程 的 功 能 很 多 ， 可 以 方 便 的 解 决 不 同 分离 模 型 之 间 的 连 接 关 系 ， 但 只 能 用 于 小 变 形 问 题 。 （ 7） 接 触 关 系 ： 常 用 于 轴 孔 接 触 、 碰 撞 接 触 、 滑 移 接触 、 固 定 连 接 界 面 部 位 等 ， 采 用 各 种 接 触 类 型 单 元 模型 。