汽车有限元法

汽车有限元法第 一 章 概 论1-1 有 限 元 法 概 述1-2 有 限 元 法 在 汽 车 工 程 中 的 应 用 有 限 元 法 概 述 -Finite Element Methocd/Finite Element Analysis(FEM/FEA) 有 限 元 法 是 将 连 续 体 理 想 化 为 有 限 个 单元 集 合 而 成 ， 这 些 单 元 仅 在 有 限 个 节 点 上 相连 接 ， 亦 即 用 有 限 个 单 元 的 集 合 来 代 替 原 来具 有 无 限 个 自 由 度 的 连 续 体 。 由 于 有 限 单 元的 分 割 和 节 点 的 配 置 非 常 灵 活 ， 它 可 适 应 于任 意 复 杂 的 几 何 形 状 ， 处 理 不 同 的 边 界 条 件 。单 元 有 各 种 类 型 ， 包 括 线 、 面 和 实 体 或 称 为一 维 、 二 维 和 三 维 等 类 型 单 元 。 节 点 一 般 都在 单 元 边 界 上 ， 单 元 之 间 通 过 节 点 连 接 ， 并承 受 一 定 载 荷 ， 这 样 就 组 成 了 有 限 单 元 集 合体 。 有 限 元 法 概 述 有 限 元 法 直 接 为 产 品 设 计 服 务 ， 与 工 程 应 用 密 切相 关 。 而 且 有 限 元 法 的 物 理 概 念 十 分 清 晰 ， 容 易 为工 程 技 术 人 员 所 理 解 。 大 型 集 成 化 通 用 软 件 的 普 及与 推 广 ， 应 用 有 限 元 法 进 行 一 般 工 程 结 构 分 析 成 为相 对 容 易 的 技 术 工 作 。 但 是 ， 为 了 正 确 地 使 用 通 用程 序 ， 做 好 数 据 前 后 处 理 工 作 ， 掌 握 分 析 方 法 ， 都需 要 对 有 限 元 基 本 理 论 有 一 定 程 度 的 理 解 。 随 着 计算 机 辅 助 工 程 （ CAE） 溶 入 设 计 过 程 的 进 程 加 快 ，立 足 于 设 计 前 期 的 CAE技 术 ， 将 有 限 元 软 件 集 成 于CAD环 境 中 ， 面 向 CAD软 件 的 使 用 者 ， 形 成 产 品 分 析 、设 计 、 制 造 一 体 化 ， 这 也 是 工 业 生 产 的 发 展 方 向 ，有 限 元 法 在 其 中 则 起 着 重 要 的 作 用 。 结 构 有 限 元 模 型 结 构 有 限 元 模 型 实 例 结 构 有 限 元 模 型 实 例 结 构 有 限 元 模 型 实 例 结 构 有 限 元 分 析 重 要 性 汽 车 CAE技 术 的 应 用 面 向 整 车 开 发 的全 过 程 ， 在 汽 车 开 发 过 程 （ 概 念 设 计 -详 细设 计 -样 机 验 证 -定 型 生 产 ） 中 实 现 全 过 程 、整 车 及 部 件 级 虚 拟 样 机 仿 真 ， 减 少 原 型 车试 验 次 数 ， 降 低 生 产 成 本 、 缩 短 新 车 研 发周 期 。 随 着 CAE应 用 深 度 及 广 度 的 提 高 ，实 现 CAE工 作 的 规 范 化 和 制 度 化 是 提 升 企业 的 技 术 能 力 和 市 场 竞 争 力 的 有 力 保 证 。 汽 车 CAE技 术 的 应 用 热 点 动 力 学 操 纵 稳 定 性 分 析 -应 用 多 体 系 统 动 力 学 分析 软 件 （ MBS） ， ADAMS及 CarSim；NVH性 能 分 析 -低 频 振 动 和 高 频 噪 声 （ 刚 弹 耦 合 、声 固 耦 合 ） ；疲 劳 耐 久 性 分 析 -加 速 疲 劳 设 计 验 证 方 法 ； 碰 撞 安 全 性 分 析 -以 LSDYNA为 代 表 的 显 式 有 限元 软 件 来 模 拟 ；流 场 分 析 及 热 管 理 -基 于 计 算 流 体 力 学 （ CFD） ；多 目 标 优 化 、 多 物 理 场 耦 合 、 多 性 能 协 调 分 析 ； 汽 车 结 构 有 限 元 分 析1) 汽 车 设 计 中 对 所 有 结 构 件 、 主 要 零 部 件 的 强 度 、 刚 度 和稳 定 性 分 析2) 汽 车 结 构 件 或 零 部 件 的 优 化 设 计 ， 如 以 汽 车 质 量 或 体 积为 目 标 函 数 的 最 优 设 计 ， 还 有 对 比 分 析 中 的 参 数 化 设 计 和形 状 优 化 ；3) 对 汽 车 结 构 件 进 行 模 态 分 析 、 瞬 态 分 析 、 谐 响 应 分 析 和响 应 谱 分 析 ， 为 结 构 的 动 态 设 计 提 供 方 便 有 效 的 工 具 ；4) 汽 车 零 部 件 及 整 车 的 疲 劳 分 析 ， 在 概 念 或 详 细 设 计 阶 段估 计 产 品 的 寿 命 或 是 分 析 部 件 损 坏 的 原 因 ；5) 车 身 内 的 声 学 设 计 ， 将 车 身 结 构 模 态 与 车 身 内 声 模 态 耦合 ， 评 价 乘 员 感 受 的 噪 声 并 进 行 噪 声 控 制 ；6) 车 身 空 气 动 力 学 计 算 ， 解 决 高 速 行 驶 中 的 升 力 、 阻 力 和湍 流 等 问 题 ， 为 汽 车 性 能 和 造 型 设 计 服 务 ；7） 汽 车 碰 撞 历 程 仿 真 和 乘 员 安 全 保 护 分 析 ， 提 高 汽 车 结 构 的 被 动 安 全 性 。 汽车结构有限元分析|标准分析流 程 有 限 元 基 本 方 法 结 构 离 散 化 离 散 成 有 限 个 单 元 单 元 之 间 通 过 节 点 相 连 问 题 变 成 求 节 点 位 移 有 限 个 自 由 度 网 格 越 密 精 度 越 高 计 算 时 间 越 长 所 需 计 算 机 资 源 越 大 单 元 节 点 位 移 用 矢 量 单 元 种 类 很 多 结 构单 元 节 点 网 格 e 单 元 分 析 假 设 位 移 模 式 得 到 假 设 的 位 移 函 数 矩 阵 N 任 一 点 的 位 移 用 节 点 位 移 表 示 单 元 力 学 特 性 分 析 由 几 何 方 程 得 到 应 变 矢 量 （ B 为 应 变 矩 阵 ） 由 物 理 方 程 得 应 力 由 虚 位 移 原 理 得 到 单 元 刚 度 矩 阵 节 点 力 和 节 点 位 移 的 关 系 单 元 e 节 点 力单 元 e 节 点 位 移 ee Nf ef eK eF eee KF ee B ee S 整 体 分 析 单 刚 迭 加 形 成 总 刚 K 单 元 节 点 力 矢 量 迭 加 形 成 结 构 节 点 力 矢 量 形 成 结 构 线 性 方 程 组 约 束 处 理 并 求 解 方 程 处 理 位 移 约 束 条 件 求 解 线 性 方 程 组 的 全 部 节 点 位 移 根 据 所 求 节 点 位 移 计 算 应 力 分 量 F KF 有 限 元 应 用 实 例 （ 一 ） 汽 车 安 全 气 囊 计 算 有 限 元 应 用 实 例 （ 二 ） 有 限 元 应 用 实 例 （ 九 ） 汽 车 碰 撞 1 有 限 元 应 用 实 例 （ 十 ） 汽 车 碰 撞 2 有 限 元 结 构 分 类 和 计 算 步 骤 结 构 分 类 平 面 问 题 平 面 应 力 平 面 应 变 轴 对 称 问 题 杆 系 结 构 桁 架 （ 平 面 、 空 间 ） 刚 架 （ 平 面 、 空 间 ） 板 壳 结 构 空 间 实 体 结 构 组 合 结 构 建 立 力 学 模 型 计 算 过 程 前 处 理 建 立 计 算 模 型 建 立 几 何 模 型 划 分 单 元 网 格 选 择 单 元 类 型 划 分 网 格 给 定 材 料 常 数 给 定 单 元 实 常 数 施 加 载 荷 处 理 边 界 条 件 提 交 计 算 后 处 理 观 察 分 析 位 移 结 果 观 察 分 析 各 种 应 力 其 它 结 果 常 用 有 限 元 分 析 软 件 介 绍 从 二 十 世 纪 60年 代 中 期 以 来 ， 进 行 了 大 量的 理 论 研 究 ， 不 但 拓 展 了 有 限 单 元 法 的 应用 领 域 ， 还 开 发 了 许 多 通 用 或 专 用 的 有 限元 分 析 软 件 。 有 限 元 法 得 以 飞 速 发 展 的 一 个 重 要 原 因 就是 在 工 程 实 际 中 提 出 了 一 大 批 重 要 问 题 需要 进 行 分 析 ： 航 空 、 机 械 制 造 、 土 木 工 程 、 冶 金 、 核 能 、 地震 、 气 象 常 用 大 型 通 用 有 限 元 软 件 ADINA、 ABAQUS、 ANSYS、 MSC/Marc、 MSC/Nastran 一 些 专 用 有 限 元 软 件LS_DYNA、 PAM-CRASH、 MSC/Dytran (碰 撞 ）Autoform、 DYNAFORM、 、 PAM-STAMP（ 冲 压 ） 、 DEFORM(体 积 成 形 )、 SysWeld（ 焊 接 ）MOLDFLOW(注 塑 )、 ProCast (铸 造 )、 AdvantEdge (切 削 )SimFact(体 积 成 形 ) ADINA Automatic dynamic incremental nonlinear analysis 1975 年 K. J. Bathe (Wilson的 学 生 )在 美 国 MIT创 办ADINA公 司 大 型 通 用 非 线 性 分 析 软 件 (注 ： 20世 纪 60年 代 美 国 加 州 大 学 Wilson教 授 主 持开 发 了 第 一 个 大 型 通 用 结 构 分 析 程 序 SAP) ADINAhttp:/ ABAQUS 1978年 ， 三 位 著 名 学 者 Hibbitt, Karlsson和 Sorensen成 立 HKS公 司 ， 推 出 有 限 元 产 品 为 ABAQUS。 总部 位 于 美 国 的 罗 德 岛 州 （ Rhode Island） 。 国 际 上 最 先 进 的 大 型 通 用 有 限 元 分 析 软 件 之 一 。特 别 是 它 的 非 线 性 力 学 分 析 功 能 具 有 世 界 领 先 水平 。 两 个 主 要 分 析 模 块 ： ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit 国 内 清 华 大 学 工 程 力 学 系 提 供 技 术 支 持 和 服 务 。(公 司 ) ABAQUShttp:/ ANSYS发 展 历 程 ANSYS中 国http： / MSC/Nastran 1963年 ， R. MacNeal博 士 和 R. Schwendler创 办MSC公 司 1964年 ， MSC承 担 美 国 航 空 航 天 局 （ NASA） 项目 ， 主 持 NASTRAN的 开 发 1971年 ， MSC推 出 专 利 版 MSC/NASTRAN 1989年 , 发 布 经 重 大 改 进 的 MSC/NASTRAN66 1994年 ， MSC公 司 发 布 了 经 重 大 改 进 的 MSC/NASRANV68版 1994年 ， MSC与 PDAE合 并 ,形 成 了 以 MSC/ NASTRAN为 核 心 的 MSC产 品 系 列 如 ： MSC.PATRAN、 MSC.THERMAL、MSC.FATIGUE等 1997年 , MSC/NASTRAN V70版 2001年 ,MSC/NASTRAN2001版 航 空 航 天 领 域 的 标 准 化 结 构 分 析 软 件 MSC/Marc 1967年 美 国 布 朗 大 学 力 学 系 的 Pedro Marcal教 授 创立 Marc公 司 大 型 通 用 非 线 性 分 析 软 件 后 因 经 营 上 的 问 题 ， 被 MSC公 司 并 购 MSC中 国http:/ DYNA3D 1976年 由 Lawrence Livermore 国 家 实 验 室 的 John Hallguist博 士 发 布 显 式 有 限 元 理 论 和 程 序 的 鼻 祖 ， 其 独 特 的 算 法 非常 适 合 求 解 碰 撞 、 爆 炸 、 金 属 成 形 等 高 度 非 线 性问 题 。 目 前 状 况 u 被 法 国 ESI公 司 商 品 化 为 PAMCRASHu 1989 Hallguist推 出 商 业 化 版 本 LS-DYNA(3D)u Dynaform-PC, Ansys/LS-DYNA 几 种 通 用 有 限 元 软 件 的 比 较 软 件 一 般结 构 非线性 爆 炸 与冲 击 电磁场 温度场 流 体力 学 多 场耦 合 易用性 使 用范 围 二 次开 发MSC.NASTRAN 5 3 0 3 5 3 2 1 5 2MSC.MARC 5 5 0 3 5 3 3 3 5 5ABAQUS 5 5 4 3 5 3 3 4 5 5ANSYS 5 4 0 5 5 4 5 5 5 5 ADINA 5 5 0 3 5 4 4 2 5 1（ 5分 制 ： 强 5弱 1 易 5难 1 广 5小 1） 有 限 元 软 件 的 主 要 发 展 趋 势 并 行 运 算 单 元 库 、 材 料 库 多 物 理 场 耦 合 、 多 体 耦 合 、 多 尺 度 耦 合 分 析 增 进 前 后 处 理 能 力 及 与 CAD软 件 的 集 成 技 术 优 化 技 术 有 限 元 分 析 的 作 用 及 地 位 现 代 工 业 的 进 步 ， 完 全 得 力 于 计 算 机 科 技的 突 飞 猛 进 。 将 计 算 机 、 计 算 机 软 件 应 用于 产 品 的 开 发 、 设 计 、 分 析 与 制 造 ， 已 成为 近 代 工 业 提 升 竞 争 力 的 主 要 方 法 。CADCAMCAE CAE：在产品的研发过程中，利用计算机进行建模及性能仿真分析 有 限 元 法 是 CAE的 最 主 要 方 法 ， 是 处 理 各 种复 杂 工 程 问 题 的 重 要 分 析 手 段 ， 也 是 进 行 科 学 研究 的 重 要 工 具 。 利 用 有 限 元 分 析 可 以 获 取 几 乎 任意 复 杂 工 程 结 构 的 各 种 机 械 性 能 信 息 ， 可 以 直 接就 工 程 设 计 进 行 各 种 评 判 及 优 化 ， 提 高 产 品 品 质 。 一 个 新 产 品 的 问 题 有 60%以 上 可 以 在 设 计 阶 段 消除 ， 如 果 人 们 有 先 进 的 精 确 分 析 手 段 。 目 前 ， 国 际 上 有 90%以 上 的 机 械 产 品 和 装 备 都 要采 用 有 限 元 方 法 进 行 分 析 ， 进 而 进 行 设 计 修 改 和优 化 。 有 限 元 分 析 已 成 为 替 代 大 量 实 物 试 验 的 数 值 化“ 虚 拟 试 验 ” ， 基 于 该 方 法 的 大 量 计 算 分 析 与 典型 的 验 证 性 试 验 相 结 合 可 以 做 到 高 效 率 和 低 成 本 。 “虚 拟 试 验 ” ： 头 部 撞 伤 是 交 通 事 故 中 的 常见 伤 害 ， 由 于 包 括 伦 理 在 内 多 种 原 因 ， 很难 对 头 部 受 伤 机 制 进 行 实 验 研 究 。 通 过 有限 元 建 模 和 数 值 模 拟 ， 可 以 研 究 头 部 撞 击的 忍 耐 范 围 ， 以 及 不 同 撞 击 条 件 下 伤 害 的评 估 ， 从 而 有 助 于 发 展 汽 车 行 业 安 全 保 护标 准 。