东北大学现代分析第二次作业

现代机械设计大作业有限元在汽车工程中的应用1.前言汽车由底盘、发动机、车身三大总成构成。在这三大总成中，车身总成比底盘和发动机总成要复杂得多，车身的设计过程也相对复杂，涉及到工业造型、工程材料、生产工艺、结构力学、人机工程等众多学科。所以直到今日，车身设计尚无通用的标准和规范的设计过程可以遵循。CAE技术将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入基于“虚拟样机仿真的现代设计方法”,大幅缩短了产品开发周期,并可以获得比试验更多的数据。2.正文随着中国汽车工业的发展,自主品牌轿车日渐成为国内汽车厂家的发展战略目标,轿车数字化设计成为必经之路。现代设计方法表明,产品设计虽然只占产品整个成本的5%,但它却影响整个成本的70%,CAE模拟分析技术可以很好地解决产品设计中的问题,并做到快速修正。在汽车底盘设计中,后桥设计很关键。由于后桥零部件受力比较复杂且相互关联,在概念设计完成后,只有通过CAE仿真分析,才可以快速、全面了解后桥各零部件受力和相互影响情况,并指导优化设计,以保证后桥零部件具有足够的刚度和强度,同时满足结构型式要求。在汽车发展历史上，至今还没有什么技术能与CAE技术相比，为汽车企业带来巨大的回报。统计结果表明，应用CAE技术后，新车开发期的费用占开发成本的比例从80%～90%下降到8%～12%。例如：美国福特汽车公司2000年应用CAE后，其新车型开发周期从36个月降低到12～18个月；开发后期设计修改率减少50%；原型车制造和试验成本减少50%；投资收益提高50%。汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争也日趋激烈，在这种情况下，新产品推出的速度也越来越快，这也对行业的CAE应用提出了越来越高的要求。CAE技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术保障，可以为企业带来巨大的技术经济效益。2.1有限元方法在汽车上的应用有限元方法在汽车上主要有以下几种应用:(1)结构静力分析:这是在车辆及其发动机的各种零部件设计中最常见的问题，也是应用最为广泛的领域，即分析计算结构与时间无关的应力分布与变形情况。例如齿轮轮齿、钢板弹簧、车架、发动机缸体、缸套、进(排)气阀、活塞、飞轮的静力分析。(2)结构动力学问题:可分为两类问题:一类是求解结构或系统本身的动态特性，如固有频率、振型等，这对分析与解决振动问题是十分重要的；另一类是强迫响应分析，即结构在动载荷的作用下的响应，这较静力分析更接近于车辆及其发动机中的许多零部件的实际工作情况，但一般计算量也将增加许多倍。随着对环境问题的日益重视，在车辆及发动机的设计中已普遍采用各种分析工具，采取各种有效措施，来改善和减少车辆的振动和噪声。例如车辆动力装置的动态性分析等。(3)温度场分析:分析结构内部温度的分布情况以及热应力和热变形的情况，包括稳态和瞬态的问题，例如可应用于发动机中的活塞、气缸盖等燃烧室附近的零部件。在进行这类零部件的强度刚度分析计算时，不仅要考虑机械负荷.而且还要同时考虑热负荷。(4)流场分析:是有限元方法在流体力学领域中的应用。一般流场分析是非线性问题，较为复杂。解决流体力学中的问题应用较多的是有限差分法与可以认为是介于有限差分法和有限元方法之间的有限容积法。这一类问题的应用实例有:车辆外形对行驶阻力的影响的分析、对发动机冷却系统的分析等。其他还有断裂力学问题、接触问题等，例如为提高车辆的安全性而进行的车辆碰撞情况的动态模拟等。2.2车身有限元分析中难点及解决方法建立车身有限元模型时要如实反映车身实际结构的重要力学特性，保证较高的计算精度。有限元分析计算结果的可信度高低，直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程结构力学特性符合程度的影响，若有失误则会造成很大误差，严重时将使计算、分析失败。一般而言，网格剖分需要经过以下步骤：首先在有限元分析软件中建立零部件的几何模型，而后利用有限元分析软件选取适当的单元对几何模型进行自动剖分；也可以用手工剖分的方法直接给出各个结点坐标，然后利用结点构造单元，最终形成网络。汽车车身一般是薄钢板焊接或铆接的整体结构，所以在进行有限元分析时，一般而言，也是将车身作为一个整体来考虑。非承载式与半承载式车身通过车架与板簧支座相连；承载式车身直接与板簧支座相连。所以车身的边界条件就体现为板簧支座的位移在有些情况下，我们更关心车身局部的受力、变形或振动情况。例如，计算车身侧撞时中立柱的受力。这时，就需要确定单个零部件的边界条件。确定单个零部件的边界条件大概分为两步。首先将车身作为一个整体，选取较稀疏的网格进行计算，得到零部件处的位移，然后将该位移施加在具体零部件的边界，作为该零部件的边界条件。我们也可以通过实验来确定边界条件。即在实验样车的具体部位贴应变片，然后使实验样车处于指定工况，将应变片所测得的数据作为零部件得边界条件。车身结构的有限元分析既可对已用于加工中的车身进行强度与刚度分析，又可对正在设计的车身进行仿真，通过应力与位移分析，找到设计的薄弱环节，达到改进设计的目的。车身是轿车的关键总成，车身结构必须有足够的强度以保证气疲劳寿命，足够的静刚度以保证其装配和使用要求，同时应有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。有限元分析的方法能够有效地满足上述车身设计的要求。汽车结构有限元分析的应用体现于：一是在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度和稳定性进行分析；二是在汽车的计算机辅助设计和优化设计中，用有限元法作为结构分析的工具；三是在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态，进一步计算出各构件的动态响应，较真实地描绘出动态过程，为结构的动态设计提供了方便。有限元分析在汽车结构上的应用实践证明可以从根本上提到车身设计水平，并降低研制周期和成本。NVH是评价车辆舒适性的重要指标，直接关系到产品的市场形象。NVH分析有助于匹配产品结构重各子系统的振动频率特性，以消除振动过程中耦合现象，从而改善产品的振动特性。噪音、振动分析包括动力总成的缸体模态、点的传递函数、静负荷强度及动态响应、BIW动态稳定性、整车各子系统的刚度频率匹配等。虽然NVH的CAE技术起步较晚，NVH的建模方法以及计算还处在摸索阶段。但随着计算机的能力及容量的越来越强大，计算结果的精度越来越准确，计算方法越来越科学性，CAE在汽车的NVH开发设计当中所发挥的作用也越来越大。在汽车开发设计的初期，就以及开始了NVH的各项规划，甚至在样车完成之前或设计图纸完成之前，通过对现有车型的对比，就可以预先得到新开发车型的NVH性能指标，并在此基础上，对设计及制造的各个环节加以优化及完善。无论是从设计成本上，还是从开发周期上考虑，都为车厂更快、更好地开发出新一代车型来提供了强有力的保障。可以预测，NVH的CAE技术，在汽车设计开发及改进领域内的应用会越来越广泛，而其本身也会越来越成熟，成为人们进行汽车设计开发所不可或缺的工具。在IDEASCAE模块中建立整车模型，通过强度、刚度计算，可以发现各个部件之间、各个系统的力的传动关系，检验与设计目标是否相符；通过模态分析，可以发现各个系统之间的频率分布，指导NVH设计。结合NastranSOL200可以同时考虑模态、整体刚度、关键部位强度对各个部件的设计灵敏度等进行计算，在保证强度的前提下，进行减重设计、部件优化。3.总结有限元法是一种用于结构分析的数值分析方法，是CAD系统的重要组成部分，在车身设计中充分应用有限元分析技术可以改善设计质量，提高了设计的一次成功率，从而可以提高汽车厂家的自主开发能力。从昌河公司应用有限元分析的实际情况来看，有限元分析在车身零部件和车身整体的结构分析、模态分析和碰撞分析等领域中都有着广阔的应用前景可靠性设计在机械工程领域的应用随着现代社会科学技术的飞速发展,人们不仅需要多功能的产品,而且还需要产品能够可靠地实现其所具有的功能。因此,以产品可靠性为目的的可靠性设计应运而生,并得到迅速发展和广泛应用。由于各种历史原因，我国机械制造业相对西方国家相对落后，而在可靠性方面的研究更是相对滞后。直到上个世纪80年代，我国在可靠性方面的研究才有了一些成效，个别行业还有了专门研究可靠性的组织机构，并培养了一批可靠性方面的技术性人才，制定了一系列的可靠性标准。但从整体上来看，这些可靠性的研究都偏向理论，在实际生产中运用较少，与制造业发达的西方国家相比还存在很多的不足之处。随着科学技术的高速发展，制造出来的产品结构也往越来越复杂的方向发展，由于高新技术不断运用在产品制造当中及产品复杂性的逐渐提高，产品更新换代速度也大大超越以往。我们在设计一种产品的时候，需要有一个不断深化认识、逐步改进和完善的过程。刚开始生产出来的产品在投入使用中有一个试验的前提，也就是说初始产品必须经过初试后才能投入市场，这是因为初始产品很多存在不可靠性，存在许多设计和工艺方面的缺陷。因此，一个生产产商在某种产品生产初期必须通过对产品设计和工艺规程进行有计划的改进设计，以达到把故障问题根除在萌芽状态的目的，从而提高产品的可靠性水平，逐步达到预期的目标，于是一种可靠性设计研究便应运而生了。为了了解可靠性设计技术,我们必须首先了解什么是产品的可靠性。可靠性的经典定义是:“产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。”定义中的“产品”是作为单位研究和分别试验对象的任何元件、器件、设备或系统,甚至可以把人的作用也包括进去。可靠性设计即根据可靠性理论与方法确定产品零部件以及整机的结构方案和有关参数的过程。设计水平是保证产品可靠性的基础。可靠性设计的一个重要内容是可靠性预测，即利用所得的资料预报一个零件、部件或系统实际可能达到的可性，预报这些零部件或系统在规定的条件下和在规定时间内完成规定功能的概率。在产品设计的初期阶段，及时完成可靠性预测工作，可以了解产品各零部件之间可靠性的相互关系，找出提高产品可靠性的有效途径。在产品设计中,应用可靠性的理论和技术、根据需要和可能、优先考虑可靠性要求。在满足性能、费用、时间等条件下,使设计的产品具有满意的可靠性要求,这就是产品的可靠性设计。可靠性设计不仅涉及传统设计技术,而且还与系统工程、价值工程、环境工程、工程心理学、质量控制技术和计算机技术等密切相关。因此,它是一个多学科、多技术相融合的新兴技术。它不但应用于产品的设计过程,而且还广泛应用于产品的制造生产、试验、使用、维护、管理等各个环节。因此,这项新兴技术在军工、航空、航天、电子、机械等工业领域得到广泛的应用。人类从开始研究可靠性技术至今,大约经历了60余年的历史。研究其发展过程,可归纳为初期研究、形成发展和进一步国际化三个阶段。(1)初期研究阶段(20世纪30~40年代):二次世界大战爆发后,美国参战的飞机、军舰等重要军事装备常因故障贻误战机,为此军事装备的可靠性问题逐渐引起了人们的关注,开始着手研究如何避免和减少这些“意外”事故的发生并最早提出了产品的定量可靠性问题。接着美国、德国的专家针对飞机、V-Ⅱ火箭诱导装置的可靠性又提出了相应的指标。1942年美国麻省理工学院的一个研究室对真空管的可靠性进行了相当深入的研究。所有这些都表明可靠性研究已进入了定量研究的初期阶段。(2)形成发展阶段(20世纪50~60年代):在这一时期,世界上一些工业发达的国家,如美国、前苏联、原西德、日本等对可靠性开始了有组织的研究工作,并取得了许多重要成果,基本上确定了可靠性研究的理论基础和研究方向,使可靠性研究进入了一个新的发展阶段。这一时期,研究范围不断扩大,从电子产品扩展到机械产品,从军工产品扩展到民用产品,可靠性技术进一步完善,理论研究不断深入,为可靠性设计技术的进一步国际化奠定了基础。(3)国际化阶段(20世纪70年代后):随着可靠性技术的不断发展和广泛应用,其优越性越来越受到世界各国的高度重视,并相继投入了大量的人力物力开展这项研究工作。各种国际学术会议的召开、国际可靠性和可维护性技术委员会的成立,标志着可靠性设计技术已经进入了国际化时代。产品的可靠性在产品的设计和使用周期内的各个环节中都具有重要的作用，这些环