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------FiniteElementMethocd/FiniteElementAnalysis(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eeNfefeKeFeeeKFeeBeeS–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•Automaticdynamicincrementalnonlinearanalysis•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)ADINA•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（RhodeIsland）。•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)ABAQUS发展历程ANSYS中国http：//•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/NASTRANV70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PedroMarcal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•1976年由LawrenceLivermore国家实验室的JohnHallguist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被法国ESI公司商品化为PAMCRASH1989Hallguist推出商业化版本LS-DYNA(3D)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.NASTRAN5303532152MSC.MARC5503533355ABAQUS5543533455ANSYS5405545555ADINA5503544251（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。CADCAM–CAECAE：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。