汽车结构有限元分析--第五讲---汽车结构有限元分析指南

版权所有，仅供学习之用第五讲汽车结构有限元分析指南合工大机械与汽车学院2010年2月汽车结构有限元建模准确化建模几何模型—-力学模型---计算模型经济化建模试算模型---实用模型---精确模型精确建模-准确加载—正确约束---明确分析{详细解释与回答上述问题}汽车结构有限元建模结构设计是指系统中零部件尺寸大小和几何外型的设计。有限元结构分析则是利用有限元方法，解释与分析结构受力变形等的原因，判断原结构设计的可行性、可靠性等，预见结构的性能及行为，为结构改进设计及优化设计提供指导。制定分析方案结构计算模型结构分析方法汽车结构分析指南1、一般规定了解分析对象相关设计标准或规范所提出的要求，了解各种评价指标，注意分析所能涉及的适用范围，有无确定的设计目标，充分掌握图纸资料（包括相关部件强度计算书、安全系数、总布置图、载荷布置图、轴荷、材料等与设计有关的数据资料）．汽车结构分析指南2、一般要求汽车整车、总成或零部件都各自有要满足的技术要求。从结构分析角度来说，主要是解决汽车结构可靠性、安全性、经济性和舒适性等问题，各种要解决的问题又相互关联，主要内容有以下几个方面：强度要求：底盘结构，车身结构，车架结构，四门两盖，悬架部件，横向稳定杆，转向杆、车轮等，分析计算的目的在于研究确定在各种计算工况下主要构件是否具有足够的强度。刚度要求：白车身弯曲与扭转刚度，车架弯曲与扭转刚度，开闭件（四门两盖）刚度等；振动与噪声要求：发动机振动与噪声，进排气系统振动与噪声，车身振动与噪声，整车振动与噪声，动力总成隔振，制动器振动与噪声，离合器振动与噪声等－－－涉及乘坐舒适性等；碰撞安全性要求：研究结构对乘员安全的保护性和耐撞性等；疲劳耐久性要求：研究结构动态特性－－涉及零部件疲劳寿命等。汽车结构分析指南例如车门设计对结构方面所提出的技术要求有：（1）车门应有足够的刚度，不得因正常情况下的外力引起车门变形、下沉从而影响车门开关的可靠性。在关门时不得有敲击声、行驶时不允许产生振动噪声。（2）车门应具有足够的强度，以确保乘员的安全。（3）车门在锁止时不能因振动、碰撞而自动开启，而在撞车等情况下，不得因扭曲变形而打不开车门。根据车门技术要求，车门应进行强度分析、刚度分析、振动分析及碰撞分析等。汽车所有结构技术要求及性能目标可以逐层分解，汽车设计就是在这些指标中寻求优化与协调，从而形成结构各种设计方案，或是结构改进设计方案的。汽车结构分析指南３、分析流程分析标准和分析流程及评价体系，流程的成熟是分析准确性的关键。因此明确分析流程，细化分析标准，使分析方法和步骤规范化、统一化和流程化，才能迅速提高整体分析水平。深刻领会流程意义，按照流程分析步骤，建立标准评价体系。汽车结构分析指南4、结构建模根据解决不同问题的需要可以建立不同层级的有限元模型；根据分析目的不同可以建立不同功能的模型；在任务的不同阶段也可以建立不同的模型。通常所建立的有限元模型与分析目的有关，根据分析目的建立专用有限元模型。如零部件模型、总成模型或整车模型的网格划分策略是不同的。总成与零部件模型需要清楚其与周围部件的连接关系与边界条件，需要知道作用在部件上的作用力大小，即计算载荷的确定。要清楚说明分析目的，不能将模型分析功能任意扩大化。也可以采用“一模多用”的方法，以减少建模的工作量，但要注意适用范围。建立有限元模型的关键在于首先要对分析对象进行力学定性分析，即建立力学模型，以确保将实际工程问题转化为力学问题的正确性，分析完毕后还要设法进行模型的验证。计算模型的标准化程度越高，其与同类结构相关计算资料的可比性就越好。汽车结构分析指南5、计算工况汽车工作状态多样，承受十分复杂的载荷作用，或者说具有多种多样的工作工况，相应计算工况也是多样的。高速行驶时的垂直弯曲工况，转向时的侧向弯曲工况，不平道路时的扭曲工况，制动时的纵向力作用工况，各种振动模态及动态响应工况，整车前部、后部与侧面的碰撞等等。结构的不同部分、不同分析目的以及不同分析要求，其计算工况可能都是不一样的。如车身与车架要进行弯曲、扭转工况分析；前后桥壳和悬架部件要进行三个方向作用力的分析；整车被动安全要进行正面、侧面与后部不同方向的碰撞分析；车门要做垂向刚度分析；车身主要结构焊点强度刚度分析，悬挂、发动机总成连接点应力分析等。为了与试验数据对比还要进行试验工况分析，满载工况分析要包括结构自重及惯性力等。要根据实际工作状态确定计算工况。汽车结构分析指南6、计算载荷有限元分析的一项最关键的前提条件就是计算载荷的确定。由于车型众多，要求不同，汽车行业目前并未形成统一的载荷规范，相应整车及零部件载荷研究以及汽车路谱研究仍是今后需要大力解决的问题。计算载荷的确定需要进行结构受力分析，结构受力分析是结构分析的基础。根据结构部件或总成的布置与承载状况，进行分析计算。要解决汽车结构中的实际问题，首先要能够正确地分析各构件的受力情况，能够对结构的整体变形与受力情况作出大致的判断。常规静态计算载荷主要有垂直载荷与扭转载荷，其它还有汽车碰撞载荷等。汽车结构分析指南7、边界约束各工况采用相同或不同的边界条件，用以约束刚体位移，并约束载荷产生的不平衡力。约束位移包括纵向位移、横向位移、垂向位移以及各转动刚体位移等。平面问题刚体位移有3个自由度，空间问题有6个自由度需要约束，可以通过约束线位移与角位移或者仅约束线位移实现模型的所有刚体位移约束。约束有理，约束有据，不恰当的约束条件会产生不合理的约束反力。在有限元分析中如同校核载荷数值与分布一样，要求特别审核约束条件，这也是建模中的难点，需要分清约束条件，理清约束关系，认清约束反力，正确施加约束。例如车身在垂直载荷、扭转载荷以及弯曲和制动联合载荷三种工况下的约束方式可参见下图，图中数字表示在各支撑点约束的方向。1—代表x方向约束，2—代表y方向约束，3—代表z方向约束。汽车结构分析指南分析对象的选取、计算工况与计算载荷的确定，边界约束条件的处理、结构连接刚度、载荷传递路径和应力集中等问题的处理，这些问题的组合形成了有限元分析的关键。汽车结构分析指南8、许用应力结构件失效可以分为强度失效、刚度失效、失稳失效等类型，相应建立不同的失效准则，如强度失效设计准则，刚度失效设计准则，稳定失效设计准则等。相应建立有强度条件、刚度条件与失稳条件等。在解决实际工程问题时要区分强度破坏、刚度不足、疲劳失效和振动耦合破坏等情况，因为结构破坏的原因不同，解决问题的方法也不同。根据结构所处应力状态、不同载荷条件（静态、动态或疲劳），采用适当的强度条件，如最大正应力、最大剪应力、形状改变比能强度理论（第四强度理论）等。有限元程序中一般设置了方便判断的米赛斯（Mises）相当应力，这一应力对应于塑性力学中的米赛斯屈服条件，一般适用于金属类材料塑性屈服失效问题。许用应力是指材料许用强度，取材料的极限强度与相应的安全系数之比。极限强度要根据失效类型来选择，安全系数则受操作工况、材料、制造质量和计算方法等因素的影响。采用过小的许用应力或过大的安全系数，会使设计的部件过分笨重而浪费材料，反之会使部件过于单薄而破损，因此合理选择许用应力或安全系数是关系设计先进可靠与否的问题。判断结构设计是否满足强度要求，通常以相当应力小于和等于许用应力为准。根据结构所处的不同应力状态，相应采用不用类型的许用应力，如许用相当应力，许用剪应力，许用拉压应力，许用疲劳应力等，具体数值需要查阅相关材料手册。极限应力对于塑性材料以屈服极限定义，对于脆性材料以强度极限定义，疲劳分析则应以一定工作寿命条件下的疲劳极限定义等。而安全系数n要考虑使用条件、材料性质以及应力分析中的一些不确定因素综合设定，包括材料强度的分散特性，载荷不确定因素，使用条件的变化范围，加工质量的控制能力以及计算应力的准确程度等。实际分析中应根据相关设计标准或规范来选取。一方面给静态应力乘上动荷系数，另一方面给极限应力除于安全系数，意味着在最大动载荷条件下，计算应力不超过材料许用应力，使得这种分析方法兼顾了疲劳破坏问题，是一种简化的处理方法，当然准确的疲劳分析要按照疲劳理论进行。汽车结构分析指南9、结果评价模型建立完毕后要进行模型检验。计算模型数据往往要与试验数据进行比较，尤其是静态试验数据比较。传统汽车结构试验多以静态方式进行，相应已经形成了一系列汽车结构静态强度刚度设计性能目标或称为标准，积累了大量试验数据，这些标准为用分析方法确定的静刚度等提供了设计准则。目前动态试验方法，如模态试验、疲劳试验等促进了动态设计标准的发展。在用分析方法来预测结构静动态特性时，对于这些数据的解释就有了某种标准的认可。汽车设计是一项综合工程，借助于对各部件静动态特性的研究，有可能对整个系统有更好地了解。但部件不能代替整车，整车分析与部件分析从不同侧面反映了汽车的各种性能。另外分析与试验需要相互补充，强调提高综合分析能力，只有这样才能确保有限元方法能够最有效地指导设计、加快进度、提高水平。有了标准分析流程，还要有完善的结果评价体系，才能保证对分析结果的客观评价，进而指导设计。但汽车结构分析结果评价体系是一项浩大的工程，需要大量人力物力的投入，需要不断地积累，当前汽车行业内部正在加快制定CAE分析流程及结果评价体系。汽车结构分析指南结果评价从狭义的方面说，就是分析判断汽车结构承载能力大小，能否在各种工况下安全正常行驶，或是需要改进设计之处；从广义的方面看，还要验证模型本身的正确性，以及模型的准确程度，这是对分析结果作出评价的前提与基础，千万不要认为有限元分析结果就一定是正确的。应该认识到有限元分析模型的正确性和计算结果的准确性必须用力学理论分析、试验验证分析、常规经验分析和实际应用情况进行综合判断。至于计算结果评价，需要针对研究目的逐项提出，如强度评价、刚度评价、碰撞安全性评振动噪声评价等。标新立异，勇于创新设计创新要依赖于分析创新