有限元分析在汽車工程方面的應(yīng)用

1、有限元分析在汽車工程方面的應(yīng)用姓名 XXX學(xué)校 XXXXXXX專業(yè)班級(jí) XXXXXXX摘 要： 計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來(lái)越受到科技界和 工程界的重視，在汽車工業(yè)研究中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在汽車產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中， CAE 已經(jīng)成為設(shè)計(jì)鏈中必須的條件，沒(méi)有 CAE 分析的設(shè)計(jì)就不能進(jìn)入下一個(gè)技術(shù)流程。新產(chǎn)品 開(kāi)涉及到的疲勞、壽命、振動(dòng)、噪聲等強(qiáng)度和剛度問(wèn)題，可成熟地在設(shè)計(jì)階段解決，這樣就 可以大幅度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量， 縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期， 節(jié)省大量開(kāi)發(fā)費(fèi)用。 本文通過(guò)對(duì)有限元分析 在汽車工程方面的應(yīng)用的描述和分析，闡述了以有限元分析為代表的 CAE 技術(shù)在汽車工

2、程 的重要作用和影響，得出了 CAE 在汽車工業(yè)發(fā)展更加重要，影響未來(lái)汽車的發(fā)展趨勢(shì)！關(guān)鍵詞： 有限元分析 汽車 CAE 技術(shù) 碰撞 安全性1. 前言在汽車發(fā)展歷史上，至今還沒(méi)有什么技術(shù)能與 CAE技術(shù)相比，為汽車企業(yè)帶 來(lái)巨大的回報(bào)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，應(yīng)用 CAE 技術(shù)后，新車開(kāi)發(fā)期的費(fèi)用占開(kāi)發(fā)成 本的比例從80%-90%F降到8%-12%例如：美國(guó)福特汽車公司2000年應(yīng)用CAE 后，其新車型開(kāi)發(fā)周期從36個(gè)月降低到1218個(gè)月；開(kāi)發(fā)后期設(shè)計(jì)修改率減少 50%；原型車制造和試驗(yàn)成本減少 50%；投資收益提高 50%。 汽車行業(yè)是一個(gè)高 速發(fā)展的行業(yè)， 其競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈， 在這種情況下， 新產(chǎn)品

3、推出的速度也越來(lái)越 快，這也對(duì)行業(yè)的CAE應(yīng)用提出了越來(lái)越高的要求。CAE技術(shù)為汽車行業(yè)的高速 發(fā)展提供具有中心價(jià)值地位的技術(shù)保障，可以為企業(yè)帶來(lái)巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。2. 正文汽車工業(yè)代表著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的水平，它不僅是帶動(dòng)面最廣泛的工 業(yè)，而且是高新技術(shù)的最大載體， 一般航空、 航天領(lǐng)域的高精尖技術(shù)只有通過(guò)汽 車工業(yè)才能轉(zhuǎn)化為規(guī)模產(chǎn)業(yè)， 所以汽車工業(yè)是或曾是幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家的支柱產(chǎn) 業(yè)。作為制造業(yè)的中堅(jiān)，汽車工業(yè)一直是 CAE應(yīng)用的先鋒。CAE技術(shù)的應(yīng)用，有 效地推動(dòng)了汽車制造業(yè)的前進(jìn)；汽車業(yè)的需求也極大地帶動(dòng)了CAE多年來(lái)，汽車業(yè)的選型趨向一直是 CAE技術(shù)發(fā)展的晴雨表，也是業(yè)內(nèi)人士關(guān)

4、注的焦點(diǎn)。CAE分析貫穿了汽車開(kāi)發(fā)的全過(guò)程， 小到螺栓預(yù)緊力分析， 大到整車碰撞模擬和整車 NVH （噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）分析，CAE分析都發(fā)揮了無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)和作 用。CAE分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、被動(dòng)安全、工藝、整機(jī) 合整車性能等方方面面。概括起來(lái)，目前汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的CAE分析主要包括以 下幾個(gè)方面。2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)車身是轎車的關(guān)鍵總成， 車身結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度以保證氣疲勞壽命， 足 夠的靜剛度以保證其裝配和使用要求， 同時(shí)應(yīng)有合理的動(dòng)態(tài)特性達(dá)到控制振動(dòng)與 噪聲的目的。 有限元分析的方法能夠有效地滿足上述車身設(shè)計(jì)的要求。 汽車結(jié)構(gòu) 有

5、限元分析的應(yīng)用體現(xiàn)于： 一是在汽車設(shè)計(jì)中對(duì)所有的結(jié)構(gòu)件、 主要機(jī)械零部件 的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析； 二是在汽車的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中， 用有限元法作為結(jié)構(gòu)分析的工具； 三是在汽車結(jié)構(gòu)分析中普遍采用有限元法來(lái) 進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動(dòng)模 態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算出各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)， 較真實(shí)地描繪出動(dòng)態(tài)過(guò)程， 為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài) 設(shè)計(jì)了提供方便。 有限元分析在汽車結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用實(shí)踐證明可以從根本上提到車 身設(shè)計(jì)水平，并降低研制周期和成本。 3 2.2噪聲、振動(dòng)與不平順性（NVH）的有限元分析NVH是評(píng)價(jià)車輛舒適性的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的市場(chǎng)形象。NVH分 析

6、有助于匹配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重各子系統(tǒng)的振動(dòng)頻率特性，以消除振動(dòng)過(guò)程中耦合現(xiàn) 象，從而改善產(chǎn)品的振動(dòng)特性。噪音、振動(dòng)分析包括動(dòng)力總成的缸體模態(tài)、點(diǎn)的 傳遞函數(shù)、靜負(fù)荷強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)、BIW動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、整車各子系統(tǒng)的剛度頻率 匹配等。雖然NVH的CAE技術(shù)起步較晚，NVH的建模方法以及計(jì)算還處在摸索階 段。但隨著計(jì)算機(jī)的能力及容量的越來(lái)越強(qiáng)大， 計(jì)算結(jié)果的精度越來(lái)越準(zhǔn)確， 計(jì) 算方法越來(lái)越科學(xué)性，CAE在汽車的NVH開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)當(dāng)中所發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。 在汽車開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的初期，就以及開(kāi)始了 NVH的各項(xiàng)規(guī)劃，甚至在樣車完成之前或 設(shè)計(jì)圖紙完成之前，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有車型的對(duì)比，就可以預(yù)先得到新開(kāi)發(fā)車型的 NVH 性

7、能指標(biāo)， 并在此基礎(chǔ)上， 對(duì)設(shè)計(jì)及制造的各個(gè)環(huán)節(jié)加以優(yōu)化及完善。 無(wú)論是從 設(shè)計(jì)成本上， 還是從開(kāi)發(fā)周期上考慮， 都為車廠更快、 更好地開(kāi)發(fā)出新一代車型 來(lái)提供了強(qiáng)有力的保障?？梢灶A(yù)測(cè)，NVH的 CAE技術(shù)，在汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及改進(jìn)領(lǐng) 域內(nèi)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛， 而其本身也會(huì)越來(lái)越成熟， 成為人們進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)開(kāi) 發(fā)所不可或缺的工具。 4 2.3 碰撞與安全性分析私家汽車給人們帶來(lái)了便利， 讓人們更充分的享受生活。 隨著全世界汽車數(shù) 量的迅速增加，汽車質(zhì)量、駕駛技術(shù)問(wèn)題及道路狀況等多種因素合力作用結(jié)果， 汽車交通事故已成為嚴(yán)重問(wèn)題。聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織（WHO提交的最新報(bào)告顯 示：近幾年全球每年因交通事

8、故造成死亡的人數(shù)多達(dá)約 120萬(wàn)，另外還有數(shù)百萬(wàn) 人在汽車事故中受傷致殘。面對(duì)這個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，各國(guó)的工程技術(shù)人員都在不遺 余力的提高汽車的安全性能。早期的被動(dòng)安全性研究主要是通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行， 采用同樣的碰撞過(guò)程 反復(fù)進(jìn)行，收集數(shù)據(jù)。這樣的試驗(yàn)方法需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。 發(fā)達(dá)國(guó)家每次汽車安 全性能的試驗(yàn)都需要手工打造幾十輛新車， 人力、物力、財(cái)力都需要很大的消耗。 伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，原來(lái)不可能完成的大量參數(shù)有限元計(jì)算成為可能。有 限元計(jì)算分析方法運(yùn)用到汽車的碰撞模擬仿真中， 極大地降低了汽車的設(shè)計(jì)成本 和研發(fā)周期，并且獲得更為精確的數(shù)據(jù)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一步優(yōu)化。汽車模擬碰撞分析的目的就是

9、為了提高汽車被動(dòng)安全性能。對(duì)于汽車被動(dòng)安全性能的要求，一是在碰撞時(shí)，車身結(jié)構(gòu)、駕駛系統(tǒng)、座位等能吸收較高能量， 緩和沖擊； 二是發(fā)生事故時(shí)，確保車內(nèi)乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶 等對(duì)乘員的保護(hù)功能，以保證乘員安全并在碰撞后容易進(jìn)行車外救助和脫險(xiǎn)。在汽車碰撞發(fā)生的極短時(shí)間內(nèi)，車身發(fā)生巨大的形變。這種形變伴隨著大位移、大 轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的幾何非線性，又有各種材料發(fā)生大應(yīng)變時(shí)所表現(xiàn)的物理非線性（材料非線性）。所以很難通過(guò)常規(guī)的數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行求解，進(jìn)行實(shí)體碰撞試驗(yàn)的 數(shù)據(jù)很難進(jìn)行采集。本文論述了采用拉格朗日描述對(duì)物體的移動(dòng)建立數(shù)學(xué)模型。 通過(guò)有限元方法將整車按區(qū)域進(jìn)行建模。 并且將建立的整車有限元

10、模型進(jìn)行整車 偏置碰撞的模擬仿真，模擬了碰撞過(guò)程后車身的變形結(jié)果， 得到了碰撞過(guò)程中模 型的能量與速度變化曲線。從而直觀地掌握了汽車在碰撞過(guò)程中能量等參數(shù)的變 化情況。將有限元方法運(yùn)用在汽車碰撞問(wèn)題的分析中，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)安全性的改進(jìn) 有一定指導(dǎo)意義。2.4整車性能的分析評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)（黑體小 4#）在IDEASCAE莫塊中建立整車模型，通過(guò)強(qiáng)度、剛度計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)部 件之間、各個(gè)系統(tǒng)的力的傳動(dòng)關(guān)系，檢驗(yàn)與設(shè)計(jì)目標(biāo)是否相符；通過(guò)模態(tài)分析， 可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的頻率分布，指導(dǎo) NVH設(shè)計(jì)。結(jié)合Nastran SOL200可以 同時(shí)考慮模態(tài)、整體剛度、關(guān)鍵部位強(qiáng)度對(duì)各個(gè)部件的設(shè)計(jì)靈敏度等進(jìn)行計(jì)算，

11、在保證強(qiáng)度的前提下，進(jìn)行減重設(shè)計(jì)、部件優(yōu)化。2.5結(jié)論至今為止，世界上許多大的汽車公司都采用了 CAE技術(shù)。通過(guò)在開(kāi)發(fā)過(guò) 程中開(kāi)展CAEX作，提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、節(jié)約了產(chǎn)品開(kāi) 發(fā)經(jīng)費(fèi)。概括起來(lái)，采用CAE的優(yōu)點(diǎn)如下：1、采用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE手段，可以在樣品、樣車之前，模擬零部 件甚至整車的性能和工作狀況，避免傳統(tǒng)上的設(shè)計(jì)-試制-測(cè)試-改進(jìn)設(shè)計(jì)-再 試制的重復(fù)過(guò)程。減少了時(shí)間上的浪費(fèi)、縮短了開(kāi)發(fā)周期，減少了人力、物力和 財(cái)力上的消耗而減低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。2、 國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)部門(mén)隨著三維設(shè)計(jì)的普及， 為開(kāi)展CAE工作奠定了基礎(chǔ)，使開(kāi) 展同時(shí)工程成為可能；同時(shí)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用CAE技術(shù)，也改變了 CADS開(kāi)發(fā) 中只進(jìn)行幾何模型定義，在開(kāi)發(fā)同時(shí)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)。3、在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中開(kāi)展CAE工作，改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定 性分析、缺少定量數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法，使產(chǎn)品減重、性能優(yōu)化成為可能；同時(shí)，采用CAE計(jì)算能在短時(shí)間內(nèi)嘗試和比較更多的設(shè)計(jì)方案， 因而有可能獲得較佳甚至 最優(yōu)的設(shè)計(jì)而提高開(kāi)發(fā)質(zhì)量參考文獻(xiàn)1 蘭鳳崇陳吉清承載式車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度剛度及模態(tài)的有限元分析華南理工大學(xué)汽車工程學(xué)院機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2006.032 溫文源韓祖行客車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究東南大學(xué)機(jī)械工程系東南大學(xué)學(xué)報(bào)，1989.053 屈求真轎車車身結(jié)