汽車結(jié)構(gòu)的有限元計算模型PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1汽車結(jié)構(gòu)的有限元計算模型汽車結(jié)構(gòu)的有限元計算模型汽車結(jié)構(gòu)的有限元計算模型汽車結(jié)構(gòu)的有限元計算模型 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述Over第二節(jié)第二節(jié) 汽車結(jié)構(gòu)計算模型汽車結(jié)構(gòu)計算模型第三節(jié)第三節(jié) 載荷與邊界約束條件的處理載荷與邊界約束條件的處理第1頁/共60頁有限元法（有限元法（FEM）雖然已很流行）雖然已很流行，但無需諱言，對于接觸，但無需諱言，對于接觸FEM時時間不長的同學(xué)們來說，有限元方間不長的同學(xué)們來說，有限元方法仍難免有些神秘和高深莫測。法仍難免有些神秘和高深莫測。此前，我們學(xué)習(xí)了各種平面和此前，我們學(xué)習(xí)了各種平面和空間單元，討論了其位移模式空間單元，討論了其位移模式、單元剛度矩陣的

2、求取以及單、單元剛度矩陣的求取以及單元組集的方法等。對結(jié)構(gòu)有限元組集的方法等。對結(jié)構(gòu)有限元分析問題的元分析問題的運算復(fù)雜性運算復(fù)雜性和和手手算低效算低效的矛盾有了深刻印象和的矛盾有了深刻印象和切身感受。切身感受。第2頁/共60頁隨著上機實踐的進行，運算復(fù)雜隨著上機實踐的進行，運算復(fù)雜性這一矛盾已迎刃而解。但是性這一矛盾已迎刃而解。但是我們還是不禁要問：我們還是不禁要問：FEM真的那真的那么有用嗎？它是屠龍妙術(shù)，還是么有用嗎？它是屠龍妙術(shù)，還是一種實用技術(shù)？它在汽車工程中一種實用技術(shù)？它在汽車工程中真有那么廣泛的應(yīng)用嗎？真有那么廣泛的應(yīng)用嗎？第3頁/共60頁本節(jié)教學(xué)內(nèi)本節(jié)教學(xué)內(nèi)容容FEM在現(xiàn)代汽

3、車開發(fā)中的應(yīng)在現(xiàn)代汽車開發(fā)中的應(yīng)用用汽車結(jié)構(gòu)分析方法簡述汽車結(jié)構(gòu)分析方法簡述FEM應(yīng)用實例應(yīng)用實例FEM建模和使用軟件進建模和使用軟件進行結(jié)構(gòu)分析的三點注意行結(jié)構(gòu)分析的三點注意（重點）（重點）第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第4頁/共60頁教學(xué)要求教學(xué)要求明確明確FEM在現(xiàn)代汽車開發(fā)中在現(xiàn)代汽車開發(fā)中應(yīng)用的廣泛性應(yīng)用的廣泛性熟悉熟悉FEM在汽車結(jié)構(gòu)分析中在汽車結(jié)構(gòu)分析中的常見應(yīng)用實例的常見應(yīng)用實例深刻體會深刻體會并積極實并積極實踐踐“FEM建模和軟建模和軟件使用中的三點注件使用中的三點注意意”FEM決不是屠龍妙術(shù)，而是一門實用技術(shù)決不是屠龍妙術(shù)，而是一門實用技術(shù)第5頁/共60頁早期的汽車設(shè)計和制造主要以

4、經(jīng)驗和科學(xué)實驗結(jié)合。早期的汽車設(shè)計和制造主要以經(jīng)驗和科學(xué)實驗結(jié)合。現(xiàn)代汽車的設(shè)計以現(xiàn)代汽車的設(shè)計以數(shù)字化設(shè)計數(shù)字化設(shè)計為主，綜合應(yīng)用先進的為主，綜合應(yīng)用先進的計算機輔助技術(shù)計算機輔助技術(shù)，如，如CAD、 CAE（計算機輔助工程（計算機輔助工程）、）、CAM，以縮短研發(fā)周期，降低設(shè)計成本，提高設(shè)，以縮短研發(fā)周期，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計質(zhì)量。計質(zhì)量。nFEM在現(xiàn)代汽車開發(fā)過程中的應(yīng)用在現(xiàn)代汽車開發(fā)過程中的應(yīng)用第6頁/共60頁現(xiàn)代汽車現(xiàn)代汽車開發(fā)過程開發(fā)過程（從概念到實物）（從概念到實物）造型設(shè)計造型設(shè)計總體設(shè)計總體設(shè)計詳細設(shè)計詳細設(shè)計樣車試制樣車試制模具制造模具制造批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)效果圖效果圖油泥

5、模油泥模型制型制作作1: 5和和1: 1模型模型分分析析仿仿真真三維總布三維總布置置設(shè)設(shè)計計車身設(shè)車身設(shè)計計底盤設(shè)底盤設(shè)計計管路布管路布置置電器系電器系統(tǒng)統(tǒng)其它系其它系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)設(shè)計計在這一過程中，有限元分析充當(dāng)了重要角色具有不可或缺的作用在這一過程中，有限元分析充當(dāng)了重要角色具有不可或缺的作用第7頁/共60頁CAD技術(shù)技術(shù)的發(fā)展使三維設(shè)計和虛擬裝配成為現(xiàn)實的發(fā)展使三維設(shè)計和虛擬裝配成為現(xiàn)實汽車產(chǎn)品數(shù)字化開發(fā)是建立在計算機輔助技術(shù)（汽車產(chǎn)品數(shù)字化開發(fā)是建立在計算機輔助技術(shù)（CAX）基礎(chǔ)上的，其中，）基礎(chǔ)上的，其中，有限元分析有限元分析充當(dāng)了重要角色，具充當(dāng)了重要角色，具有不可或缺的作用有不可或缺的

6、作用自自20世紀(jì)世紀(jì)80年代開始，在基于特征的年代開始，在基于特征的CAD技術(shù)中，可技術(shù)中，可以建立全參數(shù)驅(qū)動的三維模型，并以此為基礎(chǔ)，對整以建立全參數(shù)驅(qū)動的三維模型，并以此為基礎(chǔ)，對整體設(shè)計和部件進行體設(shè)計和部件進行有限元分析、有限元分析、運動分析、裝配的干運動分析、裝配的干涉檢查和涉檢查和NC自動編程等。自動編程等。CAX與與有限元分析有限元分析充分融合已成趨勢充分融合已成趨勢第8頁/共60頁CAE技術(shù)技術(shù)使使結(jié)構(gòu)分析和運動校核結(jié)構(gòu)分析和運動校核可以在設(shè)計階段完成可以在設(shè)計階段完成，避免了反復(fù)實驗和試制！，避免了反復(fù)實驗和試制！CAM技術(shù)技術(shù)使設(shè)計數(shù)據(jù)直接用于加工，大大縮短了產(chǎn)品使設(shè)計數(shù)據(jù)

7、直接用于加工，大大縮短了產(chǎn)品的制造周期。的制造周期。這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用使汽車產(chǎn)品開發(fā)發(fā)生了根本性的這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用使汽車產(chǎn)品開發(fā)發(fā)生了根本性的變革，使汽車產(chǎn)品也可以按照不斷變化的客戶需求進變革，使汽車產(chǎn)品也可以按照不斷變化的客戶需求進行及時響應(yīng)，開發(fā)一個全新車型的周期已經(jīng)從行及時響應(yīng)，開發(fā)一個全新車型的周期已經(jīng)從45年年縮短到縮短到18個月左右。個月左右。如，如，有限元數(shù)值模擬有限元數(shù)值模擬板料沖壓成形過程，可很好的預(yù)板料沖壓成形過程，可很好的預(yù)測成形缺陷。測成形缺陷。新一代的新一代的 CAE 技術(shù)將不單純是計算技術(shù)，它將和試驗技術(shù)將不單純是計算技術(shù)，它將和試驗技術(shù)緊密地融合在一起，成為工程

8、實用中更加可靠的技術(shù)緊密地融合在一起，成為工程實用中更加可靠的一門完整技術(shù)。一門完整技術(shù)。 第9頁/共60頁n汽車結(jié)構(gòu)分析方法簡述汽車結(jié)構(gòu)分析方法簡述在汽車結(jié)構(gòu)分析中，在汽車結(jié)構(gòu)分析中，解析方法解析方法（如材料力學(xué)、（如材料力學(xué)、彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等）只能用于簡單的結(jié)構(gòu)彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等）只能用于簡單的結(jié)構(gòu)件，如桿、梁、柱以及簡單的板殼等，不能解件，如桿、梁、柱以及簡單的板殼等，不能解決汽車中眾多復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)分析問題（決汽車中眾多復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)分析問題（為為什么？什么？），因此現(xiàn)代汽車設(shè)計的技術(shù)分析主要），因此現(xiàn)代汽車設(shè)計的技術(shù)分析主要采用有限元等采用有限元等數(shù)值方法數(shù)值方法。1 彈性

9、力學(xué)的基本方程有哪些？彈性力學(xué)的基本方程有哪些？2 從數(shù)學(xué)上講，彈性力學(xué)問題的求解是哪類問從數(shù)學(xué)上講，彈性力學(xué)問題的求解是哪類問題？題？第10頁/共60頁n汽車結(jié)構(gòu)分析方法簡述汽車結(jié)構(gòu)分析方法簡述在汽車結(jié)構(gòu)分析中，在汽車結(jié)構(gòu)分析中，解析方法解析方法（如材料力學(xué)、（如材料力學(xué)、彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等）只能用于簡單的結(jié)構(gòu)彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等）只能用于簡單的結(jié)構(gòu)件，如桿、梁、柱以及簡單的板殼等，不能解件，如桿、梁、柱以及簡單的板殼等，不能解決汽車中眾多復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)分析問題（決汽車中眾多復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)分析問題（為為什么？什么？），因此現(xiàn)代汽車設(shè)計的技術(shù)分析主要），因此現(xiàn)代汽車設(shè)計的技術(shù)分析主要采用

10、有限元等采用有限元等數(shù)值方法數(shù)值方法。FEM是一種高效、成熟和不斷發(fā)展的數(shù)值方法是一種高效、成熟和不斷發(fā)展的數(shù)值方法，如小波有限元在分析裂紋擴展問題中的應(yīng)用，如小波有限元在分析裂紋擴展問題中的應(yīng)用等等等等FEM自自20世紀(jì)世紀(jì)40年代始年代始第11頁/共60頁作為一種有效的數(shù)值方法，在汽車設(shè)計中，有作為一種有效的數(shù)值方法，在汽車設(shè)計中，有限元分析應(yīng)用十分廣泛。限元分析應(yīng)用十分廣泛。復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件有限元分析復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件有限元分析nFEM應(yīng)用實例應(yīng)用實例教學(xué)提示：與今后的科研和實際工作關(guān)系教學(xué)提示：與今后的科研和實際工作關(guān)系客車車身骨架有限元模型客車車身骨架有限元模型 第12頁/共60頁白車

11、身有限元模型白車身有限元模型 復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件有限元分析復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件有限元分析nFEM應(yīng)用實例應(yīng)用實例白車身彎曲變形分析結(jié)果白車身彎曲變形分析結(jié)果 第13頁/共60頁各種零部件的有限元分析各種零部件的有限元分析nFEM應(yīng)用實例應(yīng)用實例如，懸架各部件（如空氣彈簧、鋼板彈簧、穩(wěn)如，懸架各部件（如空氣彈簧、鋼板彈簧、穩(wěn)定桿等）有限元分析定桿等）有限元分析雙扭桿彈簧懸架雙扭桿彈簧懸架有限元分析有限元分析 空氣彈簧有限元分析模型空氣彈簧有限元分析模型 位移云圖位移云圖應(yīng)力云圖應(yīng)力云圖第14頁/共60頁各種零部件的有限元分析各種零部件的有限元分析又如，發(fā)動機機體、驅(qū)動橋殼、曲軸、差速器又如，發(fā)動機機體

12、、驅(qū)動橋殼、曲軸、差速器及變速器齒輪等各種零部件的結(jié)構(gòu)分析。及變速器齒輪等各種零部件的結(jié)構(gòu)分析。柴油機機體有限元分析位移云圖柴油機機體有限元分析位移云圖 發(fā)動機機體實物與有限元模型發(fā)動機機體實物與有限元模型第15頁/共60頁各種零部件的有限元分析各種零部件的有限元分析又如，發(fā)動機機體、驅(qū)動橋殼、差速器及變速又如，發(fā)動機機體、驅(qū)動橋殼、差速器及變速器齒輪等各種零部件的結(jié)構(gòu)分析。器齒輪等各種零部件的結(jié)構(gòu)分析。驅(qū)動橋有限元分析應(yīng)力云圖驅(qū)動橋有限元分析應(yīng)力云圖 驅(qū)動橋有限元模型驅(qū)動橋有限元模型 變速器齒輪有限元分析模型變速器齒輪有限元分析模型 第16頁/共60頁汽車設(shè)計中，除了要滿足強度和剛度的要求外

13、汽車設(shè)計中，除了要滿足強度和剛度的要求外，還要進行碰撞實驗，使其符合相關(guān)法規(guī)的要，還要進行碰撞實驗，使其符合相關(guān)法規(guī)的要求。求。汽車碰撞有限元建模與仿真汽車碰撞有限元建模與仿真汽車正碰實驗汽車正碰實驗汽車碰撞的兩種汽車碰撞的兩種研究手段：實驗研究手段：實驗和有限元仿真和有限元仿真第17頁/共60頁汽車碰撞有限元建模與仿真汽車碰撞有限元建模與仿真汽車正碰仿真與實驗結(jié)果的對汽車正碰仿真與實驗結(jié)果的對比比 汽車側(cè)碰過程有限元分析與仿真汽車側(cè)碰過程有限元分析與仿真第18頁/共60頁汽車載荷工況復(fù)雜多樣，汽車結(jié)構(gòu)分析中一項重汽車載荷工況復(fù)雜多樣，汽車結(jié)構(gòu)分析中一項重要也是關(guān)鍵的前提條件就是要也是關(guān)鍵的前

14、提條件就是確定計算載荷。確定計算載荷。 1為了保證汽車結(jié)構(gòu)具有合理的強度與剛度，要為了保證汽車結(jié)構(gòu)具有合理的強度與剛度，要根據(jù)工程力學(xué)、汽車理論等基礎(chǔ)知識，根據(jù)工程力學(xué)、汽車理論等基礎(chǔ)知識，正確分正確分析汽車所受各種載荷，析汽車所受各種載荷，再運用再運用FEM的知識，對的知識，對汽車結(jié)構(gòu)進行強度和剛度計算和評價。汽車結(jié)構(gòu)進行強度和剛度計算和評價。 n建模和使用軟件進行結(jié)構(gòu)分析的三點注意建模和使用軟件進行結(jié)構(gòu)分析的三點注意第19頁/共60頁注意點注意點1 1：分析汽車結(jié)構(gòu)所受載荷要全面分析汽車結(jié)構(gòu)所受載荷要全面xyz四輪汽車模型四輪汽車模型汽車坐標(biāo)系汽車坐標(biāo)系C.G.C.G.Center of

15、Gravity第20頁/共60頁(1)(1)汽車彎曲情況汽車彎曲情況xyz由于部件質(zhì)量引起由于部件質(zhì)量引起的載荷，作用在垂的載荷，作用在垂直平面（直平面（x-zx-z）, ,載載荷沿汽車車架方向荷沿汽車車架方向分布，產(chǎn)生繞分布，產(chǎn)生繞y y軸軸的彎矩。的彎矩。Fz第21頁/共60頁（2 2）汽車扭轉(zhuǎn)情況）汽車扭轉(zhuǎn)情況xyz由于路面不平或不由于路面不平或不對稱支承，使作用對稱支承，使作用在同一車軸兩車輪在同一車軸兩車輪的沿的沿z z軸的力不等軸的力不等，必引起扭矩，必引起扭矩, ,使使汽車有繞縱向汽車有繞縱向x x軸軸轉(zhuǎn)動的趨勢。轉(zhuǎn)動的趨勢。MXMx第22頁/共60頁（3 3）汽車彎扭組合情）汽

16、車彎扭組合情況況xyz實際上，由于重力實際上，由于重力始終存在，汽車必始終存在，汽車必受彎矩和扭矩，必受彎矩和扭矩，必須一起考慮！須一起考慮！FzMXMx第23頁/共60頁（4 4）汽車側(cè)向載荷情況）汽車側(cè)向載荷情況xyz這種情況發(fā)生在汽這種情況發(fā)生在汽車轉(zhuǎn)彎車轉(zhuǎn)彎( (離心力離心力) )或或汽車受橫風(fēng)或汽車汽車受橫風(fēng)或汽車滑向路牙時，即受滑向路牙時，即受y y軸載荷。軸載荷。Fy第24頁/共60頁（5-15-1）汽車縱向載荷）汽車縱向載荷加速情況加速情況( (后輪驅(qū)動后輪驅(qū)動) )xyztumddutudd加速時，產(chǎn)生縱向載荷加速時，產(chǎn)生縱向載荷( (沿沿x x軸軸) )，作用在輪胎與地面，

17、作用在輪胎與地面接觸點的牽引力和慣性力。接觸點的牽引力和慣性力。第25頁/共60頁（5-25-2）汽車縱向載荷）汽車縱向載荷制動情況制動情況xyz制動時，也產(chǎn)生縱向載荷制動時，也產(chǎn)生縱向載荷( (沿沿x x軸軸) )，作用在輪胎與地，作用在輪胎與地面接觸點的地面制動力和慣性力。面接觸點的地面制動力和慣性力。utuddtumdd第26頁/共60頁2 以汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計、汽車制造工藝學(xué)以及以汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計、汽車制造工藝學(xué)以及相關(guān)汽車設(shè)計規(guī)范為指導(dǎo)，建立汽車結(jié)構(gòu)件三相關(guān)汽車設(shè)計規(guī)范為指導(dǎo)，建立汽車結(jié)構(gòu)件三維數(shù)字化模型。維數(shù)字化模型。以以汽車驅(qū)動橋殼汽車驅(qū)動橋殼為例，討論與有限元分析相關(guān)為例，討

18、論與有限元分析相關(guān)的三維建模中的注意點。的三維建模中的注意點。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計成果的三維數(shù)字化模型作為結(jié)構(gòu)設(shè)計成果的三維數(shù)字化模型與與有限元有限元分析中的幾何模型分析中的幾何模型兩者兩者側(cè)重點側(cè)重點不同，既有區(qū)別不同，既有區(qū)別，又有聯(lián)系。前者側(cè)重于可制造性，故每個細，又有聯(lián)系。前者側(cè)重于可制造性，故每個細節(jié)必須定義清楚，而后者側(cè)重于結(jié)構(gòu)力學(xué)特性節(jié)必須定義清楚，而后者側(cè)重于結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，所關(guān)注的是對安全有影響的部位。，所關(guān)注的是對安全有影響的部位。第27頁/共60頁驅(qū)動橋殼驅(qū)動橋殼一般主要由一般主要由橋殼本體、半軸套管橋殼本體、半軸套管、后橋蓋總成、鋼板、后橋蓋總成、鋼板彈簧固定座總成、后彈簧固定座

19、總成、后制動底板固定法蘭等制動底板固定法蘭等組成。組成。橋殼本體橋殼本體半軸套管半軸套管半軸套管半軸套管后橋蓋總成后橋蓋總成鋼板彈簧固定座總成鋼板彈簧固定座總成后制動底板固定法蘭后制動底板固定法蘭后制動底板固定法蘭后制動底板固定法蘭第28頁/共60頁注意點注意點2：在在UG(或或Solidworks等等)軟件中軟件中按設(shè)計圖樣對橋殼進行參數(shù)化建模時，按設(shè)計圖樣對橋殼進行參數(shù)化建模時，模模型必須反映危險部位應(yīng)力，即，有限元模型必須反映危險部位應(yīng)力，即，有限元模型應(yīng)盡量保留原實體結(jié)構(gòu)的重要細節(jié)。但型應(yīng)盡量保留原實體結(jié)構(gòu)的重要細節(jié)。但為減少節(jié)點數(shù)量，必須對非危險部位的細為減少節(jié)點數(shù)量，必須對非危險部

20、位的細節(jié)結(jié)構(gòu)進行簡化。節(jié)結(jié)構(gòu)進行簡化。 全浮式驅(qū)動車橋結(jié)構(gòu)全浮式驅(qū)動車橋結(jié)構(gòu)中，哪些部位是對汽中，哪些部位是對汽車的安全有直接影響車的安全有直接影響的危險部位？的危險部位？第29頁/共60頁具體簡化方法是：具體簡化方法是：1）保留危險部位的細節(jié)結(jié)構(gòu)，如兩）保留危險部位的細節(jié)結(jié)構(gòu)，如兩端的固定螺紋結(jié)構(gòu)，以及與錐軸承內(nèi)圈配合部位結(jié)構(gòu)端的固定螺紋結(jié)構(gòu)，以及與錐軸承內(nèi)圈配合部位結(jié)構(gòu)等。等。2）略去某些非感興趣區(qū)域的鑄造圓角，以倒斜角）略去某些非感興趣區(qū)域的鑄造圓角，以倒斜角取代倒圓角。取代倒圓角。3）略去非危險部位結(jié)構(gòu)，如油管支架、）略去非危險部位結(jié)構(gòu)，如油管支架、制動底板固定法蘭等。制動底板固定法蘭

21、等。4）忽略不重要區(qū)的小孔及小尺）忽略不重要區(qū)的小孔及小尺寸結(jié)構(gòu)，如通氣孔擋油罩、加油螺塞、放油螺塞以及寸結(jié)構(gòu)，如通氣孔擋油罩、加油螺塞、放油螺塞以及各處螺紋孔。各處螺紋孔。第30頁/共60頁將合理簡化后的將合理簡化后的3D實體模型導(dǎo)入實體模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench進行有限元分析。進行有限元分析。第31頁/共60頁3 汽車零件數(shù)以萬計，其幾何形狀各異，支承和汽車零件數(shù)以萬計，其幾何形狀各異，支承和連接形式多樣，載荷及其傳遞復(fù)雜，無論是進連接形式多樣，載荷及其傳遞復(fù)雜，無論是進行靜態(tài)還是動態(tài)分析，建立有限元模型時頭緒行靜態(tài)還是動態(tài)分析，建立有限元模型時頭緒紛繁，怎樣才能使分析結(jié)果不停留

22、在紛繁，怎樣才能使分析結(jié)果不停留在“僅作為僅作為一種趨勢的判斷一種趨勢的判斷”這一水平上呢？或者說，這一水平上呢？或者說，怎怎樣實現(xiàn)精確化建模？樣實現(xiàn)精確化建模？注意點注意點3 3：從幾何模型從幾何模型力學(xué)模型力學(xué)模型計算模計算模型的型的提煉過程提煉過程中，要實現(xiàn)精確建模的目標(biāo)，必須中，要實現(xiàn)精確建模的目標(biāo)，必須確保確?！叭齻€一致三個一致”，即，幾何模型與原結(jié)構(gòu)一致，即，幾何模型與原結(jié)構(gòu)一致，施加載荷與實際情況一致，設(shè)置支承與實際邊，施加載荷與實際情況一致，設(shè)置支承與實際邊界條件一致，只有這樣才能將各種誤差減到最低界條件一致，只有這樣才能將各種誤差減到最低。第32頁/共60頁必須指出：要真正做

23、到精確建模，決非一日之必須指出：要真正做到精確建模，決非一日之功，沒有功，沒有汽車工程理論和實踐、有限元理論和汽車工程理論和實踐、有限元理論和實踐實踐兩個方面知識長期兩個方面知識長期積累、融合積累、融合是做不到的是做不到的！洞察洞察FEMFEM基本理論與通用有限元軟件內(nèi)在力學(xué)本基本理論與通用有限元軟件內(nèi)在力學(xué)本質(zhì)的一致性。質(zhì)的一致性。比如，使用比如，使用ANSYSANSYS求解薄板結(jié)構(gòu)分析問題時，求解薄板結(jié)構(gòu)分析問題時，前處理操作中前處理操作中element typeelement type有有 link,beam,pipe,solid,shelllink,beam,pipe,solid,sh

24、ell等選項。等選項。軟件使用中，從力學(xué)模型到計算模型提煉過程軟件使用中，從力學(xué)模型到計算模型提煉過程中，決策的正確性問題作一闡述中，決策的正確性問題作一闡述第33頁/共60頁SHELLSHELL單元中，仍有很多選項單元中，仍有很多選項路多歧而樹多枝，如路多歧而樹多枝，如何選擇？依據(jù)在哪何選擇？依據(jù)在哪？第34頁/共60頁在幫助中有不同（殼）單元的詳細描述（在幫助中有不同（殼）單元的詳細描述（Description）: 閱讀幫助后，再結(jié)合分析問題的性質(zhì)作出選擇！閱讀幫助后，再結(jié)合分析問題的性質(zhì)作出選擇！不同單元的節(jié)點數(shù)，每個節(jié)點的自由度數(shù)，適應(yīng)條件（不同單元的節(jié)點數(shù)，每個節(jié)點的自由度數(shù)，適應(yīng)條

25、件（是薄板？還是中板厚？是彈性分析？還是塑性分析？）是薄板？還是中板厚？是彈性分析？還是塑性分析？） 第35頁/共60頁進一步思考進一步思考 在進行剛架的有限元分析時，在進行剛架的有限元分析時，ANSYS軟件中，梁單元軟件中，梁單元有哪些類型？其適應(yīng)條件如何？有哪些類型？其適應(yīng)條件如何？ 在有限單元法中，桁架采用桿單元離散，剛架采用梁單在有限單元法中，桁架采用桿單元離散，剛架采用梁單元離散。元離散。（第四章（第四章 桿系結(jié)構(gòu)有限元法）桿系結(jié)構(gòu)有限元法）第36頁/共60頁課堂小結(jié)課堂小結(jié)從從全面分析汽車所受載荷全面分析汽車所受載荷、有限元分析之三維模有限元分析之三維模型建立型建立和和有限元分析中

26、精確化建模有限元分析中精確化建模這三個方面討這三個方面討論了（結(jié)構(gòu)分析時）論了（結(jié)構(gòu)分析時）FEMFEM建模和使用通用軟件的建模和使用通用軟件的注意點。注意點。結(jié)合現(xiàn)代結(jié)合現(xiàn)代汽車開發(fā)過程汽車開發(fā)過程和有限元分析在汽車工和有限元分析在汽車工程中的程中的應(yīng)用實例應(yīng)用實例，闡述了有限元分析技術(shù)已融，闡述了有限元分析技術(shù)已融入計算機輔助技術(shù)之中，在現(xiàn)代汽車設(shè)計與制入計算機輔助技術(shù)之中，在現(xiàn)代汽車設(shè)計與制造過程中具有不可或缺的重要作用。造過程中具有不可或缺的重要作用。第37頁/共60頁第二節(jié)第二節(jié) 汽車結(jié)構(gòu)計算模型汽車結(jié)構(gòu)計算模型本節(jié)教學(xué)內(nèi)容：制定有限元分析方案，汽車結(jié)構(gòu)件本節(jié)教學(xué)內(nèi)容：制定有限元分析

27、方案，汽車結(jié)構(gòu)件有限元分析計算模型的分類及選用。有限元分析計算模型的分類及選用。 教學(xué)要求：理解制定有限元分析方案的內(nèi)容要點、教學(xué)要求：理解制定有限元分析方案的內(nèi)容要點、方法步驟；初步掌握汽車結(jié)構(gòu)件有限元分析計算模方法步驟；初步掌握汽車結(jié)構(gòu)件有限元分析計算模型的分類及選用。型的分類及選用。 第38頁/共60頁9.2.1制定分析方案制定分析方案 接到汽車結(jié)構(gòu)分析任務(wù)后，要嚴格審查分析對象的接到汽車結(jié)構(gòu)分析任務(wù)后，要嚴格審查分析對象的原始數(shù)據(jù)（正、逆向設(shè)計的成果）和工作歷程，遵原始數(shù)據(jù)（正、逆向設(shè)計的成果）和工作歷程，遵循有限元分析技術(shù)的規(guī)律，掌握所用通用程序的特循有限元分析技術(shù)的規(guī)律，掌握所用通

28、用程序的特點，明確分析目標(biāo)，制定周密的分析方案和實施計點，明確分析目標(biāo)，制定周密的分析方案和實施計劃，包括模型簡化和單元離散方案，載荷和約束施劃，包括模型簡化和單元離散方案，載荷和約束施加方案等，盡量避免分析過程中的錯誤和反復(fù)調(diào)試加方案等，盡量避免分析過程中的錯誤和反復(fù)調(diào)試。好的方案是保證計算精度和計算效率的基礎(chǔ)。雖。好的方案是保證計算精度和計算效率的基礎(chǔ)。雖然在處理具體問題時可能有不同的步驟，但然在處理具體問題時可能有不同的步驟，但“心中心中有數(shù)有數(shù)”正是有經(jīng)驗者的基本素質(zhì)，按照一定的工作正是有經(jīng)驗者的基本素質(zhì)，按照一定的工作程序進行，少走彎路。程序進行，少走彎路。 第39頁/共60頁（1）

29、充分占有圖紙：充分占有分析對象的圖紙，了）充分占有圖紙：充分占有分析對象的圖紙，了解各種載荷工況及材料數(shù)據(jù)等相關(guān)資料，明確分析任解各種載荷工況及材料數(shù)據(jù)等相關(guān)資料，明確分析任務(wù)及目標(biāo)。務(wù)及目標(biāo)。 （2）明確分析類型：是靜態(tài)還是動態(tài)，是線性還是）明確分析類型：是靜態(tài)還是動態(tài)，是線性還是非線性，是否進行優(yōu)化、疲勞、參數(shù)化分析，是否與非線性，是否進行優(yōu)化、疲勞、參數(shù)化分析，是否與熱、流體等之間進行耦合計算等。熱、流體等之間進行耦合計算等。 （3）采用合理單位：準(zhǔn)備好分析原始數(shù)據(jù)、模型幾）采用合理單位：準(zhǔn)備好分析原始數(shù)據(jù)、模型幾何尺寸、材料屬性參數(shù)等的單位。注意使用國際單位何尺寸、材料屬性參數(shù)等的單位

30、。注意使用國際單位制單位。制單位。 第40頁/共60頁（4）確定模型范圍：要簡化分析模型，是部分還是）確定模型范圍：要簡化分析模型，是部分還是整體，有無對稱性等。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，有針對性整體，有無對稱性等。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，有針對性地創(chuàng)建模型，在桿、梁、板殼、三維實體模型中進行地創(chuàng)建模型，在桿、梁、板殼、三維實體模型中進行合理選擇，尤其是不要一切都用實體建模。合理選擇，尤其是不要一切都用實體建模。 （5）準(zhǔn)確劃分網(wǎng)格：要考慮包括單元選用、單元形）準(zhǔn)確劃分網(wǎng)格：要考慮包括單元選用、單元形狀、邊界條件和施加載荷的位置、分析問題的性質(zhì)等狀、邊界條件和施加載荷的位置、分析問題的性質(zhì)等因素。因素。 （

31、6）處理連接關(guān)系：確定零部件之間及各總成之間）處理連接關(guān)系：確定零部件之間及各總成之間的連接關(guān)系（剛接、鉸接、滑移接觸等）。連接關(guān)系的連接關(guān)系（剛接、鉸接、滑移接觸等）。連接關(guān)系處理好壞直接影響模型的構(gòu)造關(guān)系，也影響到模型的處理好壞直接影響模型的構(gòu)造關(guān)系，也影響到模型的精度。精度。 第41頁/共60頁（7）制定載荷工況：確認每種工況的載荷類型、大）制定載荷工況：確認每種工況的載荷類型、大小、施加位置和施加方式。小、施加位置和施加方式。 9.2.2汽車結(jié)構(gòu)件計算模型的分類及選用汽車結(jié)構(gòu)件計算模型的分類及選用 汽車是由成百上千個部件組成，這些結(jié)構(gòu)件和機械產(chǎn)汽車是由成百上千個部件組成，這些結(jié)構(gòu)件和機

32、械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件一樣，其形狀各式各樣，相應(yīng)的計算模型品的結(jié)構(gòu)件一樣，其形狀各式各樣，相應(yīng)的計算模型自然也有不同。按照汽車構(gòu)造及汽車結(jié)構(gòu)和行為特征自然也有不同。按照汽車構(gòu)造及汽車結(jié)構(gòu)和行為特征可以歸納為以下幾種計算模型：可以歸納為以下幾種計算模型： 第42頁/共60頁（1）平面結(jié)構(gòu)模型：全部由）平面結(jié)構(gòu)模型：全部由平面單元組成的計算模型，平面單元組成的計算模型，自然這是將汽車某些部件簡自然這是將汽車某些部件簡化的結(jié)果。如變速器中的齒化的結(jié)果。如變速器中的齒輪，其一個輪齒的應(yīng)力分析輪，其一個輪齒的應(yīng)力分析可簡化為平面問題處理；發(fā)可簡化為平面問題處理；發(fā)動機的連桿，其結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)模動機的連桿，其結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)模

33、型形狀基本上對稱于中間擺型形狀基本上對稱于中間擺動平面，也可當(dāng)成平面問題動平面，也可當(dāng)成平面問題來研究。來研究。 （2）空間結(jié)構(gòu)模型：全部由空間單元組成的模型，）空間結(jié)構(gòu)模型：全部由空間單元組成的模型，零部件三維特征明顯，可按空間問題處理。如客車中零部件三維特征明顯，可按空間問題處理。如客車中的連接球銷，其難點在于分布力是按正弦規(guī)律作用在的連接球銷，其難點在于分布力是按正弦規(guī)律作用在球面上的；轎車車輪鋼圈可按對稱和反對稱條件來簡球面上的；轎車車輪鋼圈可按對稱和反對稱條件來簡化處理；還有萬向節(jié)叉、轉(zhuǎn)向節(jié)、車架等。化處理；還有萬向節(jié)叉、轉(zhuǎn)向節(jié)、車架等。 第43頁/共60頁（3）桿系結(jié)構(gòu)模型：全部由

34、桿單元、梁單元組成的）桿系結(jié)構(gòu)模型：全部由桿單元、梁單元組成的模型。如汽車起重機的臂架系統(tǒng)，承載式客車骨架，模型。如汽車起重機的臂架系統(tǒng)，承載式客車骨架，載貨汽車的車架等。載貨汽車的車架等。 （4）板殼結(jié)構(gòu)模型：全部由板殼單元組成的計算模）板殼結(jié)構(gòu)模型：全部由板殼單元組成的計算模型。如載貨汽車車架、貨箱、駕駛室，轎車車架、車型。如載貨汽車車架、貨箱、駕駛室，轎車車架、車身，汽車的后橋殼，齒輪箱箱體等，它們都是用板焊身，汽車的后橋殼，齒輪箱箱體等，它們都是用板焊接或鉚接而成的。接或鉚接而成的。 第44頁/共60頁（5）組合結(jié)構(gòu)模型：主要有梁單元、板單元及實體）組合結(jié)構(gòu)模型：主要有梁單元、板單元及

35、實體單元混合組成，形成板梁結(jié)構(gòu)、實體與梁組合結(jié)構(gòu)。單元混合組成，形成板梁結(jié)構(gòu)、實體與梁組合結(jié)構(gòu)。如推土機的推土裝置，客車車架、轎車車身等。如推土機的推土裝置，客車車架、轎車車身等。 其它還有與各種專用單元的組合方式，如質(zhì)量單元、其它還有與各種專用單元的組合方式，如質(zhì)量單元、彈簧單元和剛性單元等。不同的結(jié)構(gòu)需要不同的計算彈簧單元和剛性單元等。不同的結(jié)構(gòu)需要不同的計算模型，不同的分析求解需要不同的計算模型，不同的模型，不同的分析求解需要不同的計算模型，不同的分析階段可能也需要不同的模型，很難用一種模型完分析階段可能也需要不同的模型，很難用一種模型完成所有分析，其中最主要的問題就是汽車不同結(jié)構(gòu)件成所

36、有分析，其中最主要的問題就是汽車不同結(jié)構(gòu)件的力學(xué)特性相差很大。因此為了進行有限元分析，在的力學(xué)特性相差很大。因此為了進行有限元分析，在選擇建立汽車結(jié)構(gòu)件計算模型時，應(yīng)進一步考慮下面選擇建立汽車結(jié)構(gòu)件計算模型時，應(yīng)進一步考慮下面幾個問題：幾個問題： 第45頁/共60頁按照結(jié)構(gòu)的受力特征和構(gòu)造特點：按照結(jié)構(gòu)的受力特征和構(gòu)造特點： 如客車車身骨架是由梁組成的空間剛架系統(tǒng)，根據(jù)其如客車車身骨架是由梁組成的空間剛架系統(tǒng)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，總是選用桿系結(jié)構(gòu)計算模型。但懸架處底結(jié)構(gòu)特點，總是選用桿系結(jié)構(gòu)計算模型。但懸架處底架縱梁剛性很大，且連接復(fù)雜，可以采用板單元或?qū)嵓芸v梁剛性很大，且連接復(fù)雜，可以采用板單元

37、或?qū)嶓w單元模型，這樣就形成了板梁組合結(jié)構(gòu)。為了進行體單元模型，這樣就形成了板梁組合結(jié)構(gòu)。為了進行車身計算，還要在鋼板彈簧或空氣氣囊懸掛處，采用車身計算，還要在鋼板彈簧或空氣氣囊懸掛處，采用梁單元和彈簧元作為支承模型。當(dāng)隔離出一個零部件梁單元和彈簧元作為支承模型。當(dāng)隔離出一個零部件進行分析時，通常采用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來考慮周圍結(jié)進行分析時，通常采用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件來考慮周圍結(jié)構(gòu)的影響。如果邊界條件不合理，計算結(jié)果可能誤差構(gòu)的影響。如果邊界條件不合理，計算結(jié)果可能誤差很大，這是所有零部件分析中都會遇到的問題。實際很大，這是所有零部件分析中都會遇到的問題。實際應(yīng)用中還常常要求對幾個部件組合進行有限元分析

38、。應(yīng)用中還常常要求對幾個部件組合進行有限元分析。這些都涉及到結(jié)構(gòu)邊界之間的相互影響，需要采用專這些都涉及到結(jié)構(gòu)邊界之間的相互影響，需要采用專用單元模型。用單元模型。 第46頁/共60頁按照分析類型不同：與靜力分析不同，動力分析更按照分析類型不同：與靜力分析不同，動力分析更多地建立質(zhì)點、彈簧、梁等單元組成的模型，采用相多地建立質(zhì)點、彈簧、梁等單元組成的模型，采用相對較粗糙的單元網(wǎng)格。一般情況下，動力分析的計算對較粗糙的單元網(wǎng)格。一般情況下，動力分析的計算模型要盡可能簡單。如客車骨架、載貨汽車車架、駕模型要盡可能簡單。如客車骨架、載貨汽車車架、駕駛室的動態(tài)計算都可采用空間剛架模型。駛室的動態(tài)計算都

39、可采用空間剛架模型。 按照計算精度的要求：在設(shè)計初期方案選擇階段，按照計算精度的要求：在設(shè)計初期方案選擇階段，可選取較簡單、近似程度大的模型；而在設(shè)計開發(fā)后可選取較簡單、近似程度大的模型；而在設(shè)計開發(fā)后期，要查明結(jié)構(gòu)細部應(yīng)力和變形，則需要選取較精確期，要查明結(jié)構(gòu)細部應(yīng)力和變形，則需要選取較精確的模型。如車架、駕駛室等，可將其先簡化為空間剛的模型。如車架、駕駛室等，可將其先簡化為空間剛架進行分析，但在最后校核時，則可以采用全板單元架進行分析，但在最后校核時，則可以采用全板單元，演算各連接處的局部強度等。，演算各連接處的局部強度等。 第47頁/共60頁按照計算機容量及經(jīng)費的限制：按照計算機容量及經(jīng)

40、費的限制： 對于大型模型，可以分成幾個部件分別建模，充分對于大型模型，可以分成幾個部件分別建模，充分利用組裝合并技術(shù)、子結(jié)構(gòu)技術(shù)、超單元技術(shù)等程序利用組裝合并技術(shù)、子結(jié)構(gòu)技術(shù)、超單元技術(shù)等程序功能。如對轎車車身或整車模型做靜動態(tài)計算或碰撞功能。如對轎車車身或整車模型做靜動態(tài)計算或碰撞仿真時，其模型規(guī)模一般較大，建模工作就需要分組仿真時，其模型規(guī)模一般較大，建模工作就需要分組進行，按主要結(jié)構(gòu)件劃分為若干個部件組。模型要突進行，按主要結(jié)構(gòu)件劃分為若干個部件組。模型要突出重點，保證分析重點部位的質(zhì)量?？梢酝ㄟ^首先分出重點，保證分析重點部位的質(zhì)量?？梢酝ㄟ^首先分析一個簡化模型來了解分析過程，理解結(jié)構(gòu)特

41、性。這析一個簡化模型來了解分析過程，理解結(jié)構(gòu)特性。這類模型建立涉及較多技術(shù)和經(jīng)驗，需要不斷學(xué)習(xí)和深類模型建立涉及較多技術(shù)和經(jīng)驗，需要不斷學(xué)習(xí)和深造。造。 同樣是車架，梁模型要比板模型花費少得多。同樣是車架，梁模型要比板模型花費少得多。 第48頁/共60頁建模工作是一個分析矛盾，解決矛盾的過程，歸結(jié)起建模工作是一個分析矛盾，解決矛盾的過程，歸結(jié)起來建立有限元計算模型有兩項原則：來建立有限元計算模型有兩項原則： （1）從實際出發(fā)）從實際出發(fā)模型要反映實際結(jié)構(gòu)的主要性能模型要反映實際結(jié)構(gòu)的主要性能； （2）分清主次，略去細節(jié)）分清主次，略去細節(jié)模型要便于計算。模型要便于計算。 第49頁/共60頁第三

42、節(jié)第三節(jié) 載荷與邊界約束條件的處理載荷與邊界約束條件的處理本節(jié)教學(xué)內(nèi)容：載荷分類；約束與連接。本節(jié)教學(xué)內(nèi)容：載荷分類；約束與連接。 教學(xué)要求：結(jié)合工程實際理解載荷分類；初步掌握教學(xué)要求：結(jié)合工程實際理解載荷分類；初步掌握有限元分析中載荷、約束的添加；實際問題有限元有限元分析中載荷、約束的添加；實際問題有限元分析中，能結(jié)合問題特點，在程序中正確處理常用分析中，能結(jié)合問題特點，在程序中正確處理常用連接。連接。 第50頁/共60頁9.3.1載荷分類及其它載荷分類及其它 在有限元分析中，載荷可分為以下幾種：在有限元分析中，載荷可分為以下幾種： （1）集中載荷：包括力和力矩，具有方向和大小。）集中載荷：

43、包括力和力矩，具有方向和大小。一般當(dāng)載荷作用在結(jié)構(gòu)上的區(qū)域很小時，可處理成一般當(dāng)載荷作用在結(jié)構(gòu)上的區(qū)域很小時，可處理成集中載荷，但集中載荷作用點附近，可能存在應(yīng)力集中載荷，但集中載荷作用點附近，可能存在應(yīng)力失真。有時為簡化計算，也將某些外力處理成集中失真。有時為簡化計算，也將某些外力處理成集中載荷，如車架分析中，發(fā)動機的重量就是以集中載載荷，如車架分析中，發(fā)動機的重量就是以集中載荷的方式處理的。荷的方式處理的。 第51頁/共60頁第三節(jié)第三節(jié) 載荷與邊界約束條件的處理載荷與邊界約束條件的處理9.3.1載荷分類及其它載荷分類及其它 （2）分布載荷：施加于面上，分布于空間、由物體）分布載荷：施加于

44、面上，分布于空間、由物體慣性引起的載荷，都可以看作是分布載荷。在結(jié)構(gòu)慣性引起的載荷，都可以看作是分布載荷。在結(jié)構(gòu)分析中，分布載荷常指線壓力、面壓力、風(fēng)壓力、分析中，分布載荷常指線壓力、面壓力、風(fēng)壓力、自重以及由質(zhì)量引起的慣性力等。自重以及由質(zhì)量引起的慣性力等。 第52頁/共60頁9.3.1載荷分類及其它載荷分類及其它 汽車結(jié)構(gòu)構(gòu)件上承受的載荷，隨著行駛路面、行駛汽車結(jié)構(gòu)構(gòu)件上承受的載荷，隨著行駛路面、行駛速度、裝載條件、操作條件等有很大的變化，其大速度、裝載條件、操作條件等有很大的變化，其大小也多是變化的。汽車在行駛過程中，零部件一般小也多是變化的。汽車在行駛過程中，零部件一般承受動載荷的作用

45、，而且由于路面不平的激勵所產(chǎn)承受動載荷的作用，而且由于路面不平的激勵所產(chǎn)生的往往是隨機載荷。在進行疲勞強度計算時，應(yīng)生的往往是隨機載荷。在進行疲勞強度計算時，應(yīng)以零部件所承受的動載荷或由動載荷按一定方法編以零部件所承受的動載荷或由動載荷按一定方法編制的載荷譜為基礎(chǔ)。另外，汽車在動載荷作用下，制的載荷譜為基礎(chǔ)。另外，汽車在動載荷作用下，往往要發(fā)生振動現(xiàn)象，這就需要同時研究汽車的振往往要發(fā)生振動現(xiàn)象，這就需要同時研究汽車的振動問題。在動載荷作用下的結(jié)構(gòu)分析方法完全不同動問題。在動載荷作用下的結(jié)構(gòu)分析方法完全不同于靜載荷作用下的分析方法。有限元中處理動載荷于靜載荷作用下的分析方法。有限元中處理動載荷

46、是按照時間歷程順序逐步求解在時間歷程載荷作用是按照時間歷程順序逐步求解在時間歷程載荷作用下的系統(tǒng)響應(yīng)，即將載荷劃分成多個載荷步以反映下的系統(tǒng)響應(yīng)，即將載荷劃分成多個載荷步以反映載荷隨時間變化關(guān)系，迭代求解。載荷隨時間變化關(guān)系，迭代求解。 第53頁/共60頁9.3.1載荷分類及其它載荷分類及其它 在汽車結(jié)構(gòu)分析中，還要考慮計算載荷組合問題、在汽車結(jié)構(gòu)分析中，還要考慮計算載荷組合問題、多種計算工況問題，明確汽車在運行中主要受力零多種計算工況問題，明確汽車在運行中主要受力零部件所承受的各種載荷及其組合原則。部件所承受的各種載荷及其組合原則。 有限元分析中，載荷施加的途徑有以下兩種有限元分析中，載荷施加的途徑有以下兩種: (1)在實體模型上施加載荷：按集中載荷、分布載荷在實體模型上施加載荷：按集中載荷、分布載荷施加于所建模型上，程序求解時將自動轉(zhuǎn)換到有限施加于所建模型上，程序求解時將自動轉(zhuǎn)換到有限元模型上。元模型上。 (2)在有限元模型上施加載荷：將載荷直接施加到節(jié)在有限元模型上施加載荷：將載荷直接施加到節(jié)點上，這也是有限元分析的最終載荷施加狀態(tài)。點上，這也是有限元分析的最終載荷施加狀態(tài)。 第54頁/共60頁9.3.2約束與連接約束與連接 汽車各零部件之間存在多種多樣的聯(lián)系，汽車結(jié)構(gòu)必汽車各零部件之間存在多種多樣的聯(lián)系，汽車結(jié)構(gòu)必須支承在某一基礎(chǔ)或其它結(jié)構(gòu)上，對各種聯(lián)系進行合須