汽車有限元法

汽車有限元法第一章概論

1-1有限元法概述1-2有限元法在汽車工程中的運用有限元法概述

------FiniteElementMethocd/FiniteElementAnalysis(FEM/FEA)有限元法是將延續(xù)體理想化為有限個單元集合而成，這些單元僅在有限個節(jié)點上相銜接，亦即用有限個單元的集合來替代原來具有無限個自在度的延續(xù)體。由于有限單元的分割和節(jié)點的配置非常靈敏，它可順應(yīng)于恣意復(fù)雜的幾何外形，處置不同的邊境條件。單元有各種類型，包括線、面和實體或稱為一維、二維和三維等類型單元。節(jié)點普通都在單元邊境上，單元之間經(jīng)過節(jié)點銜接，并接受一定載荷，這樣就組成了有限單元集合體。有限元法概述有限元法直接為產(chǎn)品設(shè)計效力，與工程運用親密相關(guān)。而且有限元法的物理概念非常明晰，容易為工程技術(shù)人員所了解。大型集成化通用軟件的普及與推行，運用有限元法進展普通工程構(gòu)造分析成為相對容易的技術(shù)任務(wù)。但是，為了正確地運用通用程序，做好數(shù)據(jù)前后處置任務(wù)，掌握分析方法，都需求對有限元根本實際有一定程度的了解。隨著計算機輔助工程〔CAE〕溶入設(shè)計過程的進程加快，立足于設(shè)計前期的CAE技術(shù)，將有限元軟件集成于CAD環(huán)境中，面向CAD軟件的運用者，構(gòu)成產(chǎn)品分析、設(shè)計、制造一體化，這也是工業(yè)消費的開展方向，有限元法在其中那么起著重要的作用。構(gòu)造有限元模型構(gòu)造有限元模型實例構(gòu)造有限元模型實例構(gòu)造有限元模型實例構(gòu)造有限元分析重要性汽車CAE技術(shù)的運用面向整車開發(fā)的全過程，在汽車開發(fā)過程〔概念設(shè)計-詳細設(shè)計-樣機驗證-定型消費〕中實現(xiàn)全過程、整車及部件級虛擬樣機仿真，減少原型車實驗次數(shù)，降低消費本錢、縮短新車研發(fā)周期。隨著CAE運用深度及廣度的提高，實現(xiàn)CAE任務(wù)的規(guī)范化和制度化是提升企業(yè)的技術(shù)才干和市場競爭力的有力保證。汽車CAE技術(shù)的運用熱點動力學(xué)支配穩(wěn)定性分析---運用多體系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件〔MBS〕，ADAMS及CarSim；NVH性能分析---低頻振動和高頻噪聲〔剛彈耦合、聲固耦合〕；疲勞耐久性分析---加速疲勞設(shè)計驗證方法；碰撞平安性分析---以LSDYNA為代表的顯式有限元軟件來模擬；流場分析及熱管理---基于計算流膂力學(xué)〔CFD〕；多目的優(yōu)化、多物理場耦合、多性能協(xié)調(diào)分析；……汽車構(gòu)造有限元分析1)

汽車設(shè)計中對一切構(gòu)造件、主要零部件的強度、剛度和穩(wěn)定性分析2)

汽車構(gòu)造件或零部件的優(yōu)化設(shè)計，如以汽車質(zhì)量或體積為目的函數(shù)的最優(yōu)設(shè)計，還有對比分析中的參數(shù)化設(shè)計和外形優(yōu)化；3)

對汽車構(gòu)造件進展模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、諧呼應(yīng)分析和呼應(yīng)譜分析，為構(gòu)造的動態(tài)設(shè)計提供方便有效的工具；4)

汽車零部件及整車的疲勞分析，在概念或詳細設(shè)計階段估計產(chǎn)品的壽命或是分析部件損壞的緣由；5)

車身內(nèi)的聲學(xué)設(shè)計，將車身構(gòu)造模態(tài)與車身內(nèi)聲模態(tài)耦合，評價乘員感受的噪聲并進展噪聲控制；6)

車身空氣動力學(xué)計算，處理高速行駛中的升力、阻力和湍流等問題，為汽車性能和外型設(shè)計效力；7〕汽車碰撞歷程仿真和乘員平安維護分析，提高汽車構(gòu)造的被動平安性。汽車結(jié)構(gòu)有限元分析||標準分析流程有限元根本方法構(gòu)造離散化離散成有限個單元單元之間經(jīng)過節(jié)點相連問題變成求節(jié)點位移有限個自在度網(wǎng)格越密精度越高計算時間越長所需計算機資源越大單元節(jié)點位移用矢量單元種類很多構(gòu)造單元節(jié)點網(wǎng)格單元分析假設(shè)位移方式得到假設(shè)的位移函數(shù)矩陣［N］任一點的位移用節(jié)點位移表示單元力學(xué)特性分析由幾何方程得到應(yīng)變矢量〔［B］為應(yīng)變矩陣〕由物理方程得應(yīng)力由虛位移原理得到單元剛度矩陣節(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系單元e節(jié)點力單元e節(jié)點位移整體分析單剛迭加構(gòu)成總剛［K］單元節(jié)點力矢量迭加構(gòu)成構(gòu)造節(jié)點力矢量構(gòu)成構(gòu)造線性方程組約束處置并求解方程處置位移約束條件求解線性方程組的全部節(jié)點位移根據(jù)所求節(jié)點位移計算應(yīng)力分量有限元運用實例〔一〕汽車平安氣囊計算有限元運用實例〔二〕有限元運用實例〔九〕汽車碰撞1有限元運用實例〔十〕汽車碰撞2有限元構(gòu)造分類和計算步驟構(gòu)造分類平面問題平面應(yīng)力平面應(yīng)變軸對稱問題桿系構(gòu)造桁架〔平面、空間〕剛架〔平面、空間〕板殼構(gòu)造空間實體構(gòu)造組合構(gòu)造建立力學(xué)模型計算過程前處置－建立計算模型建立幾何模型劃分單元網(wǎng)格選擇單元類型劃分網(wǎng)格給定資料常數(shù)給定單元實常數(shù)施加載荷處置邊境條件提交計算后處置察看分析位移結(jié)果察看分析各種應(yīng)力其它結(jié)果常用有限元分析軟件引見從二十世紀60年代中期以來，進展了大量的實際研討，不但拓展了有限單元法的運用領(lǐng)域，還開發(fā)了許多通用或公用的有限元分析軟件。有限元法得以飛速開展的一個重要緣由就是在工程實踐中提出了一大批重要問題需求進展分析：航空、機械制造、土木工程、冶金、核能、地震、氣候…常用大型通用有限元軟件ADINA、ABAQUS、ANSYS、MSC/Marc、MSC/Nastran一些公用有限元軟件LS_DYNA、PAM-CRASH、MSC/Dytran(碰撞〕Autoform、DYNAFORM、、PAM-STAMP〔沖壓〕、DEFORM(體積成形)、SysWeld〔焊接〕MOLDFLOW(注塑)、ProCast(鑄造)、AdvantEdge(切削)SimFact(體積成形)ADINAAutomaticdynamicincrementalnonlinearanalysis1975年K.J.Bathe(Wilson的學(xué)生)在美國MIT興辦ADINA公司大型通用非線性分析軟件(注：20世紀60年代美國加州大學(xué)Wilson教授主持開發(fā)了第一個大型通用構(gòu)造分析程序SAP)ADINA

adina/ABAQUS1978年，三位著名學(xué)者Hibbitt,Karlsson和Sorensen成立HKS公司，推出有限元產(chǎn)品為ABAQUS?？偛课挥诿绹牧_德島州〔RhodeIsland〕。國際上最先進的大型通用有限元分析軟件之一。特別是它的非線性力學(xué)分析功能具有世界領(lǐng)先程度。兩個主要分析模塊：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit國內(nèi)清華大學(xué)工程力學(xué)系提供技術(shù)支持和效力。(公司)ABAQUS

abaqus/ANSYS開展歷程ANSYS中國

：//ansys/MSC/Nastran1963年，R.MacNeal博士和R.Schwendler興辦MSC公司1964年，MSC承當美國航空航天局〔NASA〕工程，主持NASTRAN的開發(fā)1971年，MSC推出專利版MSC/NASTRAN1989年,發(fā)布經(jīng)艱苦改良的MSC/NASTRAN661994年，MSC公司發(fā)布了經(jīng)艱苦改良的MSC/NASRANV68版1994年，MSC與PDAE合并,構(gòu)成了以MSC/NASTRAN為中心的MSC產(chǎn)品系列如：MSC.PATRAN、MSC.THERMAL、MSC.FATIGUE等1997年,MSC/NASTRANV70版2001年,MSC/NASTRAN2001版航空航天領(lǐng)域的規(guī)范化構(gòu)造分析軟件MSC/Marc1967年美國布朗大學(xué)力學(xué)系的PedroMarcal教授創(chuàng)建Marc公司大型通用非線性分析軟件后因運營上的問題，被MSC公司并購MSC中國

mscsoftware/DYNA3D1976年由LawrenceLivermore國家實驗室的JohnHallguist博士發(fā)布顯式有限元實際和程序的鼻祖，其獨特的算法非常適宜求解碰撞、爆炸、金屬成形等高度非線性問題。目前情況被法國ESI公司商品化為PAMCRASH1989Hallguist推出商業(yè)化版本LS-DYNA(3D)Dynaform-PC,Ansys/LS-DYNA幾種通用有限元軟件的比較軟件一般結(jié)構(gòu)非線性爆炸與沖擊電磁場溫度場流體力學(xué)多場耦合易用性使用范圍二次開發(fā)MSC.NASTRAN5303532152MSC.MARC5503533355ABAQUS5543533455ANSYS5405545555ADINA5503544251〔5分制：強5弱1易5難1廣5小1〕有限元軟件的主要開展趨勢并行運算單元庫、資料庫多物理場耦合、多體耦合、多尺度耦合分析增進前后處置才干及與CAD軟件的集成技術(shù)優(yōu)化技術(shù)有限元分析的作用及位置現(xiàn)代工業(yè)的提高，完全得力于計算機科技的突飛猛進。將計算機、計算機軟件運用于產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計、分析與制造，已成為近代工業(yè)提升競爭力的主要方法。CADCAMCAECAE：在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，利用計算機進展建模及性能仿真分析有限元法是CAE的最主要方法，是處置各種復(fù)雜工程問題的重要分析手段，也是進展科學(xué)研討的重要工具。利用有限元分析可以獲取幾乎恣意復(fù)雜工程構(gòu)造的各種機械性能信息，可以直接就工程設(shè)計進展各種評判及優(yōu)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量。一個新產(chǎn)品的問題有60%以上可以在設(shè)計階段消除，假設(shè)人們有先進的準確分析手段。目前，國際上有90%以上