1、有限元在汽車工程中的應(yīng)用摘 要：現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展,計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷推陳出新,使分析仿真技術(shù)以其快速高效和低成本的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì),成為汽車設(shè)計(jì)的重要手段,各種分析軟件成為CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用的工具。關(guān)鍵詞：有限元分析 汽車 CAE技術(shù)1. 前言汽車由底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、車身三大總成構(gòu)成。在這三大總成中，車身總成比底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)總成要復(fù)雜得多，車身的設(shè)計(jì)過(guò)程也相對(duì)復(fù)雜，涉及到工業(yè)造型、工程材料、生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)力學(xué)、人機(jī)工程等眾多學(xué)科。所以直到今日，車身設(shè)計(jì)尚無(wú)通用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的設(shè)計(jì)過(guò)程可以遵循。CAE技術(shù)將“基于物理樣機(jī)試驗(yàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法”帶入基于“虛擬樣機(jī)仿真的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”,大幅縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,并可

2、以獲得比試驗(yàn)更多的數(shù)據(jù)。2. 正文隨著中國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展,自主品牌轎車日漸成為國(guó)內(nèi)汽車廠家的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo),轎車數(shù)字化設(shè)計(jì)成為必經(jīng)之路。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法表明,產(chǎn)品設(shè)計(jì)雖然只占產(chǎn)品整個(gè)成本的5%,但它卻影響整個(gè)成本的70%,CAE模擬分析技術(shù)可以很好地解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的問題,并做到快速修正。在汽車底盤設(shè)計(jì)中,后橋設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。由于后橋零部件受力比較復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián),在概念設(shè)計(jì)完成后,只有通過(guò)CAE仿真分析,才可以快速、全面了解后橋各零部件受力和相互影響情況,并指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì),以保證后橋零部件具有足夠的剛度和強(qiáng)度,同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)型式要求。在汽車發(fā)展歷史上，至今還沒有什么技術(shù)能與CAE技術(shù)相比，為汽車企業(yè)帶來(lái)巨大的

3、回報(bào)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，應(yīng)用CAE 技術(shù)后，新車開發(fā)期的費(fèi)用占開發(fā)成本的比例從80%90%下降到8%12%。例如：美國(guó)福特汽車公司2000年應(yīng)用CAE后，其新車型開發(fā)周期從36個(gè)月降低到1218個(gè)月；開發(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。2.1有限元方法在汽車上的應(yīng)用有限元方法在汽車上主要有以下幾種應(yīng)用:(1) 結(jié)構(gòu)靜力分析:

4、這是在車輛及其發(fā)動(dòng)機(jī)的各種零部件設(shè)計(jì)中最常見的問題，也是應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域，即分析計(jì)算結(jié)構(gòu)與時(shí)間無(wú)關(guān)的應(yīng)力分布與變形情況。例如齒輪輪齒、鋼板彈簧、車架、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸套、進(jìn)(排)氣閥、活塞、飛輪的靜力分析。(2)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題:可分為兩類問題:一類是求解結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性，如固有頻率、振型等，這對(duì)分析與解決振動(dòng)問題是十分重要的；另一類是強(qiáng)迫響應(yīng)分析，即結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷的作用下的響應(yīng)，這較靜力分析更接近于車輛及其發(fā)動(dòng)機(jī)中的許多零部件的實(shí)際工作情況，但一般計(jì)算量也將增加許多倍。隨著對(duì)環(huán)境問題的日益重視，在車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中已普遍采用各種分析工具，采取各種有效措施，來(lái)改善和減少車輛的振動(dòng)和噪聲。

5、例如車輛動(dòng)力裝置的動(dòng)態(tài)性分析等。(3)溫度場(chǎng)分析:分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的分布情況以及熱應(yīng)力和熱變形的情況，包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的問題，例如可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞、氣缸蓋等燃燒室附近的零部件。在進(jìn)行這類零部件的強(qiáng)度剛度分析計(jì)算時(shí)，不僅要考慮機(jī)械負(fù)荷.而且還要同時(shí)考慮熱負(fù)荷。(4)流場(chǎng)分析:是有限元方法在流體力學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。一般流場(chǎng)分析是非線性問題，較為復(fù)雜。解決流體力學(xué)中的問題應(yīng)用較多的是有限差分法與可以認(rèn)為是介于有限差分法和有限元方法之間的有限容積法。這一類問題的應(yīng)用實(shí)例有:車輛外形對(duì)行駛阻力的影響的分析、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的分析等。其他還有斷裂力學(xué)問題、接觸問題等，例如為提高車輛的安全性而進(jìn)行的車輛碰

6、撞情況的動(dòng)態(tài)模擬等。2.2車身有限元分析中難點(diǎn)及解決方法建立車身有限元模型時(shí)要如實(shí)反映車身實(shí)際結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)特性，保證較高的計(jì)算精度。有限元分析計(jì)算結(jié)果的可信度高低，直接受分析模型、載荷處理、約束條件等和實(shí)際工程結(jié)構(gòu)力學(xué)特性符合程度的影響，若有失誤則會(huì)造成很大誤差，嚴(yán)重時(shí)將使計(jì)算、分析失敗。一般而言，網(wǎng)格剖分需要經(jīng)過(guò)以下步驟：首先在有限元分析軟件中建立零部件的幾何模型，而后利用有限元分析軟件選取適當(dāng)?shù)膯卧獙?duì)幾何模型進(jìn)行自動(dòng)剖分；也可以用手工剖分的方法直接給出各個(gè)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，然后利用結(jié)點(diǎn)構(gòu)造單元，最終形成網(wǎng)絡(luò)。汽車車身一般是薄鋼板焊接或鉚接的整體結(jié)構(gòu)，所以在進(jìn)行有限元分析時(shí)，一般而言，也是將車身作

7、為一個(gè)整體來(lái)考慮。非承載式與半承載式車身通過(guò)車架與板簧支座相連；承載式車身直接與板簧支座相連。所以車身的邊界條件就體現(xiàn)為板簧支座的位移在有些情況下，我們更關(guān)心車身局部的受力、變形或振動(dòng)情況。例如，計(jì)算車身側(cè)撞時(shí)中立柱的受力。這時(shí)，就需要確定單個(gè)零部件的邊界條件。確定單個(gè)零部件的邊界條件大概分為兩步。首先將車身作為一個(gè)整體，選取較稀疏的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，得到零部件處的位移，然后將該位移施加在具體零部件的邊界，作為該零部件的邊界條件。我們也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定邊界條件。即在實(shí)驗(yàn)樣車的具體部位貼應(yīng)變片，然后使實(shí)驗(yàn)樣車處于指定工況，將應(yīng)變片所測(cè)得的數(shù)據(jù)作為零部件得邊界條件。車身結(jié)構(gòu)的有限元分析既可對(duì)已用于加

8、工中的車身進(jìn)行強(qiáng)度與剛度分析，又可對(duì)正在設(shè)計(jì)的車身進(jìn)行仿真，通過(guò)應(yīng)力與位移分析，找到設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，達(dá)到改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的。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

9、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)提供了方便。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。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

10、，計(jì)算方法越來(lái)越科學(xué)性，CAE在汽車的NVH開發(fā)設(shè)計(jì)當(dāng)中所發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。在汽車開發(fā)設(shè)計(jì)的初期，就以及開始了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)先得到新開發(fā)車型的NVH性能指標(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，還是從開發(fā)周期上考慮，都為車廠更快、更好地開發(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)開發(fā)所不可或缺的工具。在IDEAS CAE模塊中建立整車模型，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，在保證強(qiáng)度的前提下，進(jìn)行減重設(shè)計(jì)、部件優(yōu)化。3.總結(jié)有限元法是一種用于結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值分析方法，是CAD系統(tǒng)的重要組成部分，在車身設(shè)計(jì)中充分應(yīng)用有限元分析技術(shù)可以改善設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高了設(shè)計(jì)的一次成功率，從而可以提高汽車廠家的自主開發(fā)能力。從昌河公司應(yīng)用有限元分析的實(shí)際情況來(lái)看，有限元分析在車身零部件和車