1、內(nèi)容綱要,一、CAE與FEM 二、CAE在汽車NVH方面的應(yīng)用 三、我研究生階段的工作,一、 CAE與FEM,1、CAE概念 Computer Aided Engineering, 即計算機輔助工程。用計算機對工程和產(chǎn)品的功能、性能、安全可靠性等進行計算、分析、優(yōu)化設(shè)計，對其未來的工作狀態(tài)和運行行為進行模擬仿真，以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，改進和優(yōu)化設(shè)計方案，證實未來工程/產(chǎn)品的各項性能是否達到設(shè)計指標(biāo)。,CAE,FEM,BEM,SEA,MB,一、 CAE與FEM,2、FEM概念 Finite Element Method, 即有限單元法。是對物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是對真實情況的數(shù)值近似。

2、通過劃分單元，求解有限個數(shù)值來近似模擬真實環(huán)境的無限個未知量。,歷史典故 有限元法最早源于航空工程中飛機結(jié)構(gòu)的矩陣分析。 1965年，津基藏(O.C.Zienkiewicz)等人將該法加以推廣，宣布有限單元法適用于所有按變分形式進行計算的場問題，使有限元法得到廣泛地推廣和應(yīng)用。,定義,一、 CAE與FEM,真實系統(tǒng),有限元模型,有限元模型 是真實系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象。,定義,一、 CAE與FEM,節(jié)點: 空間中的坐標(biāo)位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。,單元: 一組節(jié)點自由度間相互作用的數(shù)值、矩陣 描述（稱為剛度或系數(shù)矩陣)。單元有線、 面或?qū)嶓w以及二維或三維的單元等種類。,有限元模型由

3、一些簡單形狀的單元組成，單元之間通過節(jié)點連接，并承受一定載荷和約束。,約束,一、 CAE與FEM,.,.,.,.,.,.,常用單元的形狀,點 (質(zhì)量),線(彈簧，梁，桿，間隙),面 (薄殼, 二維實體, 軸對稱實體),線性,二次,體(三維實體),線性,二次,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,一、 CAE與FEM,自由度(DOFs) 用于描述一個物理場的響應(yīng)特性。,結(jié)構(gòu) DOFs,ROTZ,UY,ROTY,UX,ROTX,UZ,定義,一、 CAE與FEM,3、FEM計算思路,物體離散化,分析對象,機構(gòu)，

4、建筑，單個零件，機 械系統(tǒng)，聲場，電磁場,離散成各種單元組成的計算模型。 連續(xù)問題，變成離散問題；無限 自由度問題，變成有限自由度問 題。計算結(jié)果是實際情況的近似。,單元特性分析,選擇位移模式 分析單元的力學(xué)性質(zhì) 計算等效節(jié)點力,單元組集,求解未知節(jié)點位移,由分到合,利用平衡邊界條件把各單元重新 連接起來，形成整體有限元方程,一、 CAE與FEM,4、CAE基本流程,前處理,分析計算,后處理,前處理：建模，單元選擇和設(shè)置，材料定義，截面定義，網(wǎng)格劃分等，添加邊界條件等,分析計算：靜力分析，接觸分析，瞬態(tài)分析，模態(tài)分析，諧波分析，譜分析，聲學(xué)分析，熱分析，電磁場分析等,后處理：提取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)運算

5、，繪制曲線、云圖，計算結(jié)果評價，導(dǎo)出數(shù)據(jù)等,一、 CAE與FEM,建立模型：（有限元分析的關(guān)鍵）,步驟： （1）抽象物理模型：靜力學(xué)、動力學(xué)、聲學(xué)等 （2）幾何模型：點、線、面、實體 （3）有限元（邊界元）模型具體化的、可視化、形象化的數(shù)學(xué)模型。,F,前處理過程,Objective,一、 CAE與FEM,建模方法：實體建模和直接生成,對于龐大或復(fù)雜的模型，特別是對三維實體模型更合適。 相對而言需要處理的數(shù)據(jù)少一些 支持使用布爾運算以順序建立模型 便于使用優(yōu)化設(shè)計功能 能使用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分 便于進行局部網(wǎng)格細(xì)化 便于改變單元類型,實體建模的缺點：,需要人工參與進行幾何簡化、清理和修改，使模型便于

6、網(wǎng)格劃分。 對于小型、簡單模型有時很繁瑣，比直接生成需要更多的數(shù)據(jù)。 在特定條件下可能會失敗（程序不能生成有限元網(wǎng)格）,實體建模的優(yōu)點：,一、 CAE與FEM,對小型或簡單模型的生成較方便 使分析人員能完全控制模型幾何形狀及每個節(jié)點和單元的編號,除最簡單的模型外往往比較耗時 不能用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分 使優(yōu)化設(shè)計變得不方便 改進網(wǎng)格劃分十分困難 劃分網(wǎng)格過程中容易出錯,直接生成的缺點：,直接生成的優(yōu)點：,一、 CAE與FEM,單元選擇：,單元庫,質(zhì)量單元,彈簧單元,梁單元,殼單元,實體單元,流體單元,模擬對象,質(zhì)量部件,彈性部件,桿、梁狹長件,薄殼部件,所有分析對象,空氣、水,Mass21,Comb

7、in14,Beam4、Beam44、Beam188,Shell63、Shell163,Solid45、Solid92、Solid95,合理選擇,根據(jù)分析目標(biāo)、對象幾何特性、物理特性、精度要求、簡化原則來合理選擇,Objective,一、 CAE與FEM,準(zhǔn)則,在結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)決定單元類型的選擇。 選擇維數(shù)最低的單元去獲得預(yù)期的結(jié)果 (盡量做到能選擇點而不選擇線，能選擇線而不選擇平面，能選擇平面而不選擇殼，能選擇殼而不選擇三維實體). 對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)考慮建立兩個或者更多的不同復(fù)雜程度的模型。你可以建立簡單模型，對結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)或采用不同分析選項作實驗性探討。 在許多情況下，相同的網(wǎng)

8、格劃分，采用更高階類型的單元可以得到更好的計算結(jié)果，但計算時間會增加。,單元選擇準(zhǔn)則：,一、 CAE與FEM,材料定義： 彈性模量、密度、阻尼 截面定義： 梁單元截面(標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn))、殼單元截面。 網(wǎng)格劃分: 根據(jù)分析問題的不同，分析對象的不同，分析精度要求的不同，網(wǎng)格劃分 的要求也不同。包括：自由劃分和映射劃分。 網(wǎng)格類型： 三角形、四邊形、四面體、塊（三菱柱和六面體）網(wǎng)格。 評價指標(biāo)： 三角形 四邊形,Element Length Interior Angle Aspect Ratio, Skew Angle Wrap Angle Chordal Deviation,一、 CAE與FEM,

9、網(wǎng)格類型的選擇： 針對平面或者三維殼體分析模型而言，四邊形單元和三角形單元是有差別 的，下表列出了這些差異。,一、 CAE與FEM,實際工程中很少采用全三角形單元網(wǎng)格劃分，給面進行單元網(wǎng)格劃分的實 質(zhì)問題是允許模型中哪些地方、存在多少三角形單元網(wǎng)格。實際上， 各處存在三角形單元會相當(dāng)麻煩，但是應(yīng)當(dāng)仔細(xì)思考下列問題: 如果采用更高階單元，三角形單元的計算精度接近于二次單元。所以，全 部采用二次單元網(wǎng)格也是沒有什么理由的。 如果采用線性單元，三角形單元就十分糟糕- 但是，不這樣會使四邊形 單元網(wǎng)格扭曲。除了重要的結(jié)構(gòu)外，大部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分允許包含少數(shù) 三角形單元網(wǎng)格 。,一、 CAE與FEM,對

10、三維實體分析模型而言，六面體單元和四面體單元是的差別如下表,一、 CAE與FEM,建立三維實體模型需要作出下列選擇： 使用四面體單元劃分網(wǎng)格 采用簡便方法建立實體模型。 選用二次單元或者 p單元。 或 者 使用塊單元劃分單元網(wǎng)格 選用塊單元網(wǎng)格建立實體模型。通常需要花費更多時間和精力。 劃分子區(qū)域 連接處理 延伸 采用任何塊單元。,一、 CAE與FEM,單元尺寸的控制： 單元尺寸越小，網(wǎng)格就越密，分析精度就越高，但分析時間也就越長， 占用存儲空間也越大。,缺省單元尺寸 設(shè)置全局單元尺寸 使用智能網(wǎng)格尺寸 指定關(guān)鍵點附近的單元尺寸 指定線上單元尺寸或劃分?jǐn)?shù),Objective,一、 CAE與FE

11、M,添加邊界條件：（有限元分析的難點）,在關(guān)鍵點處約束,幾何模型,沿線均布的壓力,在節(jié)點處約束,在節(jié)點加集中力,模擬實際工況對模型施加載荷和添加約束（可在幾何模型或 FEM模型上添 加載荷和約束）,Objective,一、 CAE與FEM,載荷分類,Objective,ANSYS中的載荷可分為: 自由度DOF - 定義節(jié)點的自由度（ DOF ） 值 (結(jié)構(gòu)分析_位移、熱分析_ 溫度、電磁分析_磁勢等) 集中載荷 - 點載荷 (結(jié)構(gòu)分析_力、熱分析_ 熱導(dǎo)率、電磁分析_ magnetic current segments) 面載荷 - 作用在表面的分布載荷 (結(jié)構(gòu)分析_壓力、熱分析_熱對流、電磁

12、分析_magnetic Maxwell surfaces等) 體積載荷 - 作用在體積或場域內(nèi) (熱分析_ 體積膨脹、內(nèi)生成熱、電磁分析_ magnetic current density等) 慣性載荷 - 結(jié)構(gòu)質(zhì)量或慣性引起的載荷 (重力等),靜力分析 用于求解靜力載荷作 用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化。包括 線性和非線性分析。 模態(tài)分析 用于計算結(jié)構(gòu)的固有 頻率和模態(tài)。 譜分析 是模態(tài)分析的擴展，用 于計算由于隨機振動引起的結(jié)構(gòu)位 移、應(yīng)力和應(yīng)變 (也叫作 響應(yīng)譜或 PSD).,分析計算（結(jié)構(gòu)分析類型）,一、 CAE與FEM,諧波分析 確定線性結(jié)構(gòu)對隨時 間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng). 瞬態(tài)分析

13、 確定結(jié)構(gòu)對隨時間任 意變化的載荷的響應(yīng). 可以考慮與靜 力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為. 屈曲分析 用于計算線性屈曲載 荷并確定屈曲模態(tài)形狀. (結(jié)合瞬態(tài) 動力學(xué)分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分 析). 專項分析 斷裂分析, 復(fù)合材料 分析，疲勞分析,一、 CAE與FEM,結(jié)果文件,結(jié)果數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫,求解器,結(jié)果,輸入數(shù)據(jù),求解,一、 CAE與FEM,后處理階段,提取數(shù)據(jù) 任一工況下，任一節(jié)點或單元的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等,數(shù)據(jù)運算 若干組數(shù)據(jù)間的數(shù)學(xué)運算（加減乘除），數(shù)據(jù)的積分、微分、數(shù)乘等,繪制曲線,一、 CAE與FEM,繪制云圖,一、 CAE與FEM,識別無效的分析結(jié)果 調(diào)試可疑的分析結(jié)果 誤差估計,

14、計算結(jié)果評價,導(dǎo)出數(shù)據(jù),一、 CAE與FEM,3、CAE軟件 結(jié)構(gòu)分析用常用前后處理器： HyperMesh、MSC/PATRAN、FEMAP等 機構(gòu)分析軟件： ADAMS 隱式線性和非線性結(jié)構(gòu)分析軟件： ABAQUS、MSC/MARC、ANSYS、ADINA、MSC/NASTRAN、I-DEAS 顯式非線性結(jié)構(gòu)分析軟件： LS-DYNA、PAM-CRASH等,一、 CAE與FEM,計算流體力學(xué)分析軟件：FLUENT、FIRE、SWIFT、FAME 專業(yè)噪聲音響分析軟件：SYSNOISE、AutoSEA 其他針對具體分析對象的分析軟件：AWS(AVL),一、 CAE與FEM,二、CAE在汽車N

15、VH方面的應(yīng)用,MTS應(yīng)用實例,Idle Shake Prediction for 4 Cylinder Front Wheel Drive Vehicle,For 4 cylinder engine idle shake caused by second order engine firing exciting vehicle bending and steering column modes Forces are input to vehicle through engine mounts and suspension Frequency range of response is typi

16、cally between 20-30 Hz or 600-900 RPM,Idle Shake Phenomenon,Sub-System Contributions,High response levels can result from two sources High forces into the body Engine Excitation Engine Mount Stiffness Body Dynamics Frequency of body bending and steering column modes Identify modes that produce highe

17、st response (A/F),Idle Shake Solution Approach,Vehicle Level Performance Metrics Steering wheel vertical and lateral acceleration Compare response to target levels Model FE model of total vehicle Suspension model consists of rigid elements and springs for bushing stiffness Engine as rigid elements w

18、ith springs for mounts Analysis Load path analysis to quantify paths Mode shape analysis to identify contributing modes Sub-system Design Recommendations,Baseline Idle Shake Response,Peak response at 735 RPM(24 Hz) and 910 RPM (30.7 Hz) Response is above target Idle speed range is between 700-900 RP

19、M,Baseline,Target,Steering Column Vertical Response,Idle Speed Range,Idle Shake Solution Approach,Vehicle Level Performance Metrics Steering wheel vertical and lateral acceleration Compare response to target levels Model FE model of total vehicle Suspension model consists of rigid elements and sprin

20、gs for bushing stiffness Engine as rigid elements with springs for mounts Analysis Load path analysis to quantify paths Mode shape analysis to identify contributing modes Sub-system Design Recommendations,Total Vehicle FE Model,Total vehicle model includes 32K elements and 30K nodes Steering column

21、response predicted for 2nd EO unbalance force and torque fluctuations Engine mount forces calculated for idle shake to identify load paths Identify modes contributing to response,Idle Shake Solution Approach,Vehicle Level Performance Metrics Steering wheel vertical and lateral acceleration Compare r

22、esponse to target levels Model FE model of total vehicle Suspension model consists of rigid elements and springs for bushing stiffness Engine as rigid elements with springs for mounts Analysis Load path analysis to quantify paths Mode shape analysis to identify contributing modes Sub-system Design R

23、ecommendations,Identify Important Load Paths,Response due to vertical engine mount forces is the largest Right Hand engine mount vertical and F/A forces produce the highest response RH and FR mount forces produce 75% of response Reduce RH mount force and sensitivity of steering column response to ve

24、rtical input at right mount,All Engine Mounts,RH Mt Fx+Fz,FR Mt Fx + RH Mt Fx + Fz,Steering Column Vertical Response due to Engine Mounts,Identify Contributing Modes,Minimum response between 1st bending and steering column vertical bending mode Response is minimized by reducing body bending frequenc

25、y and increasing steering column vertical bending mode After idle speed is set, tune steering column frequency to minimize response,Optimum Idle Speed,Steering Column Response,Body Bending Mode,All Modes,Steering Column Bending,Idle Shake Solution Approach,Vehicle Level Performance Metrics Steering wheel vertical and lateral acceleration Compare response to target levels Model FE model of total vehicle Suspension model consists of rigid elements and springs for bushing s