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XXXXXXX摘 要：計算機輔助工程(CAE)作為一項跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來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)用也越來越廣泛。在汽車產(chǎn)品的研發(fā)過程中，CAE已經(jīng)成為設(shè)計鏈中必須的條件，沒有CAE分析的設(shè)計就不能進(jìn)入下一個技術(shù)流程。新產(chǎn)品開涉及到的疲勞、壽命、振動、噪聲等強度和剛度問題，可成熟地在設(shè)計階段解決，這樣就可以大幅度提高設(shè)計質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省大量開發(fā)費用。本文通過對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)在汽車工程的重要作用和影響，得出了CAE在汽車

2、工業(yè)發(fā)展更加重要，影響未來汽車的發(fā)展趨勢！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，至今還沒有什么技術(shù)能與CAE技術(shù)相比，為汽車企業(yè)帶來巨大的回報。統(tǒng)計結(jié)果表明，應(yīng)用CAE 技術(shù)后，新車開發(fā)期的費用占開發(fā)成本的比例從80%90%下降到8%12%。例如：美國福特汽車公司2000年應(yīng)用CAE后，其新車型開發(fā)周期從36個月降低到1218個月；開發(fā)后期設(shè)計修改率減少50%；原型車制造和試驗成本減少50%；投資收益提高50%。 汽車行業(yè)是一個高速發(fā)展的行業(yè)，其競爭也日趨激烈，在這種情況下，新產(chǎn)品推出的速度也越來越快，這也對行業(yè)的CAE應(yīng)用提出了越來越高的要求。CAE技

3、術(shù)為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價值地位的技術(shù)保障，可以為企業(yè)帶來巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。2. 正文汽車工業(yè)代表著一個國家制造業(yè)發(fā)展的水平，它不僅是帶動面最廣泛的工業(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)國家的支柱產(chǎn)業(yè)。作為制造業(yè)的中堅，汽車工業(yè)一直是CAE應(yīng)用的先鋒。CAE技術(shù)的應(yīng)用，有效地推動了汽車制造業(yè)的前進(jìn)；汽車業(yè)的需求也極大地帶動了CAE。多年來，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)注的焦點。CAE分析貫穿了汽車開發(fā)的全過程，小到螺栓預(yù)緊力分析，大到整車碰撞模擬和整車NVH（

4、噪聲、振動和聲振粗糙度）分析，CAE分析都發(fā)揮了無可替代的優(yōu)勢和作用。CAE分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、多體動力學(xué)、被動安全、工藝、整機合整車性能等方方面面。概括起來，目前汽車開發(fā)過程中的CAE分析主要包括以下幾個方面。2.1結(jié)構(gòu)強度、剛度和模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計車身是轎車的關(guān)鍵總成，車身結(jié)構(gòu)必須有足夠的強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，同時應(yīng)有合理的動態(tài)特性達(dá)到控制振動與噪聲的目的。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)計中對所有的結(jié)構(gòu)件、主要機械零部件的剛度、強度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析； 二是在汽車的計算機輔助設(shè)計

5、和優(yōu)化設(shè)計中，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進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時在計算機屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動模態(tài)，進(jìn)一步計算出各構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，較真實地描繪出動態(tài)過程，為結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計了提供方便。有限元分析在汽車結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用實踐證明可以從根本上提到車身設(shè)計水平，并降低研制周期和成本。32.2噪聲、振動與不平順性(NVH)的有限元分析 NVH是評價車輛舒適性的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的市場形象。NVH分析有助于匹配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重各子系統(tǒng)的振動頻率特性，以消除振動過程中耦合現(xiàn)象，從而改善產(chǎn)品的振動特性。噪音、振動分析包括動力總成的缸體模態(tài)、點的傳遞函數(shù)、靜負(fù)荷

6、強度及動態(tài)響應(yīng)、BIW動態(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的建模方法以及計算還處在摸索階段。但隨著計算機的能力及容量的越來越強大，計算結(jié)果的精度越來越準(zhǔn)確，計算方法越來越科學(xué)性，CAE在汽車的NVH開發(fā)設(shè)計當(dāng)中所發(fā)揮的作用也越來越大。在汽車開發(fā)設(shè)計的初期，就以及開始了NVH的各項規(guī)劃，甚至在樣車完成之前或設(shè)計圖紙完成之前，通過對現(xiàn)有車型的對比，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，對設(shè)計及制造的各個環(huán)節(jié)加以優(yōu)化及完善。無論是從設(shè)計成本上，還是從開發(fā)周期上考慮，都為車廠更快、更好地開發(fā)出新一代車型來提供了強有力的保障?？梢灶A(yù)測，NVH

7、的CAE技術(shù)，在汽車設(shè)計開發(fā)及改進(jìn)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用會越來越廣泛，而其本身也會越來越成熟，成為人們進(jìn)行汽車設(shè)計開發(fā)所不可或缺的工具。42.3碰撞與安全性分析私家汽車給人們帶來了便利，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)重問題。聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織（WHO）提交的最新報告顯示：近幾年全球每年因交通事故造成死亡的人數(shù)多達(dá)約120萬，另外還有數(shù)百萬人在汽車事故中受傷致殘。面對這個嚴(yán)重的問題，各國的工程技術(shù)人員都在不遺余力的提高汽車的安全性能。早期的被動安全性研究主要是通過大量的試驗來進(jìn)行，采用同樣的碰撞過程反復(fù)進(jìn)行

8、，收集數(shù)據(jù)。這樣的試驗方法需要相當(dāng)長的時間。發(fā)達(dá)國家每次汽車安全性能的試驗都需要手工打造幾十輛新車，人力、物力、財力都需要很大的消耗。伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，原來不可能完成的大量參數(shù)有限元計算成為可能。有限元計算分析方法運用到汽車的碰撞模擬仿真中，極大地降低了汽車的設(shè)計成本和研發(fā)周期，并且獲得更為精確的數(shù)據(jù)對汽車結(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為了提高汽車被動安全性能。對于汽車被動安全性能的要求，一是在碰撞時，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，確保車內(nèi)乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對乘員的保護(hù)功能，以保證乘員安全并在碰撞后容易進(jìn)行車外救

9、助和脫險。在汽車碰撞發(fā)生的極短時間內(nèi)，車身發(fā)生巨大的形變。這種形變伴隨著大位移、大轉(zhuǎn)動所引起的幾何非線性，又有各種材料發(fā)生大應(yīng)變時所表現(xiàn)的物理非線性(材料非線性)。所以很難通過常規(guī)的數(shù)學(xué)方法對其進(jìn)行求解，進(jìn)行實體碰撞試驗的數(shù)據(jù)很難進(jìn)行采集。本文論述了采用拉格朗日描述對物體的移動建立數(shù)學(xué)模型。通過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模型進(jìn)行整車偏置碰撞的模擬仿真，模擬了碰撞過程后車身的變形結(jié)果，得到了碰撞過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程中能量等參數(shù)的變化情況。將有限元方法運用在汽車碰撞問題的分析中，對汽車結(jié)構(gòu)安全性的改進(jìn)有一定指導(dǎo)意義。2.4整車性

10、能的分析評價與預(yù)測（黑體小4#） 在IDEAS CAE模塊中建立整車模型，通過強度、剛度計算，可以發(fā)現(xiàn)各個部件之間、各個系統(tǒng)的力的傳動關(guān)系，檢驗與設(shè)計目標(biāo)是否相符；通過模態(tài)分析，可以發(fā)現(xiàn)各個系統(tǒng)之間的頻率分布，指導(dǎo)NVH設(shè)計。結(jié)合Nastran SOL200 可以同時考慮模態(tài)、整體剛度、關(guān)鍵部位強度對各個部件的設(shè)計靈敏度等進(jìn)行計算，在保證強度的前提下，進(jìn)行減重設(shè)計、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)。通過在開發(fā)過程中開展CAE工作，提高了產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)費。概括起來，采用CAE的優(yōu)點如下： 1、 采用計算機輔助工程（CA

11、E）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)計試制測試改進(jìn)設(shè)計再試制的重復(fù)過程。減少了時間上的浪費、縮短了開發(fā)周期，減少了人力、物力和財力上的消耗而減低開發(fā)費用。 2、 國內(nèi)設(shè)計部門隨著三維設(shè)計的普及，為開展CAE工作奠定了基礎(chǔ)，使開展同時工程成為可能；同時，在開發(fā)過程中應(yīng)用CAE技術(shù)，也改變了CAD在開發(fā)中只進(jìn)行幾何模型定義，在開發(fā)同時進(jìn)行功能設(shè)計、性能設(shè)計。 3、 在產(chǎn)品開發(fā)過程中開展CAE工作，改變了傳統(tǒng)設(shè)計中的依靠經(jīng)驗進(jìn)行定性分析、缺少定量數(shù)據(jù)的設(shè)計方法，使產(chǎn)品減重、性能優(yōu)化成為可能；同時，采用CAE計算能在短時間內(nèi)嘗試和比較更多的設(shè)計方案，因而有可能獲得較佳甚至最優(yōu)的設(shè)計而提高開發(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)計研究 東南大學(xué)機械工程系 東南大學(xué)學(xué)報，1989.053 屈求真 轎車車身結(jié)構(gòu)的有限元分析與評價 湖北汽車工業(yè)學(xué)校 汽車工程 1996年第三期4 王嫣 韓永勝CAE技術(shù)在汽車碰撞中的研究與應(yīng)用 日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院