汽车有限元法

汽车有限元法第一章概论

1-1有限元法概述1-2有限元法在汽车工程中的应用有限元法概述

------FiniteElementMethocd/FiniteElementAnalysis(FEM/FEA)有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅在有限个节点上相连接，亦即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体。由于有限单元的分割和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的几何形状，处理不同的边界条件。单元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型单元。节点一般都在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集合体。

有限元法概述有限元法直接为产品设计服务，与工程应用密切相关。而且有限元法的物理概念十分清晰，容易为工程技术人员所理解。大型集成化通用软件的普及与推广，应用有限元法进行一般工程结构分析成为相对容易的技术工作。但是，为了正确地使用通用程序，做好数据前后处理工作，掌握分析方法，都需要对有限元基本理论有一定程度的理解。随着计算机辅助工程（CAE）溶入设计过程的进程加快，立足于设计前期的CAE技术，将有限元软件集成于CAD环境中，面向CAD软件的使用者，形成产品分析、设计、制造一体化，这也是工业生产的发展方向，有限元法在其中则起着重要的作用。结构有限元模型结构有限元模型实例结构有限元模型实例结构有限元模型实例结构有限元分析重要性汽车CAE技术的应用面向整车开发的全过程，在汽车开发过程（概念设计-详细设计-样机验证-定型生产）中实现全过程、整车及部件级虚拟样机仿真，减少原型车试验次数，降低生产成本、缩短新车研发周期。随着CAE应用深度及广度的提高，实现CAE工作的规范化和制度化是提升企业的技术能力和市场竞争力的有力保证。

汽车CAE技术的应用热点

动力学操纵稳定性分析---应用多体系统动力学分析软件（MBS），ADAMS及CarSim；NVH性能分析---低频振动和高频噪声（刚弹耦合、声固耦合）；疲劳耐久性分析---加速疲劳设计验证方法；碰撞安全性分析---以LSDYNA为代表的显式有限元软件来模拟；流场分析及热管理---基于计算流体力学（CFD）；多目标优化、多物理场耦合、多性能协调分析；……汽车结构有限元分析1)

汽车设计中对所有结构件、主要零部件的强度、刚度和稳定性分析2)

汽车结构件或零部件的优化设计，如以汽车质量或体积为目标函数的最优设计，还有对比分析中的参数化设计和形状优化；3)

对汽车结构件进行模态分析、瞬态分析、谐响应分析和响应谱分析，为结构的动态设计提供方便有效的工具；4)

汽车零部件及整车的疲劳分析，在概念或详细设计阶段估计产品的寿命或是分析部件损坏的原因；5)

车身内的声学设计，将车身结构模态与车身内声模态耦合，评价乘员感受的噪声并进行噪声控制；6)

车身空气动力学计算，解决高速行驶中的升力、阻力和湍流等问题，为汽车性能和造型设计服务；7）汽车碰撞历程仿真和乘员安全保护分析，提高汽车结构的被动安全性。

汽车结构有限元分析||标准分析流程有限元基本本方法结构离散化化离散成有限限个单元单元之间通通过节点相相连问题变成求节点位移移有限个自由由度网格越密精度越高计算时间越越长所需计算机机资源越大大单元节点位位移用矢量量单元种类很很多结构单元节点网格单元分析假设位移模模式得到假设的的位移函数数矩阵［N］任一点的位位移用用节点位移移表示单元力学特特性分析由几何方程程得到应变变矢量（［［B］为应应变矩阵））由物理方程程得应力由虚位移原原理得到单单元刚度矩矩阵节点力和和节点位位移的关系系单元e节点力单元e节点位移整体分析单刚迭加形形成总刚［［K］单元节点力力矢量迭加加形成结构构节点力矢矢量形成结构线线性方程组组约束处理并并求解方程程处理位移约约束条件求解线性方方程组的全全部节点位位移根据所求节节点位移计计算应力分分量有限元应用用实例（一一）汽车安全气气囊计算有限元应用用实例（二二）有限元应用用实例（九九）汽车碰撞1有限元应用用实例（十十）汽车碰撞2有限元结构构分类和计计算步骤结构分类平面问题平面应力平面应变轴对称问题题杆系结构桁架（平面面、空间））刚架（平面面、空间））板壳结构空间实体结结构组合结构建立力学模模型计算过程前处理－建建立计算模模型建立几何模模型划分单元网网格选择单元类类型划分网格给定材料常常数给定单元实实常数施加载荷处理边界条条件提交计算后处理观察分析位位移结果观察分析各各种应力其它结果常用有限元元分析软件件介绍从二十世纪纪60年代代中期以来来，进行了了大量的理理论研究，，不但拓展展了有限单单元法的应应用领域，，还开发了了许多通用或专用的有限元分分析软件。。有限元法得得以飞速发发展的一个个重要原因因就是在工工程实际中中提出了一一大批重要要问题需要要进行分析析：航空、机械械制造、土土木工程、、冶金、核核能、地震震、气象…常用大型通用有限元软件件ADINA、ABAQUS、ANSYS、MSC/Marc、MSC/Nastran一些专用有限元软件件LS_DYNA、PAM-CRASH、MSC/Dytran(碰碰撞）Autoform、、DYNAFORM、、PAM-STAMP（冲压））、DEFORM(体积积成形)、、SysWeld（焊接））MOLDFLOW(注塑)、ProCast(铸造)、AdvantEdge(切削)SimFact(体体积成形)ADINAAutomaticdynamicincrementalnonlinearanalysis1975年年K.J.Bathe(Wilson的学生生)在美国国MIT创创办ADINA公司司大型通用非非线性分析析软件(注：20世纪60年代美美国加州大大学Wilson教教授主持开开发了第一个大型通用结结构分析程程序SAP)ABAQUS1978年年，三位著著名学者Hibbitt,Karlsson和Sorensen成立HKS公司司，推出有有限元产品品为ABAQUS。。总部位于于美国的罗罗德岛州（（RhodeIsland）。国际上最先先进的大型型通用有限限元分析软软件之一。。特别是它它的非线性性力学分析析功能具有有世界领先先水平。两个主要分分析模块：：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit国内清华大大学工程力力学系提供供技术支持持和服务。。(公司)ANSYS发展历程程MSC/Nastran1963年年，R.MacNeal博博士和R.Schwendler创创办MSC公司1964年年，MSC承担美国国航空航天天局（NASA）项项目，主持持NASTRAN的开发1971年年，MSC推出专利利版MSC/NASTRAN1989年年,发布布经重大改改进的MSC/NASTRAN661994年年，MSC公司发布布了经重大大改进的MSC/NASRANV68版1994年年，MSC与PDAE合并,形成了以以MSC/NASTRAN为核心心的MSC产品品系列如：MSC.PATRAN、、MSC.THERMAL、、MSC.FATIGUE等等1997年年,MSC/NASTRANV70版2001年年,MSC/NASTRAN2001版航空航天领领域的标准准化结构分分析软件MSC/Marc1967年年美国布朗朗大学力学学系的PedroMarcal教授授创立Marc公司司大型通用非非线性分析析软件后因经营上上的问题，，被MSC公司并购购DYNA3D1976年年由LawrenceLivermore国国家实验验室的JohnHallguist博士发布布显式有限元元理论和程程序的鼻祖，其独特的的算法非常常适合求解解碰撞、爆爆炸、金属属成形等高高度非线性性问题。目前状况被法国ESI公司商商品化为PAMCRASH1989Hallguist推出商商业化版本本LS-DYNA(3D)Dynaform-PC,Ansys/LS-DYNA几种通用有有限元软件件的比较软件一般结构非线性爆炸与冲击电磁场温度场流体力学多场耦合易用性使用范围二次开发MSC.NASTRAN5303532152MSC.MARC5503533355ABAQUS5543533455ANSYS5405545555ADINA5503544251（5分制：：强5弱1易易5难1广广5小小1）有限元软件件的主要发发展趋势并行运算单元库、材材料库多物理场耦耦合、多体体耦合、多尺度耦合合分析增进前后处处理能力及及与CAD软件的集集成技术优化技术有限元分析析的作用及及地位现代工业的的进步，完完全得力于于计算机科科技的突飞飞猛进。将将计算机、、计算机软软件应用于于产品的开开发、设计计、分析与与制造，已已成为近代代工业提升升竞争力的的主要方法法。CADCAMCAECAE：在产品的研研发过程中中，利用计计算机进行行建模及性性能仿真分分析有限元法是是CAE的的最主要方方法，是处理各种种复杂工程程问题的重重要分析手手段，也是是进行科学学研究的重重要工具。。利用有限限元分析可可以获取几几乎任意复复杂工程结结构的各种种机械性能能信息，可可以直接就就工程设计计进行各种种评判及优化，提高产品品品质。一个新产品品的问题有有60%以以上可以在在设计阶段段消除，如如果人们有有先进的精精确分析手手段。目前，国际际上有90%以上的的机械产品品和装备都都要采用有有限元方法法进行分析析，进而进进行设计修修改和优化化。有限元分析析已成为替替代大量实实物试验的的数值化““虚拟试验验”，基于于该方法的的大量计算算分析与典典型的验证证性试验相相结合可以以做到高效效率率和低成成本本。“虚虚拟拟试试验验””：头头部部撞撞伤伤是是交交通通事事故故中中的的常常见见伤伤害害，，由由于于包包括括伦伦理理在在内内多多种种原原因因，，很很难难对对头头部部受受伤伤机机制