汽车结构的有限元计算模型.ppt

汽车结构的有限元计算模型,第一节 概述,Over,第二节 汽车结构计算模型,第三节 载荷与边界约束条件的处理,有限元法（FEM）虽然已很流行，但无需讳言，对于接触FEM时间不长的同学们来说，有限元方法仍难免有些神秘和高深莫测。,此前，我们学习了各种平面和空间单元，讨论了其位移模式、单元刚度矩阵的求取以及单元组集的方法等。对结构有限元分析问题的运算复杂性和手算低效的矛盾有了深刻印象和切身感受。,随着上机实践的进行，运算复杂性这一矛盾已迎刃而解。但是,我们还是不禁要问：FEM真的那么有用吗？它是屠龙妙术，还是一种实用技术？它在汽车工程中真有那么广泛的应用吗？,本节教学内容,FEM在现代汽车开发中的应用,汽车结构分析方法简述,FEM应用实例,FEM建模和使用软件进行结构分析的三点注意（重点）,第一节 概述,教学要求,明确FEM在现代汽车开发中应用的广泛性,熟悉FEM在汽车结构分析中的常见应用实例,深刻体会并积极实践“FEM建模和软件使用中的三点注意”,FEM决不是屠龙妙术，而是一门实用技术,早期的汽车设计和制造主要以经验和科学实验结合。,现代汽车的设计以数字化设计为主，综合应用先进的计算机辅助技术，如CAD、CAE（计算机辅助工程）、CAM，以缩短研发周期，降低设计成本，提高设计质量。,FEM在现代汽车开发过程中的应用,现代汽车开发过程（从概念到实物）,在这一过程中，有限元分析充当了重要角色具有不可或缺的作用,CAD技术的发展使三维设计和虚拟装配成为现实,汽车产品数字化开发是建立在计算机辅助技术（CAX）基础上的，其中，有限元分析充当了重要角色，具有不可或缺的作用,自20世纪80年代开始，在基于特征的CAD技术中，可以建立全参数驱动的三维模型，并以此为基础，对整体设计和部件进行有限元分析、运动分析、装配的干涉检查和NC自动编程等。,CAX与有限元分析充分融合已成趋势,CAE技术使结构分析和运动校核可以在设计阶段完成，避免了反复实验和试制！,CAM技术使设计数据直接用于加工，大大缩短了产品的制造周期。,这些技术的广泛应用使汽车产品开发发生了根本性的变革，使汽车产品也可以按照不断变化的客户需求进行及时响应，开发一个全新车型的周期已经从45年缩短到18个月左右。,如，有限元数值模拟板料冲压成形过程，可很好的预测成形缺陷。,新一代的 CAE 技术将不单纯是计算技术，它将和试验技术紧密地融合在一起，成为工程实用中更加可靠的一门完整技术。,汽车结构分析方法简述,在汽车结构分析中，解析方法（如材料力学、弹性力学和结构力学等）只能用于简单的结构件，如杆、梁、柱以及简单的板壳等，不能解决汽车中众多复杂零部件的结构分析问题（为什么？），因此现代汽车设计的技术分析主要采用有限元等数值方法。,1 弹性力学的基本方程有哪些？2 从数学上讲，弹性力学问题的求解是哪类问题？,汽车结构分析方法简述,在汽车结构分析中，解析方法（如材料力学、弹性力学和结构力学等）只能用于简单的结构件，如杆、梁、柱以及简单的板壳等，不能解决汽车中众多复杂零部件的结构分析问题（为什么？），因此现代汽车设计的技术分析主要采用有限元等数值方法。,FEM是一种高效、成熟和不断发展的数值方法，如小波有限元在分析裂纹扩展问题中的应用等等,FEM自20世纪40年代始,作为一种有效的数值方法，在汽车设计中，有限元分析应用十分广泛。,复杂的大型结构件有限元分析,FEM应用实例,教学提示：与今后的科研和实际工作关系,客车车身骨架有限元模型,白车身有限元模型,复杂的大型结构件有限元分析,FEM应用实例,白车身弯曲变形分析结果,各种零部件的有限元分析,FEM应用实例,如，悬架各部件（如空气弹簧、钢板弹簧、稳定杆等）有限元分析,双扭杆弹簧悬架有限元分析,空气弹簧有限元分析模型,各种零部件的有限元分析,又如，发动机机体、驱动桥壳、曲轴、差速器及变速器齿轮等各种零部件的结构分析。,柴油机机体有限元分析位移云图,发动机机体实物与有限元模型,各种零部件的有限元分析,又如，发动机机体、驱动桥壳、差速器及变速器齿轮等各种零部件的结构分析。,变速器齿轮有限元分析模型,汽车设计中，除了要满足强度和刚度的要求外，还要进行碰撞实验，使其符合相关法规的要求。,汽车碰撞有限元建模与仿真,汽车正碰实验,汽车碰撞的两种研究手段：实验和有限元仿真,汽车碰撞有限元建模与仿真,汽车正碰仿真与实验结果的对比,汽车侧碰过程有限元分析与仿真,汽车载荷工况复杂多样，汽车结构分析中一项重要也是关键的前提条件就是确定计算载荷。,1为了保证汽车结构具有合理的强度与刚度，要根据工程力学、汽车理论等基础知识，正确分析汽车所受各种载荷，再运用FEM的知识，对汽车结构进行强度和刚度计算和评价。,建模和使用软件进行结构分析的三点注意,注意点1：分析汽车结构所受载荷要全面,四轮汽车模型,汽车坐标系,C.G.,C.G.Center of Gravity,(1)汽车弯曲情况,x,y,z,由于部件质量引起的载荷，作用在垂直平面（x-z）,载荷沿汽车车架方向分布，产生绕y轴的弯矩。,（2）汽车扭转情况,x,y,z,由于路面不平或不对称支承，使作用在同一车轴两车轮的沿z轴的力不等，必引起扭矩,使汽车有绕纵向x轴转动的趋势。,（3）汽车弯扭组合情况,x,y,z,实际上，由于重力始终存在，汽车必受弯矩和扭矩，必须一起考虑！,（4）汽车侧向载荷情况,x,y,z,这种情况发生在汽车转弯(离心力)或汽车受横风或汽车滑向路牙时，即受y轴载荷。,（5-1）汽车纵向载荷加速情况(后轮驱动),x,y,z,加速时，产生纵向载荷(沿x轴)，作用在轮胎与地面接触点的牵引力和惯性力。,（5-2）汽车纵向载荷制动情况,x,y,z,制动时，也产生纵向载荷(沿x轴)，作用在轮胎与地面接触点的地面制动力和惯性力。,2 以汽车构造、汽车设计、汽车制造工艺学以及相关汽车设计规范为指导，建立汽车结构件三维数字化模型。,以汽车驱动桥壳为例，讨论与有限元分析相关的三维建模中的注意点。,作为结构设计成果的三维数字化模型与有限元分析中的几何模型两者侧重点不同，既有区别，又有联系。前者侧重于可制造性，故每个细节必须定义清楚，而后者侧重于结构力学特性，所关注的是对安全有影响的部位。,驱动桥壳一般主要由桥壳本体、半轴套管、后桥盖总成、钢板弹簧固定座总成、后制动底板固定法兰等组成。,桥壳本体,半轴套管,半轴套管,后桥盖总成,钢板弹簧固定座总成,后制动底板固定法兰,后制动底板固定法兰,注意点2：在UG(或Solidworks等)软件中按设计图样对桥壳进行参数化建模时，模型必须反映危险部位应力，即，有限元模型应尽量保留原实体结构的重要细节。但为减少节点数量，必须对非危险部位的细节结构进行简化。,全浮式驱动车桥结构中，哪些部位是对汽车的安全有直接影响的危险部位？,具体简化方法是：1）保留危险部位的细节结构，如两端的固定螺纹结构，以及与锥轴承内圈配合部位结构等。2）略去某些非感兴趣区域的铸造圆角，以倒斜角取代倒圆角。3）略去非危险部位结构，如油管支架、制动底板固定法兰等。4）忽略不重要区的小孔及小尺寸结构，如通气孔挡油罩、加油螺塞、放油螺塞以及各处螺纹孔。,将合理简化后的3D实体模型导入ANSYSWorkbench进行有限元分析。,3 汽车零件数以万计，其几何形状各异，支承和连接形式多样，载荷及其传递复杂，无论是进行静态还是动态分析，建立有限元模型时头绪纷繁，怎样才能使分析结果不停留在“仅作为一种趋势的判断”这一水平上呢？或者说，怎样实现精确化建模？,注意点3：从几何模型力学模型计算模型的提炼过程中，要实现精确建模的目标，必须确保“三个一致”，即，几何模型与原结构一致，施加载荷与实际情况一致，设置支承与实际边界条件一致，只有这样才能将各种误差减到最低。,必须指出：要真正做到精确建模，决非一日之功，没有汽车工程理论和实践、有限元理论和实践两个方面知识长期积累、融合是做不到的！,洞察FEM基本理论与通用有限元软件内在力学本质的一致性。,比如，使用ANSYS求解薄板结构分析问题时，前处理操作中element type有 link,beam,pipe,solid,shell等选项。,软件使用中，从力学模型到计算模型提炼过程中，决策的正确性问题作一阐述,SHELL单元中，仍有很多选项,路多歧而树多枝，如何选择？依据在哪？,在帮助中有不同（壳）单元的详细描述（Description）:,阅读帮助后，再结合分析问题的性质作出选择！,不同单元的节点数，每个节点的自由度数，适应条件（是薄板？还是中板厚？是弹性分析？还是塑性分析？）,进一步思考,在进行刚架的有限元分析时，ANSYS软件中，梁单元有哪些类型？其适应条件如何？,在有限单元法中，桁架采用杆单元离散，刚架采用梁单元离散。（第四章 杆系结构有限元法）,课堂小结,从全面分析汽车所受载荷、有限元分析之三维模型建立和有限元分析中精确化建模这三个方面讨论了（结构分析时）FEM建模和使用通用软件的注意点。,结合现代汽车开发过程和有限元分析在汽车工程中的应用实例，阐述了有限元分析技术已融入计算机辅助技术之中，在现代汽车设计与制造过程中具有不可或缺的重要作用。,第二节 汽车结构计算模型,本节教学内容：制定有限元分析方案，汽车结构件有限元分析计算模型的分类及选用。,教学要求：理解制定有限元分析方案的内容要点、方法步骤；初步掌握汽车结构件有限元分析计算模型的分类及选用。,制定分析方案,接到汽车结构分析任务后，要严格审查分析对象的原始数据（正、逆向设计的成果）和工作历程，遵循有限元分析技术的规律，掌握所用通用程序的特点，明确分析目标，制定周密的分析方案和实施计划，包括模型简化和单元离散方案，载荷和约束施加方案等，尽量避免分析过程中的错误和反复调试。好的方案是保证计算精度和计算效率的基础。虽然在处理具体问题时可能有不同的步骤，但“心中有数”正是有经验者的基本素质，按照一定的工作程序进行，少走弯路。,（1）充分占有图纸：充分占有分析对象的图纸，了解各种载荷工况及材料数据等相关资料，明确分析任务及目标。,（2）明确分析类型：是静态还是动态，是线性还是非线性，是否进行优化、疲劳、参数化分析，是否与热、流体等之间进行耦合计算等。,（3）采用合理单位：准备好分析原始数据、模型几何尺寸、材料属性参数等的单位。注意使用国际单位制单位。,（4）确定模型范围：要简化分析模型，是部分还是整体，有无对称性等。根据结构受力特点，有针对性地创建模型，在杆、梁、板壳、三维实体模型中进行合理选择，尤其是不要一切都用实体建模。,（5）准确划分网格：要考虑包括单元选用、单元形状、边界条件和施加载荷的位置、分析问题的性质等因素。,（6）处理连接关系：确定零部件之间及各总成之间的连接关系（刚接、铰接、滑移接触等）。连接关系处理好坏直接影响模型的构造关系，也影响到模型的精度。,（7）制定载荷工况：确认每种工况的载荷类型、大小、施加位置和施加方式。,汽车结构件计算模型的分类及选用,汽车是由成百上千个部件组成，这些结构件和机械产品的结构件一样，其形状各式各样，相应的计算模型自然也有不同。按照汽车构造及汽车结构和行为特征可以归纳为以下几种计算模型：,（1）平面结构模型：全部由平面单元组成的计算模型，自然这是将汽车某些部件简化的结果。如变速器中的齿轮，其一个轮齿的应力分析可简化为平面问题处理；发动机的连杆，其结构结构模型形状基本上对称于中间摆动平面，也可当成平面问题来研究。,（2）空间结构模型：全部由空间单元组成的模型，零部件三维特征明显，可按空间问题处理。如客车中的连接球销，其难点在于分布力是按正弦规律作用在球面上的；轿车车轮钢圈可按对称和反对称条件来简化处理；还有万向节叉、转向节、车架等。,（3）杆系结构模型：全部由杆单元、梁单元组成的模型。如汽车起重机的臂架系统，承载式客车骨架，载货汽车的车架等。,（4）板壳结构模型：全部由板壳单元组成的计算模型。如载货汽车车架、货箱、驾驶室，轿车车架、车身，汽车的后桥壳，齿轮箱箱体等，它们都是用板焊接或铆接而成的。,（5）组合结构模型：主要有梁单元、板单元及实体单元混合组成，形成板梁结构、实体与梁组合结构。如推土机的推土装置，客车车架、轿车车身等。,其它还有与各种专用单元的组合方式，如质量单元、弹簧单元和刚性单元等。不同的结构需要不同的计算模型，不同的分析求解需要不同的计算模型，不同的分析阶段可能也需要不同的模型，很难用一种模型完成所有分析，其中最主要的问题就是汽车不同结构件的力学特性相差很大。因此为了进行有限元分析，在选择建立汽车结构件计算模型时，应进一步考虑下面几个问题：,按照结构的受力特征和构造特点：,如客车车身骨架是由梁组成的空间刚架系统，根据其结构特点，总是选用杆系结构计算模型。但悬架处底架纵梁刚性很大，且连接复杂，可以采用板单元或实体单元模型，这样就形成了板梁组合结构。为了进行车身计算，还要在钢板弹簧或空气气囊悬挂处，采用梁单元和弹簧元作为支承模型。当隔离出一个零部件进行分析时，通常采用适当的边界条件来考虑周围结构的影响。如果边界条件不合理，计算结果可能误差很大，这是所有零部件分析中都会遇到的问题。实际应用中还常常要求对几个部件组合进行有限元分析。这些都涉及到结构边界之间的相互影响，需要采用专用单元模型。,按照分析类型不同：与静力分析不同，动力分析更多地建立质点、弹簧、梁等单元组成的模型，采用相对较粗糙的单元网格。一般情况下，动力分析的计算模型要尽可能简单。如客车骨架、载货汽车车架、驾驶室的动态计算都可采用空间刚架模型。,按照计算精度的要求：在设计初期方案选择阶段，可选取较简单、近似程度大的模型；而在设计开发后期，要查明结构细部应力和变形，则需要选取较精确的模型。如车架、驾驶室等，可将其先简化为空间刚架进行分析，但在最后校核时，则可以采用全板单元，演算各连接处的局部强度等。,按照计算机容量及经费的限制：,对于大型模型，可以分成几个部件分别建模，充分利用组装合并技术、子结构技术、超单元技术等程序功能。如对轿车车身或整车模型做静动态计算或碰撞仿真时，其模型规模一般较大，建模工作就需要分组进行，按主要结构件划分为若干个部件组。模型要突出重点，保证分析重点部位的质量。可以通过首先分析一个简化模型来了解分析过程，理解结构特性。这类模型建立涉及较多技术和经验，需要不断学习和深造。,同样是车架，梁模型要比板模型花费少得多。,建模工作是一个分析矛盾，解决矛盾的过程，归结起来建立有限元计算模型有两项原则：,（1）从实际出发模型要反映实际结构的主要性能；,（2）分清主次，略去细节模型要便于计算。,第三节 载荷与边界约束条件的处理,本节教学内容：载荷分类；约束与连接。,教学要求：结合工程实际理解载荷分类；初步掌握有限元分析中载荷、约束的添加；实际问题有限元分析中，能结合问题特点，在程序中正确处理常用连接。,载荷分类及其它,在有限元分析中，载荷可分为以下几种：,（1）集中载荷：包括力和力矩，具有方向和大小。一般当载荷作用在结构上的区域很小时，可处理成集中载荷，但集中载荷作用点附近，可能存在应力失真。有时为简化计算，也将某些外力处理成集中载荷，如车架分析中，发动机的重量就是以集中载荷的方式处理的。,第三节 载荷与边界约束条件的处理,载荷分类及其它,（2）分布载荷：施加于面上，分布于空间、由物体惯性引起的载荷，都可以看作是分布载荷。在结构分析中，分布载荷常指线压力、面压力、风压力、自重以及由质量引起的惯性力等。,载荷分类及其它,汽车结构构件上承受的载荷，随着行驶路面、行驶速度、装载条件、操作条件等有很大的变化，其大小也多是变化的。汽车在行驶过程中，零部件一般承受动载荷的作用，而且由于路面不平的激励所产生的往往是随机载荷。在进行疲劳强度计算时，应以零部件所承受的动载荷或由动载荷按一定方法编制的载荷谱为基础。另外，汽车在动载荷作用下，往往要发生振动现象，这就需要同时研究汽车的振动问题。在动载荷作用下的结构分析方法完全不同于静载荷作用下的分析方法。有限元中处理动载荷是按照时间历程顺序逐步求解在时间历程载荷作用下的系统响应，即将载荷划分成多个载荷步以反映载荷随时间变化关系，迭代求解。,载荷分类及其它,在汽车结构分析中，还要考虑计算载荷组合问题、多种计算工况问题，明确汽车在运行中主要受力零部件所承受的各种载荷及其组合原则。,有限元分析中，载荷施加的途径有以下两种:,(1)在实体模型上施加载荷：按集中载荷、分布载荷施加于所建模型上，程序求解时将自动转换到有限元模型上。,(2)在有限元模型上施加载荷：将载荷直接施加到节点上，这也是有限元分析的最终载荷施加状态。,约束与连接,汽车各零部件之间存在多种多样的联系，汽车结构必须支承在某一基础或其它结构上，对各种联系进行合理的简化，是确定计算简图的重要问题。,1支座、节点与约束,把结构与基础联系起来的装置叫做支座，结构所受的载荷通过支座传于基础，支座对结构的反作用力称为支座反力。,结构中两个或两个以上的部件共同连接称为节点，节点有铰接点和刚节点两种。,铰接点是各部件可以绕节点自由转动，而刚节点是各部件在节点夹角保持不变。车身、车架分析中的支承或是说约束，就要选用上述支座形式。,一个汽车结构或部件计算模型的合理约束要做到：,（1）模型无内外多余自由度，否则将产生机构运动而无法计算；,（2）模型无内外多余附加约束，否则可能产生附加约束力而使计算结果失真；,（3）支座反力与所施加载荷要保持平衡，否则就违背了最基本的平衡关系。,2连接,汽车各零部件之间或各总成之间存在着各种各样的连接形式，连接部位的处理也是有限元分析中最棘手的问题之一。程序中提供的处理方法一般有以下几种：,（1）固接关系：如焊接、多个螺栓或铆钉连接零部件或构件。,（2）预紧连接：常见螺栓连接或铆钉连接、拉索连接、拉杆连接等，可采用专门预紧单元、具有施加初始应变功能或初始应力功能的单元。,（3）弹簧连接：如弹性支座、减振隔振装置等，可采用各类线性、非线性弹簧阻尼器单元。,（4）轴销连接：处理运动构件的连接部位，如转向器、刮水器等，可用专用销轴单元、耦合自由度等方法。,（5）刚性连接：采用专用刚性单元，模拟点与点刚性连接（刚性梁或刚性杆），比如以刚性单元定义焊点。刚性单元可应用于几何非线性分析。,（6）约束方程：常用于处理自由度不协调问题，如处理板梁单元连接问题等，可用于耦合自由度上的刚性连接。约束方程的功能很多，可以方便的解决不同分离模型之间的连接关系，但只能用于小变形问题。,（7）接触关系：常用于轴孔接触、碰撞接触、滑移接触、固定连接界面部位等，采用各种接触类型单元模型。,谢谢大家,