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1、版權所有，僅限于學習交流之用 第六講 汽車結構有限元分析實例 合肥工業(yè)大學機械與汽車學院車輛工程系 譚繼錦編寫 2010年3月 -汽車結構分析實例n 1、汽車結構設計準則與目標 n 2、 汽車結構有限元模型 n 3、汽車結構強度分析 n 4、汽車結構剛度分析 n 5、汽車結構動態(tài)分析 n 6、汽車結構疲勞分析 n 7、汽車結構碰撞分析 n 8、汽車結構有限元優(yōu)化設計 1、汽車結構設計準則與目標n有限元分析方法是汽車數(shù)字化設計的一項核心技術；n在產(chǎn)品設計階段對汽車結構及性能做出預先評估；n有限元分析能夠提供大量的仿真試驗數(shù)據(jù)和技術參數(shù)，進而可以替代部分試驗，有利于設計經(jīng)驗的積累和設計技術的提高。

2、-汽車結構分析的目的主要是解決汽車結構的可靠性、安全性、經(jīng)濟性和舒適性等問題，其分析內(nèi)容十分廣泛，而且相互關聯(lián)，主要涉及以下內(nèi)容： n可靠性：研究汽車結構強度、剛度和動態(tài)特性，以及疲勞壽命等；n安全性：研究結構耐撞性與乘員安全性等；n經(jīng)濟性：研究結構優(yōu)化及輕量化等；n舒適性：進行結構振動噪聲分析等。 汽車結構設計準則與目標n結構分析可以劃分成幾個階段，各階段有不同的設計目標。n概念設計階段建立相應的設計目標；n詳細設計階段達到相應的設計目標；n樣車制作階段驗證整車的性能并且分析設計中存在問題；n產(chǎn)品制造階段驗證設計和改進產(chǎn)品。 -以下概略匯總了汽車結構分析中在概念設計階段和詳細設計階段汽車結構

3、部分分析內(nèi)容及設計目標，這些內(nèi)容與目標是動態(tài)發(fā)展的，需要結合工程實際不斷調(diào)整并發(fā)展。 汽車結構設計準則與目標概念設計階段n新車設計目標值包括：n 1.車身靜剛度目標-彎曲剛度：模擬乘客負荷；尾部彎曲剛度：模擬行李負荷；扭轉(zhuǎn)剛度：模擬車輪抬高；n 2.整車NVH目標-車身結構的模態(tài)頻率應該錯開激振頻率。n 3.整車安全性目標-前圍擋板重要位置的侵入量;管柱的向后以及向上的侵入量；前碰過程中的沖擊力；側碰中B柱各位置的侵入量；車頂壓潰中各位置的剛度值； n 4.零部件及總成壽命目標-車身（駕駛室）疲勞壽命，懸架疲勞耐久性，車橋疲勞壽命； 汽車結構設計準則與目標詳細設計階段n 1.車身強度與剛度分析

4、及其靈敏度分析n 2.白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度n 3.截面分析與接頭剛度分析 截面分析：檢查截面尺寸的正確性； 優(yōu)化板件的厚度； 接頭剛度分析：保證接頭的剛度達到一定的剛度值； 截面特性對剛度的影響： 截面特性對扭轉(zhuǎn)剛度的影響； 截面特性對彎曲剛度的影響； n 4.開閉件的強度與剛度分析 前門、后門、發(fā)動機蓋、行李箱蓋、前翼子板等,使開閉件結構滿足一定的設計要求；開閉件抗凹陷分析；開閉件側向剛度分析； n 5.車身局部強度與剛度分析: 儀表盤、管柱、前保險桿、后保險桿、座椅、安全帶等； 引擎蓋鉸接處的剛度分析； 門鉸鏈和門鎖處的剛度分析； 油箱蓋的剛度分析； 刮雨器連接點的剛度分析； 儀表盤連

5、接點的剛度分析； 行李箱蓋的剛度分析；n 6.模態(tài)分析以及頻率響應分析： 模態(tài)分析、動剛度分析、傳遞函數(shù)分析、聲穴分析、舒適性分析等； 低階模態(tài)的靈敏度分析； 點導納； 懸置剛度； n 7.NVH分析: 通過低階頻率值的靈敏度分析，調(diào)整關鍵靈敏零件結構的形狀與尺寸，使整車的動剛度特性滿足設計目標值；n 8.安全性分析 前碰、側碰、后碰、車頂壓潰、頭部保護分析、行人保護分析、汽車的乘員安全性分析、乘員安全性以及約束系統(tǒng)模擬分析等；使整車的安全性滿足設計目標值。 n 9.耐久性分析 使整車的疲勞特性滿足一定的設計要求； 道路載荷下車身強度分析； 道路載荷下底盤部件疲勞耐久性分析； 車身焊點疲勞壽命

6、評估； 在先期評估產(chǎn)品的總體設計目標時，要分級分項制訂目標，包括整車分級、總成分級及零部件分級。定義零部件層級目標，定義總成層級目標，定義整車層級目標。將每個層級目標和分析與測試的結果進行比對，充分掌握各類測試數(shù)據(jù)，在設計完成量產(chǎn)前，發(fā)現(xiàn)設計可能存在的問題，實現(xiàn)產(chǎn)品的結構優(yōu)化。 汽車結構設計目標值確定方法 對競爭樣車進行分析: 競爭樣車的整體剛度分析 ; 目標車的典型截面分析及其優(yōu)化分析; 目標車的接頭剛度分析及其優(yōu)化分析 ; 目標車的白車身靜態(tài)剛度與模態(tài)分析; 目標車的安全性設計方法-CAE方法，試驗方法，標準法規(guī) 等。建立汽車設計CAE數(shù)據(jù)庫 -參考值數(shù)據(jù)庫 。車身模型的確立 2、汽車結構

7、有限元模型-汽車結構模型化 1汽車結構模型化技術 幾何模型力學模型計算模型 ：力學模型起著承上啟下的作用，力學模型提供了載荷信息與邊界條件。而幾何模型并非就是計算模型。（1）計算目的不同計算模型不同（2）結構受力不同計算模型不同 結構部件可以分為桿、梁、板、殼、塊體及平面應力應變等。其他特殊功能的單元有質(zhì)量單元、彈簧單元、剛性單元、焊點單元、約束方程等。了解并用好這些單元，可以更方便地模擬實際結構。 單元選擇的準則是基于對結構受力狀態(tài)分析與單元屬性的理解。 汽車結構模型化2汽車結構模型化準則（1）用準確的力學組件構造模型n桿、梁、板殼與實體是構造模型的主體，要根據(jù)結構的受力狀況，選擇合適的力學

8、組件，既要反映結構受力特點，又不必片面追求高級組件，尤其是不要一切都用三維實體建模。（2）用適當?shù)囊?guī)模構造模型n計算網(wǎng)格密度、分析精度和分析時間之間的平衡。（3）施加正確的載荷與邊界條件 n載荷準則；n標準載荷，標準載荷使得各分析計算結果具有可比性。n邊界條件與支承條件（4）避免結構約束不足形成機構 汽車結構模型化3 汽車結構有限元模型 按照不同分析類型分別敘述汽車結構建模與分析的相關問題，或者說按結構分析類型劃分成章節(jié)，只是為敘述的方便，是教材的一種編排。 由于分析目的不同，要求精度有別，模型規(guī)模差異，使得結構分析工作往往需要從綜合的角度全面把握。 在利用有限元模型時，首先應當明確分析的目標

9、與要求。在初步設計階段，從簡單模型做起，分析應放在了解載荷狀況和應力水平等整體特性上。隨著設計過程的推進，應力分析越來越細。一旦結構設計基本確認，就可以進行詳細而精確的應力分析，尤其注意應力集中等局部區(qū)域，最后確定設計方案。 汽車結構有限元模型 3、汽車結構強度分析 -靜態(tài)強度、動態(tài)強度及疲勞強度1汽車橋殼有限元分析 1汽車橋殼有限元分析n -關鍵問題在于驅(qū)動橋受力分析和荷載計算 ；按照驅(qū)動橋受力狀況，其主要典型載荷工況有三類五種：n 1.垂向載荷工況：按最大軸荷計算，另外考慮汽車通過不平路面的動載系數(shù)。 、汽車滿載工況 、沖擊載荷作用工況： n 2.縱向載荷工況：按牽引力或制動力最大計算；

10、、最大牽引力工況： 、緊急制動工況： n 3.側向載荷工況：按側向力最大計算。 n -關鍵問題在于載荷與約束施加 橋殼計算采用在輪軸處加載，在板簧處約束的方法，這樣處理載荷比較準確，與在板簧處加載、在輪軸處約束的另一種方法等效。輪軸上載荷按余弦曲線分配到半個輪軸上各節(jié)點，板簧上約束一個區(qū)域。 2轎車白車身建模與應力分析n首先是制訂分析方案：包括幾何模型簡化、單元類型選擇、網(wǎng)格密度和質(zhì)量控制、材料與部件命名體系等原則。如對該車身建立了模型命名體系：即規(guī)則、順序、編號（留有余量），按照車身、總成、零件與模型中部件、組件、元件相對應。如地板總成、左右前縱梁總成、前輪罩焊接總成、左右側圍焊接總成、前圍

11、焊接總成、頂蓋及前后梁、后圍焊接總成等。建立模型系統(tǒng)的部件名稱是為了建模、修改方便。n其次是建立了模型簡化重構原則，模型規(guī)模要適當，該細化要細化，該簡化應簡化。在保證計算目的和精度條件下，盡量控制節(jié)點規(guī)模，最大限度保留零件主要力學特征，刪除小孔、面，將小面合并成大面，相鄰面共用一條線，點焊連接部位要單獨構成組件等。 n選用殼單元，以四邊形單元為主，輔以三角形單元（過渡區(qū)），優(yōu)先采用四邊形單元，盡量采用矩形單元，使網(wǎng)格分布均勻。n在建模前制訂網(wǎng)格劃分標準 白車身有限元模型 及計算結果圖示 3客車骨架有限元分析 -車身骨架+等效懸架系統(tǒng)的有限元模型n有限元模型建立：n簡化原則；n分塊模建 ；n懸架

12、系統(tǒng)等效有限元模型。 建模過程-經(jīng)過初步建模，反復檢驗與多次修改并完善，形成一個實用的計算模型。隨后又將試驗結果與有限元分析結果進行對比，部分修改模型，細化模型，完成了由粗到精的幾何建模及有限元建模，確保計算結果的可靠性，為結構分析設計奠定基礎。 客車骨架幾何模型與有限元模型 4車架建模及應力分析問題n梁單元模型-模型簡單，尤其是直觀的內(nèi)力圖，在設計初期分析可用。n板單元模型 -比較精確，它避免了梁模型連接處不易模擬的缺點，可以反映縱橫梁連接、局部加強板、各種附屬支架等情況。 n實體單元模型 -實體單元模型能夠分析縱橫梁連接處應力變化情況。n板、梁、實體混合單元的車架計算模型。 n懸架系統(tǒng)采用

13、等效方式建模 。 輕卡車架模型 與中卡車架模型 -know-what -know-how-know-why- 以上實例說明，汽車結構有限元強度分析問題，需要完成一系列的工作，并不僅僅是建模本身一項。首先要了解汽車構造，確定承受載荷，完成約束分析，通過逐步細化建立有限元模型，進而分析結構應力，預測應力分布趨勢，同時要使改進設計符合制造工藝要求，幫助確定最終設計方案。 4、 汽車結構剛度分析 n車身靜剛度達到了一定值可以保證車身能夠承擔動態(tài)工作載荷，減小車身振動，提高低階模態(tài)頻率，增強車身可操縱性等，n車身耐久性與車身剛度也有關聯(lián)。n一般而言，剛度不足會使部件產(chǎn)生變形而破壞零部件之間的相對位置，從

14、而引起應力集中，降低零部件的使用壽命。n除了車身剛度（車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度）等整體指標外，還有前后風窗對角線、前后門對角線、前圍板下部變形、整車縱向彎曲和扭轉(zhuǎn)變形等，都有詳盡的指標。 n其它如接頭剛度分析，局部剛度分析等也是汽車結構分析中的重要方面 。 轎車車身扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度分析 -剛度是指結構抵抗變形的能力，變形小則剛度好。 n車身剛度有兩類，靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度。n動態(tài)剛度一般用車身模態(tài)頻率來衡量；n靜態(tài)剛度主要指彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。 車身有限元模型，在前后懸掛位置處采用塔形支撐方式連接，前懸掛添加加載梁并施加大小相等方向相反的力，后塔形支撐底部完全約束，前塔形支撐加載梁中部去掉轉(zhuǎn)動約

15、束。根據(jù)車身各節(jié)點處的位移，評價車身的剛度性能。 白車身扭轉(zhuǎn)約束與分析 n扭轉(zhuǎn)工況計算一般模擬試驗工況，采用前加載梁后塔形支撐方式。 白車身扭轉(zhuǎn)剛度計算 客車車身變形和車身剛度分析-車架變形和剛度分析-n一般情況下小型客車的車架要按剛度設計，而載貨汽車的車架則按強度設計，除了強度和剛度以外，還要考慮汽車的抗撞能力等。比如采用箱形縱橫梁能大大提高車架的扭轉(zhuǎn)剛度，但剛度過大的橫梁會在縱梁上引起很高的扭轉(zhuǎn)應力，容易導致早期損壞，所以不但應比較車架的扭轉(zhuǎn)應力，還應比較車架的扭轉(zhuǎn)剛度。一般情況下，按剛度設計的車架，其強度或耐久性會有一定的余量，而按強度設計的車架其變形顯得偏大，所以要從強度剛度等多方面取

16、得結構設計的協(xié)調(diào)。 n車架（車身）結構強度和剛度分析是汽車結構評價的基礎，建立車架（車身）結構強度分析的邊界條件、載荷工況、評價規(guī)范是分析的重點。 5、汽車結構動態(tài)分析-汽車結構動力響應計算 n動態(tài)分析也稱為動力分析，此時慣性力和阻尼與結構剛度一起要考慮；n汽車振動響應分析是求發(fā)動機振動、地面激振等引起的振動響應；n振動響應分析，有時間歷程響應分析，頻率響應分析（諧響應分析）、響應譜分析等； n模態(tài)分析不考慮外力和阻尼，僅從質(zhì)量和剛度的平衡來求特征值和振動模態(tài)。與靜態(tài)分析不同，模態(tài)分析分為自由模態(tài)與約束模態(tài)。自由模態(tài)可以不施加約束，此時有六階剛體模態(tài)，剛體模態(tài)對應零頻率。 合理的車身模態(tài)分布對

17、提高整車的可靠性和NVH性能十分重要n汽車部件和整車的動態(tài)設計是改進和提高汽車產(chǎn)品質(zhì)量的有效方法。n通過模態(tài)分析可以了解各階振型的特點，進行振動的故障診斷，為汽車改進設計提供依據(jù)。n在此基礎上還可以應用振型疊加法進行頻響分析，即將各階振型加權疊加，考察在受到來自地面的激勵后，哪一些頻率的振型在結構動態(tài)響應中起主要作用，從而較完整地揭示車架、車身、車橋等部件的動態(tài)特性。 n在模態(tài)分析的基礎上利用逐步積分法還可以對車架等部件進行動態(tài)分析。 白車身模態(tài)分析 白車身自由模態(tài)試驗示意圖 白車身模型模態(tài)頻率及振型描述 振型描述 一般轎車各部分的激振頻率和固有頻率分布關系 整車模態(tài)及頻率規(guī)劃- 轎車上各個系

18、統(tǒng)是相互連接在一起的，進排氣系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)、動力總成都與車身相連。相連接的系統(tǒng)模態(tài)要分開，以避免共振。因此汽 車研發(fā)中要做好整車模態(tài)頻率規(guī)劃，指導開發(fā)設計。 6、 汽車結構疲勞分析n汽車結構設計中，關鍵零部件都需要進行預定的疲勞耐久性試驗以驗證產(chǎn)品的疲勞性能。 n汽車耐久性試驗技術涉及道路耐久性試驗、試驗場耐久性試驗與試驗室耐久性試驗。而n汽車疲勞耐久性分析技術則是基于CAE分析的虛擬試驗疲勞壽命分析，包括整車疲勞分析與部件疲勞分析。 n 以道路載荷譜采集與處理為依托，以結構疲勞損傷（壽命）為目標，基于材料的疲勞壽命，根據(jù)累積損傷原理，建立不同載荷輸人方式下的疲勞耐久性試驗之間的當量

19、等效關系，確定耐久性行駛試驗規(guī)范的開發(fā)和道路行駛、臺架疲勞耐久試驗的加速強化等一系列問題，減少試驗場耐久性試驗量，加大基于CAE的虛擬疲勞壽命分析。 結構疲勞耐久性整體解決方案可以劃分為以下幾個步驟:n 1. 建立壽命設計目標；n 2. 采集汽車使用環(huán)境和試驗場載荷數(shù)據(jù)；n 3. 驗證分析處理實測數(shù)據(jù)；n 4. 獲取材料的疲勞壽命性能；n 5. 預估零部件的疲勞壽命；n 6. 臺架模擬試驗；n 7. 試驗場耐久性試驗。 涉及到的研究內(nèi)容主要有：n進行汽車道路載荷采集道路載荷譜采集是疲勞耐久性設計的基礎，為道路模擬試驗、多體動力學分析、以及疲勞壽命分析提供輸入數(shù)據(jù)。n進行測試數(shù)據(jù)處理和疲勞分析，

20、這方面工作涉及道路載荷譜處理分析、臺架加速試驗譜編制、以及從實驗測量中直接進行疲勞壽命預測等。n進行基于有限元方法的疲勞壽命計算。 n分析與評價結構疲勞特性，建立疲勞耐久性分析標準等。 整車激振試驗 疲勞分析基本流程框圖- -整車虛擬試驗場分析 7、汽車結構碰撞分析 n碰撞模擬的目的在于盡可能真實地模擬出汽車碰撞時所發(fā)生的一切，包括零部件和裝置的壓碎、彎曲、扭曲、剪切、拉伸以及磨損等情況以及對車內(nèi)乘客身體的損傷。n汽車結構的設計必須包括耐撞性能的評價和對碰撞能量吸收的控制。碰撞分析著重計算結構的變形，關注部件的吸能效果，進而評價碰撞能量吸收、乘員生存空間、燃油泄漏、力傳播途徑等。 n整車模型要

21、區(qū)分碰撞區(qū)域和非碰撞區(qū)域，重要的結構部件和非重要的部件，可能坍塌的區(qū)域和基本上不變形的部件（如發(fā)動機等）。 整車碰撞仿真n整車碰撞計算仿真主要包括正碰、側碰和追尾三種碰撞類型，碰撞分析用單元類型主要有體單元、殼單元、梁單元、桿單元和彈簧單元等。n最小單元尺寸推薦為10mm；n碰撞模型節(jié)點總數(shù)一般大于200000400000。n碰撞對車輛造成的損傷后果與汽車所吸收的能量有關，碰撞載荷主要因素是車速。碰撞評價標準中采用有效碰撞車速的概念。碰撞計算的目的不是防止車輛損傷而是研究乘員保護， 碰撞仿真模型 關于整車模型 n -整車疲勞耐久性壽命分析、整車碰撞安全性分析以及整車NVH性能仿真 n 1. 整

22、車模型復雜規(guī)模大n 2. 整車特性預測難度大n 3. 整車特性需要混合仿真n 4. 整車模型的校核與驗證 8、汽車結構有限元優(yōu)化設計 -優(yōu)化設計就是一種尋找確定最優(yōu)設計方案的技術。 n設計變量：為自變量，通過改變設計變量的數(shù)值來實現(xiàn)優(yōu)化設計。n狀態(tài)變量；是因變量，為設計變量的函數(shù)，是約束設計的數(shù)值。n目標函數(shù)：是設計變量的函數(shù)，即要盡量減小的數(shù)值。如梁的質(zhì)量可取為目標函數(shù)。優(yōu)化程序中，可以設定單目標函數(shù)或多目標函數(shù)。 n設計變量、狀態(tài)變量與目標函數(shù)構成為優(yōu)化變量，這些變量需要通過參數(shù)化定義來指定。 優(yōu)化設計基本步驟n參數(shù)化建立模型（設計變量為參數(shù)）并求解；n提取并指定狀態(tài)變量和目標函數(shù)，建立與

23、分析變量相對應的參數(shù)；n聲明優(yōu)化變量，選擇優(yōu)化方法，指定優(yōu)化循環(huán)控制方式，進行優(yōu)化分析；n參數(shù)化提取結果（狀態(tài)變量和目標函數(shù)為參數(shù)）及數(shù)據(jù)后處理。 示例： 白車身靈敏度分析 n為了提高關注模態(tài)的模態(tài)剛度，需要找出影響低階關注模態(tài)的靈敏零件，通過合理修改關鍵零件的結構形式與尺寸，提高車身整體抗彎或抗扭剛度等措施來改進車身模態(tài)。車身結構分析中的靈敏度分析就是分析車身結構性能參數(shù)的變化對車身結構設計參數(shù)變化的敏感程度，主要有白車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度靈敏度分析、車身模態(tài)頻率靈敏度分析等。 n如白車身扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析，選取車身板厚為設計變量，以反映扭轉(zhuǎn)剛度的扭轉(zhuǎn)角為目標函數(shù)進行靈敏度分析，計算關鍵點的撓度對車身主要構件板厚的靈敏度。 示例：白車身輕量化設計 n以車身質(zhì)量最輕為目標進行優(yōu)化分析 ；n汽車結構設計需要滿足產(chǎn)品多屬性指標，就車身輕量化來說并非就車身結構優(yōu)化一項分析，而是車身結構綜合分析的結果 。 。春暖花開。香自苦來。