《車輛有限元》PPT課件

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1、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),主要內(nèi)容： 第一章 緒論 第二章 有限元法的基礎(chǔ)理論 第三章 結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn) 第四章 汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,主要內(nèi)容,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),第一章 緒論 一、有限元法基礎(chǔ)知識 二、汽車結(jié)構(gòu)有限元分析基礎(chǔ),,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),一、有限元法基礎(chǔ)知識 1、有限元法的概念 2、有限元法的發(fā)展 3、有限元法的用途 4、有限元分析的典型步驟,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),1、有限元法的概念 有限元法（Finite Element Method, FEM），也稱為有限單元法或有限元素法，基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。由于單元可以被分割

2、成各種形狀和大小不同的尺寸，所以它能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件。它是將彈性理論、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件有機(jī)地結(jié)合在 一起的一種數(shù)值計(jì)算方法。,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),,緒論,,左圖所示,為分析齒輪上一個(gè)齒內(nèi)的應(yīng)力分布,可分析圖中所示的一個(gè)平面截面內(nèi)位移分布.作為近似解,可以先求出圖中各三角形頂點(diǎn)的位移.這里的 三角形就是單元,其頂點(diǎn)就是節(jié)點(diǎn)。,從物理角度理解, 可把一個(gè)連續(xù)的齒形截面單元之間在節(jié)點(diǎn)處以鉸鏈相鏈接,由單元組合而成的結(jié)構(gòu)近似代替原連續(xù)結(jié)構(gòu),在一定的約束條件下,在給定的載荷作用下,就可以求出各節(jié)點(diǎn)的位移,進(jìn)而求出應(yīng)力.,從數(shù)學(xué)角度理解, 把這個(gè)求解區(qū)域剖分

3、成許多三角形子域,子域內(nèi)的位移可用相應(yīng)各節(jié)點(diǎn)的待定位移合理插值來表示.,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),,緒論,,有限元模型 是真實(shí)系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象。有限元模型由一些簡單形狀的單元組成，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定載荷。,真實(shí)系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,有限元模型,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2、有限元法的發(fā)展,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),有限元分析方法的發(fā)展趨勢： （1）與CAD軟件的無縫集成,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),（2）更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力

4、(技術(shù)難題，關(guān)鍵步驟),,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),（3）由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),（4）由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),（5）程序面向用戶的開放性,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),4、有限元分析的典型步驟,,緒論,,連續(xù)體的離散化 選擇位移模型 用變分原理推導(dǎo)單元剛度矩陣 集合整個(gè)離散化連續(xù)體的代數(shù)方程 求解位移矢量 由節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算出單元的應(yīng)變和應(yīng)力,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),二、汽車結(jié)構(gòu)有限元分析基礎(chǔ) 1、汽車的研發(fā)過程 2、汽車結(jié)構(gòu)有限元分析內(nèi)容 3、汽車結(jié)構(gòu)有限元分析流程,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),汽車的研發(fā) 市場調(diào)研 概念設(shè)計(jì)（參考車研究） 整

5、車設(shè)計(jì)（總布置） 零部件設(shè)計(jì)（CAD、CAE、CAT） 樣車試制、調(diào)整 樣車實(shí)驗(yàn)、改進(jìn) 小批量生產(chǎn),,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2、汽車結(jié)構(gòu)有限元分析內(nèi)容 汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的五階段 汽車結(jié)構(gòu)有限元分析內(nèi)容,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的五階段 樣車的試驗(yàn)和分析 概念設(shè)計(jì)階段的分析 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的分析 確認(rèn)設(shè)計(jì)階段的分析 批量生產(chǎn)后改進(jìn)設(shè)計(jì)的分析,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),汽車結(jié)構(gòu)有限元分析內(nèi)容 整車及零部件強(qiáng)度和疲勞壽命分析 整車及零部件剛度分析 整車及零部件模態(tài)及動態(tài)分析 汽車NVH分析 整車碰撞安全性分析 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析 氣動或流場分析 熱結(jié)構(gòu)耦合分析,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),3、

6、汽車結(jié)構(gòu)有限元分析流程,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),汽車結(jié)構(gòu)有限元分析流程,,緒論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),第二章 有限元法的基礎(chǔ)理論 重點(diǎn)和難點(diǎn)：有限元法的理論基礎(chǔ) 有限元法的分析步驟 單元類型和單元分析 目的：了解有限元法的基本理論和分析方法，了解單 元類型及特點(diǎn)。,,有限元法的基礎(chǔ)理論,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),第三章 結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn) 一、概述 二、有限元法的軟件實(shí)現(xiàn) 三、有限元軟件分析的關(guān)鍵問題,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),一、概述 有限元法的基本研究思路： 結(jié)構(gòu)離散單元分析整體求解 有限元軟件實(shí)施的過程： 前處理中處理后處理 常用的有限元分析軟件：ANSY

7、S，NASTRAN 常用的有限元前處理軟件：Hypermesh,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),二、有限元法的軟件實(shí)現(xiàn) 1、前處理 2、中處理 3、后處理,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),1、前處理 前處理常用菜單 前處理內(nèi)容,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),前處理常用菜單 Element Type: 添加和刪除單元類型 Real Constants:添加單元實(shí)常數(shù) Material Properties:定義材料屬性 Sections:定義截面形狀比較復(fù)雜的梁和殼體 Modeling:建立幾何模型 Meshing:設(shè)置單元屬性和網(wǎng)格劃分 Loads:設(shè)置邊界條件

8、和施加載荷,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),前處理內(nèi)容 建立幾何模型 網(wǎng)格劃分 施加載荷及邊界條件,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2、中處理（軟件計(jì)算） 常用菜單： Analysis Type：設(shè)置求解問題類型（靜態(tài)、模態(tài)、瞬態(tài)） Define Loads：設(shè)置邊界條件和施加載荷 Load Step Options：定義載荷步 Solve：問題求解,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),3、后處理 目的：獲取并檢查求解結(jié)果，對模型做出評價(jià)。計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線或動畫形式輸出。 后處理常用菜單 注意問題,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),后處理常用菜單 Plot

9、 Results：繪出結(jié)果 List Results ：列表顯示節(jié)點(diǎn)解 Query Results ：查詢節(jié)點(diǎn)或單元解 Element Table：建立單元表形式畫出各部件內(nèi)力圖 Path Operations：沿指定路徑繪出相關(guān)應(yīng)力分布,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),注意問題 計(jì)算結(jié)果處理 計(jì)算結(jié)果編輯 數(shù)據(jù)的可視化,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),三、有限元軟件分析的關(guān)鍵問題 1、網(wǎng)格劃分 2、節(jié)點(diǎn)位移約束 3、有限元模型的裝配 4、模型驗(yàn)證及結(jié)果評價(jià),,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),1、網(wǎng)格劃分 單元選用 網(wǎng)格大小 網(wǎng)格形狀,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安

10、徽農(nóng)業(yè)大學(xué),單元選用 單元類型的選用對分析精度有重要影響。 常用單元適用情況： 梁單元用于車身骨架、車架 板殼單元用于車身、車架 實(shí)體單元用于三維結(jié)構(gòu) 剛體單元用于各結(jié)構(gòu)的剛性部分 質(zhì)量單元用于振動分析,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),網(wǎng)格尺寸大小 網(wǎng)格大小對計(jì)算精度和速度有重要影響 原則： 在保證計(jì)算精度的情況下，采用尺寸大的網(wǎng)格劃分方法,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),網(wǎng)格形狀 網(wǎng)格形狀的優(yōu)劣對計(jì)算精度有重要影響,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2、節(jié)點(diǎn)位移約束 利用節(jié)點(diǎn)位移約束建立模型各部分之間的連接關(guān)系，消除結(jié)構(gòu)的剛體運(yùn)動、保持節(jié)點(diǎn)間的相對變形關(guān)系。 節(jié)點(diǎn)

11、坐標(biāo)系 絕對位移約束 自由度耦合 位移約束方程,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),絕對位移約束 對節(jié)點(diǎn)位移大小的限制 剛性約束 強(qiáng)迫約束 彈性約束,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),自由度耦合 定義：一組節(jié)點(diǎn)具有相同的自由度值，相當(dāng)于一個(gè)完全的剛性約束關(guān)系。 用途： 同一位置兩節(jié)點(diǎn)重合 周期對稱性結(jié)構(gòu) 小位移條件下的無摩擦接觸表面,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),位移約束方程 定義：描述多個(gè)不同的或相同的自由度之間的線性協(xié)調(diào)關(guān)系，建立多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的剛性連接關(guān)系。 用途： 連接不同類型單元之間的網(wǎng)格 連接具有不同自由度的單元 建立剛性域 描述過盈裝配中兩界面間的盈量或間

12、隙,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),3、有限元模型的裝配 復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用同一單元裝配（節(jié)點(diǎn)位移約束） 復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用不同單元裝配 注意： 自由度不同的單元不協(xié)調(diào) 有相同自由度的單元不總是協(xié)調(diào)的 三維梁單元與三維殼單元出現(xiàn)的不匹配問題,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),4、模型驗(yàn)證及結(jié)果評價(jià) 模型驗(yàn)證應(yīng)注意的問題 誤差產(chǎn)生,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),模型驗(yàn)證應(yīng)注意的問題 熟悉研究對象，積累相關(guān)資料 了解所分析問題的結(jié)果情況，驗(yàn)證分析的正確性 新問題可用小的模型試算 檢查幾何模型、材料屬性、單位統(tǒng)一 確認(rèn)加載是否合理 單元劃分是否合理 理論分析與試驗(yàn)結(jié)果對比,,結(jié)構(gòu)分

13、析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),誤差產(chǎn)生 模型誤差 計(jì)算誤差 離散誤差,,結(jié)構(gòu)分析有限元法的實(shí)現(xiàn),,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),第四章 汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用 一、汽車結(jié)構(gòu)有限元分析 二、應(yīng)用實(shí)例,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),一、汽車結(jié)構(gòu)有限元分析 1、汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與目標(biāo) 2、汽車結(jié)構(gòu)有限元建模 3、單元選用及網(wǎng)格劃分 4、邊界約束條件處理 5、受力分析與載荷處理 6、汽車結(jié)構(gòu)有限元分析指南,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),1、汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與目標(biāo) （1）汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容 （2）汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo) （3）汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大

14、學(xué),（1）汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容 可靠性：汽車結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、動態(tài)特性及疲勞壽命 安全性：結(jié)構(gòu)耐撞性及乘員安全性 經(jīng)濟(jì)性：結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化 舒適性：NVH,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),（2）汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo) 設(shè)計(jì)目標(biāo)分級： 整車目標(biāo)總成目標(biāo)零部件目標(biāo) 設(shè)計(jì)目標(biāo)的依據(jù)： 市場需求 競爭樣車的分析 經(jīng)驗(yàn)的積累,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),（3）汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 1）概念設(shè)計(jì)階段 車身靜剛度目標(biāo) 整車NVH目標(biāo) 整車安全性目標(biāo) 零部件及總成壽命目標(biāo),,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段（車身） 車身強(qiáng)度剛度及靈敏度分析 截面與接頭分析 開閉件

15、的強(qiáng)度剛度分析 車身附件的強(qiáng)度剛度分析 模態(tài)分析及頻率響應(yīng)分析 NVH分析 安全性分析 耐久性分析,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2、汽車結(jié)構(gòu)有限元建模 （1）汽車結(jié)構(gòu)中的力學(xué)問題 （2）模型簡化及原則 （3）結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 （4）結(jié)構(gòu)分析方法,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),（1）汽車結(jié)構(gòu)中的力學(xué)問題 強(qiáng)度 剛度 疲勞 振動、噪聲 碰撞安全,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2）模型簡化及原則 模型簡化的原則 模型的簡化,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),模型簡化的原則 結(jié)構(gòu)的簡化應(yīng)不使受力狀態(tài)失真，最大限度地保留零部件的主要力學(xué)特征 選用的單元和

16、網(wǎng)格劃分應(yīng)能保證計(jì)算精度 盡量控制模型的規(guī)模 計(jì)算結(jié)果要經(jīng)得起檢驗(yàn)并能與設(shè)計(jì)參數(shù)匹配,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),模型的簡化 節(jié)點(diǎn)的簡化 結(jié)構(gòu)的簡化 載荷的簡化,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),節(jié)點(diǎn)的簡化 通常將節(jié)點(diǎn)簡化為鉸節(jié)點(diǎn)和剛節(jié)點(diǎn) 鉸節(jié)點(diǎn)：可以繞節(jié)點(diǎn)中心自由轉(zhuǎn)動 剛節(jié)點(diǎn)：不能發(fā)生任何轉(zhuǎn)動,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),結(jié)構(gòu)的簡化 結(jié)構(gòu)簡化的原則是：在保證充分反映實(shí)際結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下，作必要的簡化。 省略非承載件 構(gòu)件表面光順化 對翻邊的簡化,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),載荷的簡化 等效載荷 載荷譜（疲勞分析、振動分析）,,汽車

17、結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),（3）結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 平面結(jié)構(gòu)模型 空間結(jié)構(gòu)模型 桿系結(jié)構(gòu)模型 板殼結(jié)構(gòu)模型,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),（4）結(jié)構(gòu)分析方法 主要步驟 1）了解問題，明確目標(biāo) 2）結(jié)構(gòu)簡化和假設(shè) 3）建立模型，注意模型各部分之間的連接關(guān)系 4）模型分析、檢驗(yàn)和修改 5）模型應(yīng)用（評價(jià)、改進(jìn)、優(yōu)化）,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),4、邊界約束條件處理 邊界約束：模仿實(shí)際邊界的約束受力情況，消除結(jié)構(gòu)剛體位移。 支座、節(jié)點(diǎn)與約束 連接,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),支座、節(jié)點(diǎn)與約束 支座:結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)聯(lián)系起來的裝置 節(jié)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)中兩個(gè)或兩個(gè)

18、以上的部件連接處 結(jié)構(gòu)的合理約束要求： 模型無內(nèi)外多余自由度 模型無內(nèi)外多余附加約束 支座反力與所加載荷保持平衡,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),5、受力分析與載荷處理 載荷類型 施加載荷的原則,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),載荷類型 靜載荷：作用在車身（車架）上所有總成、設(shè)備、乘員、貨物等質(zhì)量引起的載荷，按集中載荷或分布載荷處理。 動載荷：交變載荷（載荷譜） 發(fā)動機(jī)的激勵(lì)載荷，路面的激勵(lì)載荷,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),施加載荷的原則 簡化假定越少越好 施加的載荷與結(jié)構(gòu)的實(shí)際承接的載荷狀態(tài)保持一致 集中載荷施加到模型上 對于多種單元組成的連續(xù)性模型，集中載荷可能帶來應(yīng)力奇異點(diǎn) 慣性載荷獨(dú)立于有限元模型,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),6、汽車結(jié)構(gòu)有限元分析指南,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),二、應(yīng)用實(shí)例 1、轎車白車身剛度強(qiáng)度分析 2、SRV白車身模態(tài)分析 3、汽車排氣系統(tǒng)消聲特性分析 4、車內(nèi)聲輻射分析,,汽車結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用,,