CAE在汽车NVH方面的应用
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
三角形 Interior Angle
Aspect Ratio……
四边形
…… Skew Angle Wrap Angle Chordal Deviation……
一、 CAE与FEM
网格类型的选择：
针对平面或者三维壳体分析模型而言，四边形单元和三角形单元是有差别 的，下表列出了这些差异。
Factor
Quadrilaterals
Excellent for high order triangles, very poor for linear triangles
Unstructured (“free”) mesh of triangles is possible for any area
Structured mesh of quads is possible in 3 or 4-sided areas only
合理选择
Mass21
模拟对象
质量部件
Combin14
弹性部件
Beam4、Beam44、Beam188 杆、梁狭长件
Shell63、Shell163
薄壳部件
Solid45、Solid92、Solid95 所有分析对象
流体单元
空气、水
… …
一、 CAE与FEM
： 单元选择准则
准则
• 在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。
一、 CAE与FEM
实际工程中很少采用全三角形单元网格划分，给面进行单元网格划分的实 质问题是——允许模型中哪些地方、存在多少三角形单元网格。实际上， 各处存在三角形单元会相当麻烦，但是应当仔细思考下列问题:
如果采用更高阶单元，三角形单元的计算精度接近于二次单元。所以， 全 部采用二次单元网格也是没有什么理由的。
直接生成的缺点：
除最简单的模型外往往比较耗时 不能用自适应网格划分 使优化设计变得不方便 改进网格划分十分困难 划分网格过程中容易出错
一、 CAE与FEM
单元选择： 根据分析目标、对象几何特性、物理特性、精度要求、简化原
Objective
则来合理选择
单元库
质量单元 弹簧单元 梁单元 壳单元 实体单元
内容纲要
一、CAE与FEM 二、CAE在汽车NVH方面的应用 三、我研究生阶段的工作
一、 CAE与FEM
1、CAE概念
Computer Aided Engineering, 即计算机辅助工程。用计算机对 工程和产品的功能、性能、安全可靠性等进行计算、分析、优化设计， 对其未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，以及早发现设计缺陷， 改进和优化设计方案，证实未来工程/产品的各项性能是否达到设计指 标。
• 体积载荷 - 作用在体积或场域内 (热分析_ 体积膨胀、内生成热、电磁分析_ magnetic current density等)
• 惯性载荷 - 结构质量或惯性引起的载荷 (重力等)
一、 CAE与FEM
分析计算（结构分析类型）
静力分析 ——用于求解静力载荷作 用下结构的位移和应力变化。包括 线性和非线性分析。
一、 CAE与FEM
材料定义：
弹性模量、密度、阻尼
截面定义：
梁单元截面(标准和非标准)、壳单元截面。
网格划分:
根据分析问题的不同，分析对象的不同，分析精度要求的不同，网格划分 的要求也不同。包括：自由划分和映射划分。
网格类型：
三角形、四边形、四面体、块（三菱柱和六面体）网格。
评价指标： Element Length
屈曲分析 —— 用于计算线性屈曲载 荷并确定屈曲模态形状. (结合瞬态 动力学分析可以实现非线性屈曲分 析).
专项分析 —— 断裂分析, 复合材料 分析，疲劳分析
一、 CAE与FEM
求解
输入数据 数据库 结果数据
求解器
结果
结果文件
一、 CAE与FEM
后处理阶段
提取数据 任一工况下，任一节点或单元的位移、应力、应变等
实体建模的缺点：
需要人工参与进行几何简化、清理和修改，使模型便于网格划分。 对于小型、简单模型有时很繁琐，比直接生成需要更多的数据。 在特定条件下可能会失败（程序不能生成有限元网格）
一、 CAE与FEM
直接生成的优点：
对小型或简单模型的生成较方便 使分析人员能完全控制模型几何形状及每个节点和单元的编号
Objective
步骤：
（1）抽象物理模型：静力学、动力学、声学等
（2）几何模型：点、线、面、实体
（3）有限元（边界元）模型——具体化的、可视化、形象化的数学模型。
F
一、 CAE与FEM
建模方法：实体建模和直接生成
实体建模的优点：
对于庞大或复杂的模型，特别是对三维实体模型更合适。 相对而言需要处理的数据少一些 支持使用布尔运算以顺序建立模型 便于使用优化设计功能 能使用自适应网格划分 便于进行局部网格细化 便于改变单元类型
Very good for high order tetrahedra, very poor for linear tetrahedra
Unstructured (“free”) mesh of tetrahedra is possible for any volume, but meshing can be time-consuming
元法适用于所有按变分形式进行计算的场问题，使有限元法得到广泛地 推广和应用。
一、 CAE与FEM
有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。
定义
真实系统
有限元模型
一、 CAE与FEM
载荷
节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。
单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、 面或实体以及二维或三维的单元等种类。
Quality of results per degree of freedom
Mesh generation method(s)
Excellent for high order bricks, good for near parallelepiped linear bricks, poor for nonparallelepiped linear bricks Extruded mesh of bricks (and possibly wedges and/or tetrahedra) can be created while sweeping areas to form volumes
线性
二次
一、 CAE与FEM
自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性。
定义
UY ROTY
ROTZ UZ
UX ROTX
结构 DOFs
方向
结构 热 电
流体 磁
自由度
位移 温度 电位 压力 磁位
一、 CAE与FEM
3、FEM计算思路
分析对象
由
物体离散化
分
到
合
单元特性分析
单元组集
机构，建筑，单个零件，机 械系统，声场，电磁场……
Structured mesh of bricks is possible in brick-, wedge-, or tetrahedronshaped volumes only
一、 CAE与FEM
建立三维实体模型需要作出下列选择： 使用四面体单元划分网格 √采用简便方法建立实体模型。 √选用二次单元或者 p单元。
前处理：建模，单元选择和设置，材料定义，截面定义，网格划分 等，添加边界条件等 分析计算：静力分析，接触分析，瞬态分析，模态分析，谐波分析， 谱分析，声学分析，热分析，电磁场分析等
后处理：提取数据，数据运算，绘制曲线、云图，计算结果评 价，导出数据等
一、 CAE与FEM
前处理过程
建立模型：（有限元分析的关键）
ANSYS中的载荷可分为:
• 自由度DOF - 定义节点的自由度（ DOF ） 值 (结构分析_位移、热分析_ 温 度、电磁分析_磁势等)
• 集中载荷 - 点载荷 (结构分析_力、热分析_ 热导率、电磁分析_ magnetic current segments)
• 面载荷 - 作用在表面的分布载荷 (结构分析_压力、热分析_热对流、电磁分析 _magnetic Maxwell surfaces等)
Triangles
Quality of results Mesh generation method(s)
Excellent for high order quads, good for near parallelogram linear quads, poor for non-parallelogram linear quads Unstructured (“free”) mesh of quads is possible for any area, but may contain a few triangles
或者 使用块单元划分单元网格
√选用块单元网格建立实体模型。通常需要花 费更多时间和精力。
划分子区域 连接处理 与FEM
单元尺寸的控制： Objective 单元尺寸越小，网格就越密，分析精度就越高，但分析时间也就越长，
占用存储空间也越大。
➢ 缺省单元尺寸 ➢ 设置全局单元尺寸 ➢ 使用智能网格尺寸 ➢ 指定关键点附近的单元尺寸 ➢ 指定线上单元尺寸或划分数
约束
有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连 接，并承受一定载荷和约束。
一、 CAE与FEM
常用单元的形状
.点 (质量)
面 (薄壳, 二维实体,
..
.. ... 轴对称实体)
. .
...
线性
二次
. . 线(弹簧，梁，杆，间隙)
.. . ..体..(三维实...体.)............
一、 CAE与FEM
CAE
FEM
BEM
SEA
MB
一、 CAE与FEM
2、FEM概念
Finite Element Method, 即有限单元法。是对物理现象（几何 及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。通过划分单元， 定义 求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。
历史典故
• 有限元法最早源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。 • 1965年，津基藏(O.C.Zienkiewicz)等人将该法加以推广，宣布有限单
数据运算 若干组数据间的数学运算（加减乘除），数据的积分、微分、数乘等
绘制曲线
1 POST26
AMPLITUDE
UZ_46228(x10**-1)
UZ_47716
1
UZ_46098
.9
APR 25 2006 09:22:35
.8
.7
.6 VALU .5
.4
.3
.2
.1
0
20
36
52
68
84
• 选择维数最低的单元去获得预期的结果 (尽量做到能选择点而 不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳， 能选择壳而不选择三维实体).
• 对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的 模型。你可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析 选项作实验性探讨。
• 在许多情况下，相同的网格划分，采用更高阶类型的单元可以 得到更好的计算结果，但计算时间会增加。
离散成各种单元组成的计算模型。 连续问题，变成离散问题；无限 自由度问题，变成有限自由度问 题。计算结果是实际情况的近似。
●选择位移模式 ●分析单元的力学性质 ●计算等效节点力 利用平衡边界条件把各单元重新 连接起来，形成整体有限元方程
求解未知节点位移
一、 CAE与FEM
4、CAE基本流程
前处理 分析计算 后处理
如果采用线性单元，三角形单元就十分糟糕- 但是，不这样会使四边 形 单元网格扭曲。除了重要的结构外，大部分结构的网格划分允许包含 少数 三角形单元网格 。
一、 CAE与FEM
对三维实体分析模型而言，六面体单元和四面体单元是的差别如下表
Factor
Bricks (Hexahedra)
Tetrahedra
一、 CAE与FEM
添加边界条件：（有限元分析的难点）
Objective
模拟实际工况对模型施加载荷和添加约束（可在几何模型或 FEM模型上添 加载荷和约束）
沿线均布的压力
沿单元边界均布的压力
几何模型 在关键点加集中力
在关键点处 约束
FEM模型 在节点加集中力
在节点处约束
载荷分类
Objective
模态分析 ——用于计算结构的固有 频率和模态。
谱分析 ——是模态分析的扩展，用 于计算由于随机振动引起的结构位 移、应力和应变 (也叫作 响应谱或 PSD).
一、 CAE与FEM
谐波分析 —— 确定线性结构对随时 间按正弦曲线变化的载荷的响应.
瞬态分析 —— 确定结构对随时间任 意变化的载荷的响应. 可以考虑与静 力分析相同的结构非线性行为.
Aspect Ratio……
四边形
…… Skew Angle Wrap Angle Chordal Deviation……
一、 CAE与FEM
网格类型的选择：
针对平面或者三维壳体分析模型而言，四边形单元和三角形单元是有差别 的，下表列出了这些差异。
Factor
Quadrilaterals
Excellent for high order triangles, very poor for linear triangles
Unstructured (“free”) mesh of triangles is possible for any area
Structured mesh of quads is possible in 3 or 4-sided areas only
合理选择
Mass21
模拟对象
质量部件
Combin14
弹性部件
Beam4、Beam44、Beam188 杆、梁狭长件
Shell63、Shell163
薄壳部件
Solid45、Solid92、Solid95 所有分析对象
流体单元
空气、水
… …
一、 CAE与FEM
： 单元选择准则
准则
• 在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。
一、 CAE与FEM
实际工程中很少采用全三角形单元网格划分，给面进行单元网格划分的实 质问题是——允许模型中哪些地方、存在多少三角形单元网格。实际上， 各处存在三角形单元会相当麻烦，但是应当仔细思考下列问题:
如果采用更高阶单元，三角形单元的计算精度接近于二次单元。所以， 全 部采用二次单元网格也是没有什么理由的。
直接生成的缺点：
除最简单的模型外往往比较耗时 不能用自适应网格划分 使优化设计变得不方便 改进网格划分十分困难 划分网格过程中容易出错
一、 CAE与FEM
单元选择： 根据分析目标、对象几何特性、物理特性、精度要求、简化原
Objective
则来合理选择
单元库
质量单元 弹簧单元 梁单元 壳单元 实体单元
内容纲要
一、CAE与FEM 二、CAE在汽车NVH方面的应用 三、我研究生阶段的工作
一、 CAE与FEM
1、CAE概念
Computer Aided Engineering, 即计算机辅助工程。用计算机对 工程和产品的功能、性能、安全可靠性等进行计算、分析、优化设计， 对其未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，以及早发现设计缺陷， 改进和优化设计方案，证实未来工程/产品的各项性能是否达到设计指 标。
• 体积载荷 - 作用在体积或场域内 (热分析_ 体积膨胀、内生成热、电磁分析_ magnetic current density等)
• 惯性载荷 - 结构质量或惯性引起的载荷 (重力等)
一、 CAE与FEM
分析计算（结构分析类型）
静力分析 ——用于求解静力载荷作 用下结构的位移和应力变化。包括 线性和非线性分析。
一、 CAE与FEM
材料定义：
弹性模量、密度、阻尼
截面定义：
梁单元截面(标准和非标准)、壳单元截面。
网格划分:
根据分析问题的不同，分析对象的不同，分析精度要求的不同，网格划分 的要求也不同。包括：自由划分和映射划分。
网格类型：
三角形、四边形、四面体、块（三菱柱和六面体）网格。
评价指标： Element Length
屈曲分析 —— 用于计算线性屈曲载 荷并确定屈曲模态形状. (结合瞬态 动力学分析可以实现非线性屈曲分 析).
专项分析 —— 断裂分析, 复合材料 分析，疲劳分析
一、 CAE与FEM
求解
输入数据 数据库 结果数据
求解器
结果
结果文件
一、 CAE与FEM
后处理阶段
提取数据 任一工况下，任一节点或单元的位移、应力、应变等
实体建模的缺点：
需要人工参与进行几何简化、清理和修改，使模型便于网格划分。 对于小型、简单模型有时很繁琐，比直接生成需要更多的数据。 在特定条件下可能会失败（程序不能生成有限元网格）
一、 CAE与FEM
直接生成的优点：
对小型或简单模型的生成较方便 使分析人员能完全控制模型几何形状及每个节点和单元的编号
Objective
步骤：
（1）抽象物理模型：静力学、动力学、声学等
（2）几何模型：点、线、面、实体
（3）有限元（边界元）模型——具体化的、可视化、形象化的数学模型。
F
一、 CAE与FEM
建模方法：实体建模和直接生成
实体建模的优点：
对于庞大或复杂的模型，特别是对三维实体模型更合适。 相对而言需要处理的数据少一些 支持使用布尔运算以顺序建立模型 便于使用优化设计功能 能使用自适应网格划分 便于进行局部网格细化 便于改变单元类型
Very good for high order tetrahedra, very poor for linear tetrahedra
Unstructured (“free”) mesh of tetrahedra is possible for any volume, but meshing can be time-consuming
元法适用于所有按变分形式进行计算的场问题，使有限元法得到广泛地 推广和应用。
一、 CAE与FEM
有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。
定义
真实系统
有限元模型
一、 CAE与FEM
载荷
节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。
单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、 面或实体以及二维或三维的单元等种类。
Quality of results per degree of freedom
Mesh generation method(s)
Excellent for high order bricks, good for near parallelepiped linear bricks, poor for nonparallelepiped linear bricks Extruded mesh of bricks (and possibly wedges and/or tetrahedra) can be created while sweeping areas to form volumes
线性
二次
一、 CAE与FEM
自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性。
定义
UY ROTY
ROTZ UZ
UX ROTX
结构 DOFs
方向
结构 热 电
流体 磁
自由度
位移 温度 电位 压力 磁位
一、 CAE与FEM
3、FEM计算思路
分析对象
由
物体离散化
分
到
合
单元特性分析
单元组集
机构，建筑，单个零件，机 械系统，声场，电磁场……
Structured mesh of bricks is possible in brick-, wedge-, or tetrahedronshaped volumes only
一、 CAE与FEM
建立三维实体模型需要作出下列选择： 使用四面体单元划分网格 √采用简便方法建立实体模型。 √选用二次单元或者 p单元。
前处理：建模，单元选择和设置，材料定义，截面定义，网格划分 等，添加边界条件等 分析计算：静力分析，接触分析，瞬态分析，模态分析，谐波分析， 谱分析，声学分析，热分析，电磁场分析等
后处理：提取数据，数据运算，绘制曲线、云图，计算结果评 价，导出数据等
一、 CAE与FEM
前处理过程
建立模型：（有限元分析的关键）
ANSYS中的载荷可分为:
• 自由度DOF - 定义节点的自由度（ DOF ） 值 (结构分析_位移、热分析_ 温 度、电磁分析_磁势等)
• 集中载荷 - 点载荷 (结构分析_力、热分析_ 热导率、电磁分析_ magnetic current segments)
• 面载荷 - 作用在表面的分布载荷 (结构分析_压力、热分析_热对流、电磁分析 _magnetic Maxwell surfaces等)
Triangles
Quality of results Mesh generation method(s)
Excellent for high order quads, good for near parallelogram linear quads, poor for non-parallelogram linear quads Unstructured (“free”) mesh of quads is possible for any area, but may contain a few triangles
或者 使用块单元划分单元网格
√选用块单元网格建立实体模型。通常需要花 费更多时间和精力。
划分子区域 连接处理 与FEM
单元尺寸的控制： Objective 单元尺寸越小，网格就越密，分析精度就越高，但分析时间也就越长，
占用存储空间也越大。
➢ 缺省单元尺寸 ➢ 设置全局单元尺寸 ➢ 使用智能网格尺寸 ➢ 指定关键点附近的单元尺寸 ➢ 指定线上单元尺寸或划分数
约束
有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连 接，并承受一定载荷和约束。
一、 CAE与FEM
常用单元的形状
.点 (质量)
面 (薄壳, 二维实体,
..
.. ... 轴对称实体)
. .
...
线性
二次
. . 线(弹簧，梁，杆，间隙)
.. . ..体..(三维实...体.)............
一、 CAE与FEM
CAE
FEM
BEM
SEA
MB
一、 CAE与FEM
2、FEM概念
Finite Element Method, 即有限单元法。是对物理现象（几何 及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。通过划分单元， 定义 求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。
历史典故
• 有限元法最早源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。 • 1965年，津基藏(O.C.Zienkiewicz)等人将该法加以推广，宣布有限单
数据运算 若干组数据间的数学运算（加减乘除），数据的积分、微分、数乘等
绘制曲线
1 POST26
AMPLITUDE
UZ_46228(x10**-1)
UZ_47716
1
UZ_46098
.9
APR 25 2006 09:22:35
.8
.7
.6 VALU .5
.4
.3
.2
.1
0
20
36
52
68
84
• 选择维数最低的单元去获得预期的结果 (尽量做到能选择点而 不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳， 能选择壳而不选择三维实体).
• 对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的 模型。你可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析 选项作实验性探讨。
• 在许多情况下，相同的网格划分，采用更高阶类型的单元可以 得到更好的计算结果，但计算时间会增加。
离散成各种单元组成的计算模型。 连续问题，变成离散问题；无限 自由度问题，变成有限自由度问 题。计算结果是实际情况的近似。
●选择位移模式 ●分析单元的力学性质 ●计算等效节点力 利用平衡边界条件把各单元重新 连接起来，形成整体有限元方程
求解未知节点位移
一、 CAE与FEM
4、CAE基本流程
前处理 分析计算 后处理
如果采用线性单元，三角形单元就十分糟糕- 但是，不这样会使四边 形 单元网格扭曲。除了重要的结构外，大部分结构的网格划分允许包含 少数 三角形单元网格 。
一、 CAE与FEM
对三维实体分析模型而言，六面体单元和四面体单元是的差别如下表
Factor
Bricks (Hexahedra)
Tetrahedra
一、 CAE与FEM
添加边界条件：（有限元分析的难点）
Objective
模拟实际工况对模型施加载荷和添加约束（可在几何模型或 FEM模型上添 加载荷和约束）
沿线均布的压力
沿单元边界均布的压力
几何模型 在关键点加集中力
在关键点处 约束
FEM模型 在节点加集中力
在节点处约束
载荷分类
Objective
模态分析 ——用于计算结构的固有 频率和模态。
谱分析 ——是模态分析的扩展，用 于计算由于随机振动引起的结构位 移、应力和应变 (也叫作 响应谱或 PSD).
一、 CAE与FEM
谐波分析 —— 确定线性结构对随时 间按正弦曲线变化的载荷的响应.
瞬态分析 —— 确定结构对随时间任 意变化的载荷的响应. 可以考虑与静 力分析相同的结构非线性行为.