有限元法在汽车行业中的应用

有限元法在汽车行业中的应用

【摘要】：汽车车身结构主要是由薄板冲压的覆盖件、承载骨架和各种加强件组成的。在有限元分析中可将它看成是由许多单元所组成的整体, 或起承载作用, 或承受、传递外部载荷, 以保证整个汽车的正常工作。

【关键词】：汽车；技术；应用

在当前的工程技术领域中有越来越多的复杂结构，包括复杂的几何形状、复杂的载荷作用和复杂的支撑约束等。当对这些复杂问题进行静、动态力学性能分析时, 往往可以很方便地写出基本方程和边界条件, 但却求不出解析解。这是因为大量的工程实际问题非常复杂, 有些构件的形状甚至不可能用简单的数学表达式表达, 所以就更谈不上解析解了。

对于这类工程实际问题, 通常有两种分析和研究途径: 一是对复杂问题进行简化, 提出种种假设, 最终简化为一个能够处理的问题。这种方法由于太多的假设和简化, 将导致不准确乃至错误的答案。另一种方法是尽可能保留问题的各种实际工况, 寻求近似的数值解。在众多的近似分析方法中, 有限元法是最为成功和运用最广的方法。

1. 汽车结构有限元分析

汽车车身结构主要是由薄板冲压的覆盖件、承载骨架和各种加强件组成的。在有限元分析中可将它看成是由许多单元所组成的整体, 或起承载作用, 或承受、传递外部载荷, 以保证整个汽车的正常工作。由于要完成各自独特的功能, 它们的结构各不相同, 并且都比较复杂。一些结构件的工作条件比较恶劣, 长期在振动和冲击载荷下工作。寻求有关这些结构件正确而可靠的设计和计算方法, 是提高汽车的工作性能及可靠性的主要途径之一。

在汽车结构分析中, 有限元法由于其能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题的独特优点而被广泛使用。各种汽车结构件都可应用有限元法进行静态分析、固有特性分析和动态分析; 并且从原来对工程实际问题的静态分析为主转化为要求以模态分析和动态分析为主。也可根据工程实际结构的特点要求进行非线性分析。具体地说, 汽车结构有限元分析的应用体现于: 一是在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度、稳定性分析; 二是在汽车的计算机辅助设计和优化设计中, 用有限元法作为结构分析的工具; 三是在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态, 进一步计算出各构件的动态响应, 较真实地描绘出动态过程, 为结构的动态设计提供方便有效的工具。

有限元法分析汽车结构的一般过程如下:

（1）研究分析结构特点。研究分析所需求解对象的结构特点, 包括形状、边界条件、工作载荷特点, 利用UG、CATIA 等软件建立物理力学模型。

（2）形成有限元计算模型(网格图)。利用I-DEAS 等软件, 根据结构特点, 确定单元类型, 并选取节点, 形成网格图, 同时选定支承及边界条件, 以及决定载荷的处理, 最终形成计算数据文件。

（3）选择程序, 如ANSYS、PATRAN等软件, 或编制有限元计算程序。

（4）上机计算。

（5）计算模型准确性判别。

（6）修改计算模型。

（7）修改程序。

（8）正式计算及结果整理。

（9）结构设计方案的修改。

（10）输出。

2. 汽车安全性的碰撞模拟计算

汽车碰撞过程的计算机模拟是汽车结构有限元分析的重要内容, 也是一个难度很大的非线性工程计算问题。由于整车碰撞试验要在样车试制出来后才能进行, 周期长, 且碰撞试验是破坏性的, 试验费用昂贵。它只能作为较全面的质量最终检验试验, 不能适应开发阶段的需要。随着计算机技术、计算方法及力学学科的发展，采用计算机模拟汽车碰撞过程来研究提高汽车被动安全性的措施已成为汽车产品开发阶段所用的重要手段。这样, 就可以缩短开发周期, 减少碰撞试验次数, 降低开发成本, 世界各著名汽车生产厂家广泛采用此手段, 并且成功地开发了许多用于被动安全性研究的计算分析软件。

目前, 国内外用于汽车碰撞模拟的模型, 主要采用四类：模拟汽车事故的模型、模拟结构大变形的模型、模拟人体整体动力学响应的模型、模拟人体局部结构的生物力学模型。其中前两类模型主要针对车身的运动和变形, 后两类模型主要针对人体的运动和伤害, 同一类模型也可采用不同的模拟方法。

对于碰撞, 如何计算模拟碰撞时车身构件的大变形过程成为模拟计算的关键问题。有限元法是碰撞过程模拟计算所用的主要方法。它利用”离散化”的概念, 将具有无限多个自由度的弹性连续体简化为具有有限个自由度的单元集合, 从而求得数值解。

目前, 碰撞过程中汽车结构大变形的碰撞模拟计算工作主要集中在力学理论研究、材料理论研究和计算数学方法研究等几个领域, 其中有限元理论研究、简单典型构件的碰撞模拟计算、汽车典型零部件的碰撞模拟计算和整个白车身的碰撞模拟计算在汽车设计与制造中应用最广。