汽车结构有限元分析第六讲汽车结构有限元分析实例50页PPT
06-01车辆结构有限元模态分析
一、有限元模态分析基础
车辆结构的固有振动频率和振型可以从 两个方面获得： （1）通过对实际样车进行试验，识别出结构 的各阶模态频率和振型； （2）通过理论分析计算得出结构的各阶模态 和振型。
一、有限元模态分析基础
需要明确的是模态分析中只有线性行为 是有效的。如果分析中含有接触单元，则系 统取其初始状态的刚度之，并不再改变此刚 度值。模态分析中必须制定杨氏模量EX和密 度DENS（或某种形式的质量）。
一、有限元模态分析基础
模态分析要点： 1）必须要定义杨氏模量EX和密度DENS； 2）网格的划分对后续分析影响较大； 3）约束与否以及约束的位置对模态分析影响 较大。
一、有限元模态分析基础
模态分析分为三大类：自由模态分析、 约束模态分析、带预应力的模态分析。 所谓“自由”就是被分析的部件没有任 何的约束，有限元分析的频率就是部件的固 有频率。 约束模态是分析前处理好部件工作时的 边界条件，模拟工况。
一、有限元模态分析基础
模态分析的主要目的是用于确定系统振 动特性，即系统结构的固有频率及与此相对 应的振型。由于车辆在行驶过程中受到各方 面的动态载荷，如路面不平、发动机相关的 振动冲击等，使得车辆发生振动。 为避免因系统结构的固有频率与其他动 态载荷的频率相同相近而引发的共振，一般 需对车辆零部件进行模态分析。模态分析是 瞬态动力学、谐响应和谱分析等的基础。
车辆结构有限元分析
常熟理工学院（东南校区）
汽车工程学院——胡顺安
第六章 车辆结构有限元模态分析
有限元模态分析基础 悬臂梁约束模态分析 发动机曲轴自由模态分析 发动机曲轴约束模态分析
一、有限元模态分析基础
模态分析是振动工程理论的一个重要分 支，是研究结构动力特性的一种近代方法。 通过它可以确定机械系统的固有频率、振型 和振型参与系数，即在特定方向上某个振型 在多大程度上参与了振动。
车架有限元分析
以ANSYS软件为分析工具对从国外引进的某重型车的车架进行了有限元分析、模态分析和以路面谱为输入的随机振动分析，通过用壳单元离散车架及MPC单元模拟铆打传力建立计算模型，研究该车架静、动态性能，了解该车架的优缺点。
车架是汽车的重要组成部分，在汽车整车设计中占据着重要位置，车架结构设计历来为广大汽车厂商所重视。
本文以某汽车公司从欧洲引进的某重型车车架为研究对象，对该车架结构的动、静态特性进行分析计算，消化、吸收欧洲的先进技术并在此基础上进行自主创新设计。
分析手段主要是通过建立正确的有限元分析模型，对车架进行典型工况的静态分析、模态分析和路面不平度引起的随机振动分析，以此了解车架的静态和动态特性，了解该车架的优越性能及其不足之处，为新车架的改型设计提供依据。
1 有限元分析模型的建立该车架为边梁式，由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接或焊接方式将纵梁和横梁联接成坚固的刚性结构，纵梁上有鞍座，其结构如图1所示。
由于车架是由一系列薄壁件组成，有限元模型采用壳单元离散能详细分析车架应力集中问题，可以真实反映车架纵、横梁联接情况，是目前常采用的一种模型。
该车架是多层结构，纵梁断面为槽形，各层间用螺栓或铆钉联接，这种结构与具有连续横截面的车架不同，其力的传递是不连续的。
该车架长7m，宽约0.9 m，包括双层纵梁、横梁、外包梁、背靠梁、鞍座、飞机板、铸铁加强板、发动机安装板、三角支撑板和后轴等部分。
考虑到车架几何模型的复杂性，可在三维CAD软件UG里建立车架的面模型，导人到Hypermesh 软件中进行网格划分等前置处理，然后提交到ANSYS解算。
车架各层之间的铆钉联接，可以用Hypermesh-connectors中的bar单元来模拟铆钉联接，对应的是ANSYS的MPC单元，因车架各层间既有拉压应力，又有剪应力，故MPC的类型应选择Rigid Beam方式。
由于该车是多轴车，为超静定结构，为了得到车架结构的真实应力分布，必须考虑悬挂系统的变形情况。
长安大学汽车结构有限元分析
汽车结构有限元分析一：有限单元法的思想：从数学角度看，其基本设想是通过离散化的手段，将偏微分方程或者变分方程变换成代数方程求解。
从力学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将连续体划分成有限个小单元体，并使他们在有限个节点上相互连接。
在一定精度要求下，用有限个参数来描述每个单元的力学特性，整个连续体的力学特性可以认为是这些小单元体的力学特性综合，从而建立起连续体的力的平衡关系。
二：有限元方法的应用：整车及零部件的强度疲劳寿命分析；整车及零部件刚度分析；整车及零部件的模态分析；汽车NVH分析；整车碰撞安全性分析；设计优化分析；气动或者流场分析；热结构耦合分析。
三：汽车结构有限元分析的流程：1、将连续分割成有限大小的区域:，这些小区域即为有限单元，单元之间以节点相连。
2、选择节点的物理量，如位移、温度作为未知量，对每个单元假设一个简单的连续位移函数来近似模拟其唯一分布规律3、利用有限单元法的不同解法，如根据虚功原理建立每个单元的平衡方程，形成单元性质的矩阵方程。
4、将各个单元在组装成原来的整体区域，建立整个物体的平衡方程组，形成整体刚度矩阵。
5、引入边界条件，即约束处理，求解出节点上的未知数。
四：弹性小挠度薄板弯曲基本假设：1、变形前垂直于中面的法线在变形后仍是弹性曲面的法线。
2、板厚方向的位移沿板的厚度是不变的，与中面的ω一致。
五：总刚度矩阵的性质：1、对称性2、稀疏性3、带状分布4、奇异性证明∑X=0∑Y=0结构处于平衡【边界约束前具有1-4的性质约束后有1-3的性质】六：什么叫等参单元等参单元有何优点和特点等参数单元简称等参元就是对单元几何形状和单元内的参变量函数采用相同数目的节点参数和相同的形函数进行变换而设计出的一种新型单元。
优点1、形函数用局部坐标表示2、局部坐标与直角坐标变换通过几何参数表达3、坐标变换几何参数量与形函数节点参数数量相同4、各类等参数单元构造方法相同。
七：什么是模态分析模态分析是研究结构动力特性一种近代方法是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
车辆有限元PPT课件
安徽农业大学
第49页/共68页
汽车结构有限元分析及应用
2）详细设计阶段（车身）
•车 身 强 度 刚 度 及 灵 敏 度 分 析 •截 面 与 接 头 分 析 •开 闭 件 的 强 度 刚 度 分 析 •车 身 附 件 的 强 度 刚 度 分 析 •模 态 分 析 及 频 率 响 应 分 析 •N V H 分 析 •安 全 性 分 析 •耐 久 性 分 析
第33页/共68页
结构分析有限元法的实现
网格尺寸大小
安徽农业大学
网格大小对计算精度和速度有重要影响 原则： 在保证计算精度的情况下，采用尺寸大的网格划分方法
第34页/共68页
结构分析有限元法的实现
网格形状
网格形状的优劣对计算精度有重要影响
安徽农业大学
第35页/共68页
结构分析有限元法的实现
2、节点位移约束
第10页/共68页
绪论
（5）程序面向用户的开放性
安徽农业大学
第11页/共68页
绪论
4、有限元分析的典型步骤
安徽农业大学
•连续体的离散化 •选择位移模型 •用变分原理推导单元刚度矩阵 •集合整个离散化连续体的代数方程 •求解位移矢量 •由节点位移计算出单元的应变和应力
第12页/共68页
绪论
安徽农业大学
1、汽车结构设计准则与目标 2、汽车结构有限元建模 3、单元选用及网格划分 4、边界约束条件处理 5、受力分析与载荷处理 6、汽车结构有限元分析指南
安徽农业大学
第45页/共68页
汽车结构有限元分析及应用
1、汽车结构设计准则与目标
安徽农业大学
（1）汽车结构设计涉及的内容 （2）汽车结构设计目标 （3）汽车结构设计准则
车身结构有限元分析
杆（Bar） 壳单元（Shell）
承受拉伸载荷的细长结构，如某些限位约束可简化为刚 性杆，车骨架在拓扑优化设计等
车身冲压件
体单元（Solid） 螺栓、发动机等
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.1 车身结构有限元分析
4） 载荷的处理
作用于车身结构的载荷分别处理为结构自重、各装备重量和乘客重量。 Ø 结构自重可通过在ANSYS软件前处理程序中输入车身骨架材料密度和重力
7.1 车身结构有限元分析
第7章 车身结构有限元分析 及优化设计
《汽车车身结构与设计1 车身结构有限元分析
本章学习目标及重难点
学习目标
1. 了解有限元方法的基本理论； 2. 掌握车身结构有限元建模方法及简化方法； 3. 掌握车身结构有限元分析方法； 4. 了解车身结构优化设计的基本过程和方法。
求解器 后处理
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.1 车身结构有限元分析
1. 前处理模块
几何建模 单元类型选择 网格划分 材料类型选择 载荷处理：集中载荷、分布载荷
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.1 车身结构有限元分析
2. 分析计算模块 (SOLUTION)
通用后处理
3.后处理模块 (POSTProcessor)
第7章 车身结构有限元分析及优化设计
7.1 车身结构有限元分析
车身建模常用的有限元单元类型
单元类型
在车身上的应用举例
质量单元（Mass） 被省略部分的重量（如发动机、行李、乘员等）
梁（Beam） 弹簧（Spring）
承受弯曲载荷的细长结构、如底板下横梁、车架梁等、 点焊、复合材料板的加强筋
模拟悬架或发动机支撑的刚度特性
汽车结构有限元分析--单元类型及单元分析 ppt课件
由于采用高斯积分，相应 截面上的应力等量值也是在积 分点上获得的，再由积分点外 推到节点，在查看计算结果输 出时要注意输出点的位置。
ppt课件
19
3.三维单元分析
利用有限单元法来分析空间问题时， 也像分析平面问题时一样，要将弹性体 进行离散，形成有限元离散体。空间问 题时弹性体的离散可用多种不同单元， 如四节点四面体单元、八节点六面体单 元、20节点六面体单元及各种等参单元。 其中四节点单元是最简单的空间单元， 它是一种常应变单元。
ppt课件 12
对于空间等参梁单元主要有2节点直梁单元， 3节点曲梁单元。空间梁单元的每个节点有六个 自由度，两个节点共由十二个位移分量组成 。空 间梁单元节点力列矩阵也由十二个力的分量组成， 即轴向拉压、扭转以及在xy、xz两平面内的剪切 和弯曲。空间梁单元采用了平截面假设，既变形 前垂直于梁中性轴的截面，变形后仍保持平面， 但不一定垂直中性轴。这种假设包含了剪切变形 影响，这种梁单元可以处理大变形小应变的几何 非线性问题和材料非线性问题。 需要强调指出的是，由于单元刚度矩阵等都 是在局部坐标中生成的，而单元总装是在整体坐 标中进行的，因此在总装之前，这些矩阵还要经 过一次方向变换，而方向余弦值则由局部坐标与 整体坐标之间的关系决定。
ppt课件 11
上述在局部坐标系中得出的杆单元或梁 单元刚度矩阵，由于整体结构中各杆梁位 置不同、倾角不同，有限元模型要求一个 单元在整体坐标系中能够任意定位，这就 需要建立两种坐标系下的转换关系。对平 面桁架、空间桁架、平面刚架与空间刚架， 都需要建立这种坐标变换关系。 对平面桁架，根据坐标旋转公式 即可。 整体坐标系与局部坐标系下的单元刚度 T k T k T 矩阵的形式：
汽车方面的结构有限元分析PPT课件
» 载荷可是真的静载，也可为动载峰值
– 结构变形
» 影响运动关系 » 检查运动干涉
常见汽车零 部件失效
» 变形过大失效问题
» 世界著名案例：日本车制动油管
静强度失效 疲劳失效 共振原因失效
• 汽车结构模态分析
– 属动力学分析领域 – 分析结构的固有特征
» 固有频率 » 固有振型 » 模态阻尼 » 模态刚度 – 广范用于汽车结构动态特性设计 – 广泛用于解决汽车结构振动噪声问题
f *T F *T dxdydz
V
第二章 有限元法基思想
• 引言
– 弹性力学对结构分析的描述（求应力和变形）
• 十五个偏微分方程 • 满足边界条件 • 连续体，无穷多个自由度
– 机械结构复杂性
• 几何形状复杂 • 位移边界条件复杂 • 所受载荷复杂 • 结构材料复杂 • 求不出解析解，须用数值计算方法
外力在虚位移上所做的功等于弹性体内应力在相应的虚应变上所做的功单元种类很多结构单元节点网格任一点的位移用节点位移表示节点力和节点位移的关系单元e节点力单元e节点位移位移先计算位移再计算应变和应力zxyzxyzxyzxyyzzxyzxyzxxyxyxyyzzxyzxyzxxyxyxy平面应力问题特点planestressyzzyxzzxyzzyxzzx由虎克定律求得平面应力问题的由来三角形单元四边形单元8节点单元举例说明设置节点设置节点材料a材料b界面正确这样不行病态单元a边长差别太大b边长差别太大c边夹角太大单元拓扑信息平板长2宽1节点号约束代材料编号其它常数i点x方向单位位移etta对角元素的力学意义为
［J］. 拖拉机与农用运输车，2002（1）
主要讲述内容
• 有限元法概述 • 弹性力学简介 • 平面问题有限元法 • ANSYS的应用简介 • 轴对称问题有限元法 • 板壳问题有限元法 • 实体问题有限元法 • 组合结构有限元法 • 有限元模态分析 • 有限元疲劳分析 • 汽车结构有限元分析实例
05-01车辆结构有限元静力学分析分析
二、汽车驱动桥桥壳的有限元分析
分析结果如下：
三、支架有限元分析
支架用于支撑邮箱、散热器、蓄电池、 工具箱等。支架与车架的连接方式可以通过 螺栓连接，在分析过程中需要用到抽取中面、 简化成板壳结构、螺栓连接等有限元建模技 术。
三、支架有限元分析
如车架有限元分析的建模：
考虑到整个车架基本 上都是由钢板冲压、焊接 而成，这里主要用板壳模 拟车架，只有铰接轴套管、 铰接轴销轴、平衡悬架处 的平衡轴和前悬架的前后 支架采用体来建立模型。
二、汽车驱动桥桥壳的有限元分析
操作步骤： 1.打开软件导入axle_housing.x_t,进行前处理； 2.打开静态分析，设定并分配零部件材料； 3.建立试验块与桥壳总成的接触关系； 4.划分网格（尽量采用Hex_domain); 5一端全约束、另一端放松轴向；在板簧面施加载荷 12000*2.5=30000 N，单边15000 N； 6.求解应力和变形； 7.后处理。
三、支架有限元分析
分析中难点：
三、支架有限元分析
难点2，建立接触
三、支架有限元分析
难点3.约束
三、支架有限元分析
分Hale Waihona Puke 结果三、支架有限元分析解决办法
三、支架有限元分析
改进后的分析结果
一、结构有限元静力学分析基础
汽车零部件的许用应力和安全系数： 3）对于扭转许用应力，安全系数n1≧1.5 则有： [τ]=τs/n1 若τs不能查到，可由下面的公式进行估算： [τ]=0.58σs/n1
二、汽车驱动桥桥壳的有限元分析
驱动桥桥壳是汽车上主要承载结构件， 由于其形状复杂，采用传统的工程力学方法 只能根据经验进行设计，很难确保设计是否 合理。一般需要通过桥壳总成疲劳台架试验 来确认设计的合理性。
《汽车结构有限元》
《汽车结构有限元》一、在建立弹性力学平衡微分方程、几何方程、物理方程时分别应用了哪些基本假定？(1)物体是连续的(2)物体是完全弹性的(3)物体是均匀的(4)物体是各向同性的(5)物体的变形是微小的二、什么是平面应力问题？什么是平面应变问题？他们的应力分量某,y,某y是否相同的厚度为t的很薄的均匀木板。
只在边缘上受到平行于板面且不沿厚度变化的面力，同时，体力也平行于板面且不沿厚度变化。
以薄板的中面为某y面，以垂直于中面的任一直线为Z轴。
由于薄板两表面上没有垂直和平行于板面的外力，所以板面上各点均有：(z)t0，(z某)t0，(zy)t0zzz222另外由于平板很薄，外力又不沿厚度变化，可认为在整个薄板内各点均有：z0，z某某z0，zyyz0于是，在六个应力分量中，只需要研究剩下的平行于某OY平面的三个应力分量，某、y、某yy某，所以称为平面应力问题。
即10某某ED10yy(2-22)21某y1某y002一纵向(即Z向)很长，且沿横截面不变的物体，受有平行于横截面而且不沿长度变化的面力和体力。
由于物体的纵向很长(在力学上可近似地作为无限长考虑)，截面尺寸与外力又不沿长度变化；当以任一横截面为某y面，任一纵线为Z轴时，则所有一切应力分量、应变分量和位移分量都不沿Z方向变化，它们都只是某和y的函数。
此外，在这一情况下，由于对称(任一横截面都可以看作对称面)，所有各点都只会有某和y方向的位移而不会有Z方向的位移，即w=0因此，这种问题称为平面位移问题，但习惯上常称为平面应变问题101某某E(1)y10y(2-27)D(1)(12)1某y某y12002(1)E（若将E改换为2，将改换为，就得出下式）11三、有限单元法分析的基本思想(1)在力学模型上，将一个原来连续的物体，划分为数目有限的许多小块体（称为单元），这些单元之间仅在有限个节点上相连接，并在节点上引进等效力来代替实际作用于单元上的外力；(2)对于每一个单元，根据分块近似的思想，选择一种简单的函数来近似地表示单元内位移分布规律，并按一定的理论（如弹性理论中的能量原理，变分原理等），建立单元节点力和节点位移之间的关系。
《有限元分析概述》课件
如何生成适合于有限元分析的网格，并优 化网格结构。
如何进行杆件的有限元分析，包括轴力、 弯曲和扭转。
3 二维和三维模型的分析
4 不同单元的选择及其特点
如何进行二维和三维模型的有限元分析， 包括平面应力、平面应变和轴对称。
不同类型的有限元单元的选择和应用，以 及它们的特点和限制。
有限元分析软件
ANSYS
有限元分析的应用领域
工程结构分析
有限元分析广泛应用于工程领域，包括建筑、桥梁、船舶、管线等结构的设计和分析。
汽车、航空航天、机械等领域应用
有限元分析在汽车、航空航天、机械等行业中被广泛应用于产品设计和优化。
地震、爆炸等自然灾害分析
有限元分析可以用于模拟和预测地震、爆炸等自然灾害对结构的影响，进而提高结构的抗震 和防爆性能。
COMSOL Multiphysics是一款多物理场耦合的 有限元分析软件，适用于多领域的工程分析。
有限元分析的未来发展
1 超级计算机的运用 2 多物理场耦合
随着计算机性能的提升， 有限元分析可以应用于 更大规模、更复杂的问 题。
有限元分析将更多的物 理场耦合在一起，进行 更全面的分析。
3 计算效率的提高
有限元分析的基本流程
1
，将结构进行建模。
2
离散
将结构分割成小的、简单的单元。
3
材料定义
定义每个单元的材料性质和力学行为。
4
载荷约束条件
对结构施加边界条件和加载条件。
5
求解
通过数值计算方法求解结构的行为特性。
有限元分析的相关问题
1 网格生成及其优化
2 杆件的分析
随着算法和计算技术的 进步，有限元分析的计 算效率将得到提高。
汽车结构有限元分析第六讲汽车结构有限元分析实例幻灯片PPT
1、汽车结构设计准则与目标
有限元分析方法是汽车数字化设计的一项核心技术； 在产品设计阶段对汽车结构及性能做出预先评估； 有限元分析能够提供大量的仿真试验数据和技术参数，
@2轿车白车身建模与应力分
析 首先是制订分析方案：包括几何模型简化、单元类型选择、网格
密度和质量控制、材料与部件命名体系等原则。如对该车身建立 了模型命名体系：即规则、顺序、编号（留有余量），按照车身、 总成、零件与模型中部件、组件、元件相对应。如地板总成、左 右前纵梁总成、前轮罩焊接总成、左右侧围焊接总成、前围焊接 总成、顶盖及前后梁、后围焊接总成等。建立模型系统的部件名 称是为了建模、修改方便。
2.纵向载荷工况：按牵引力或制动力最大计算； ①、最大牵引力工况： ②、紧急制动工况：
3.侧向载荷工况：按侧向力最大计算。 ------关键问题在于载荷与约束施加
桥壳计算采用在轮轴处加载，在板簧处约束的方法， 这样处理载荷比较准确，与在板簧处加载、在轮轴处约束 的另一种方法等效。轮轴上载荷按余弦曲线分配到半个轮 轴上各节点，板簧上约束一个区域。
进而可以替代部分试验，有利于设计经验的积累和设计 技术的提高。 ------汽车结构分析的目的主要是解决汽车结构的可靠性、 安全性、经济性和舒适性等问题，其分析内容十分广泛， 而且相互关联，主要涉及以下内容： 可靠性：研究汽车结构强度、刚度和动态特性，以及疲 劳寿命等； 安全性：研究结构耐撞性与乘员安全性等； 经济性：研究结构优化及轻量化等； 舒适性：进行结构振动噪声分析等。
单元选择的准则是基于对结构受力状态分析 与单元属性的理解。