有限元法在汽车中的应用

有限元法在汽车中的应用

有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的技术，广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中，成功的解决了许多复杂的设计和分析问题，己成为工程设计和分析中的重要工具。随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法，有限元法在产品设计和研制中所显示出的无可伦比的优越性，使其成为企业在市场竞争中制胜的一个重要工具，有限元法在机电工程中的应用也越来越重要。现代汽车工业技术快速发展,计算机技术不断推陈出新,使分析仿真技术以其快速高效和低成本的强大优势,成为汽车设计的重要手段,各种分析软件成为CAE技术广泛应用的工具。

有限元在机械设计中的优点是有目共睹的，在汽车的设计中这些优势得到了完美的体现，其优点如下：

1、与CAD软件的无缝集成

当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。

2、更为强大的网格处理能力

有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。有限元使用的自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。

3、由求解线性问题发展到求解非线性问题

随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库。

4、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解

理论上已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓"流固耦合"的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。

5、程序面向用户的开放性

有限元软件允许用户根据自己的实际情况对软件进行设置和扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热

本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等，这些极大地提高了有限元的可操作性。

在现代化要求越来越高的今天,汽车数字化设计成为必经之路。现代设计方法表明,产品设计虽然只占产品整个成本的5%,但它却影响整个成本的70%,CAE模拟分析技术可以很好地解决产品设计中的问题,并做到快速修正。在汽车的三大构成中，车身总成比底盘和发动机总成要复杂得多，车身的设计过程也相对复杂，涉及到工业造型、工程材料、生产工艺、结构力学、人机工程等众多学科,所以在概念设计完成后,只有通过CAE仿真分析,才可以快速、全面了解车上各零部件受力和相互影响情况,并指导优化设计,以保证零部件具有足够的刚度和强度,同时满足结构型式要求，因此，有限元法的应用将会给汽车行业的发展做出越来越大的贡献。

有限元方法在汽车上主要有以下几种应用:

1．结构静力分析:这是在车辆及其发动机的各种零部件设计中最常见的问题，也是应用最为广泛的领域，即分析计算结构与时间无关的应力分布与变形情况。例如齿轮轮齿、钢板弹簧、车架、发动机缸体、缸套、进(排)气阀、活塞、飞轮的静力分析。

2.结构动力学问题:可分为两类问题:一类是求解结构或系统本身的动态特性，如固有频率、振型等，这对分析与解决振动问题是十分重要的；另一类是强迫响应分析，即结构在动载荷的作用下的响应，这较静力分析更接近于车辆及其发动机中的许多零部件的实际工作情况，但一般计算量也将增加许多倍。随着对环境问题的日益重视，

在车辆及发动机的设计中已普遍采用各种分析工具，采取各种有效措施，来改善和减少车辆的振动和噪声。例如车辆动力装置的动态性分析等。

3.温度场分析:分析结构内部温度的分布情况以及热应力和热变形的情况，包括稳态和瞬态的问题，例如可应用于发动机中的活塞、气缸盖等燃烧室附近的零部件。在进行这类零部件的强度刚度分析计算时，不仅要考虑机械负荷.而且还要同时考虑热负荷。

4.流场分析:是有限元方法在流体力学领域中的应用。一般流场分析是非线性问题，较为复杂。解决流体力学中的问题应用较多的是有限差分法与可以认为是介于有限差分法和有限元方法之间的有限容积法。这一类问题的应用实例有:车辆外形对行驶阻力的影响的分析、对发动机冷却系统的分析等。

其他还有断裂力学问题、接触问题等，例如为提高车辆的安全性而进行的车辆碰撞情况的动态模拟等。

车身有限元分析中难点及解决方法

建立车身有限元模型时要如实反映车身实际结构的重要力学特性，保证较高的计算精度。有限元分析计算结果的可信度高低，直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程结构力学特性符合程度的影响，若有失误则会造成很大误差，严重时将使计算、分析失败。

汽车车身一般是薄钢板焊接或铆接的整体结构，所以在进行有限元分析时，一般而言，也是将车身作为一个整体来考虑。选取较稀疏的网格进行计算，得到零部件处的位移，然后将该位移施加在具体零

部件的边界，作为该零部件的边界条件，然后分析单元的力学性质，根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方

程式，从而导出单元刚度矩阵，最后计算等效节点力学数值。

综上所述，在汽车设计中充分利用有限元分析技术可以改善设计质量，提高了设计的一次成功率，从而可以提高汽车厂家的自主开发能力。从有限元分析的实际情况来看，有限元分析在车身零部件和车身整体的结构分析、模态分析和碰撞分析等领域中都有着广阔的应用前景，因此有限元法在汽车中的应用将会成为汽车设计的主流。

参考文献

[1]许尚贤.机械设计中的有限元方法.北京:高等教育出版社.1992

[2]王勖成,邵敏.有限元基本原理和数值方法.北京:清华大学出版社,2000

[3]冯国胜，贾素梅.轻型车有限元分析及应用.机械强度，1996，18.