汽车结构的有限元计算模型

汽车结构分析方法简述
在汽车结构分析中，解析方法（如材料力学、 弹性力学和结构力学等）只能用于简单的结构 件，如杆、梁、柱以及简单的板壳等，不能解 决汽车中众多复杂零部件的结构分析问题（为 什么？），因此现代汽车设计的技术分析主要 采用有限元等数值方法。
1 弹性力学的基本方程有哪些？
2 从数学上讲，弹性力学问题的求解是哪类问 题？
车有绕纵向x轴转
Leabharlann Baidu
动的趋势。
MX
Mx
y
x
（3）汽车弯扭组合情况
实际上，由于重力
始终存在，汽车必
z
受弯矩和扭矩，必
须一起考虑！
Mx
x MX
Fz
y
（4）汽车侧向载荷情况
这种情况发生在汽 车转弯(离心力)或 汽车受横风或汽车 滑向路牙时，即受 y轴载荷。
z Fy
x
y
（5-1）汽车纵向载荷——加速情况(后轮驱动)
CAX与有限元分析充分融合已成趋势
CAD技术的发展使三维设计和虚拟装配成为现实
自20世纪80年代开始，在基于特征的CAD技术中，可 以建立全参数驱动的三维模型，并以此为基础，对整 体设计和部件进行有限元分析、运动分析、装配的干 涉检查和NC自动编程等。
CAE技术使结构分析和运动校核可以在设计阶段完成， 避免了反复实验和试制！
四轮汽车模型
z
汽车坐标系
C.G.
x
y
C.G.——Center of Gravity
(1)汽车弯曲情况
由于部件质量引起
的载荷，作用在垂
z
直平面（x-z）,载
荷沿汽车车架方向
分布，产生绕y轴
的弯矩。
x
y
Fz
（2）汽车扭转情况
由于路面不平或不
对称支承，使作用
z
在同一车轴两车轮
的沿z轴的力不等，
必引起扭矩,使汽
汽车结构分析方法简述
在汽车结构分析中，解析方法（如材料力学、 弹性力学和结构力学等）只能用于简单的结构 件，如杆、梁、柱以及简单的板壳等，不能解 决汽车中众多复杂零部件的结构分析问题（为 什么？），因此现代汽车设计的技术分析主要 采用有限元等数值方法。
FEM是一种高效、成熟和不断发展的数值方法， 如小波有限元在分析裂纹扩展问题中的应用等 等
新一代的 CAE 技术将不单纯是计算技术，它将和试验 技术紧密地融合在一起，成为工程实用中更加可靠的一 门完整技术。
CAM技术使设计数据直接用于加工，大大缩短了产品 的制造周期。
如，有限元数值模拟板料冲压成形过程，可很好的预 测成形缺陷。
这些技术的广泛应用使汽车产品开发发生了根本性的 变革，使汽车产品也可以按照不断变化的客户需求进 行及时响应，开发一个全新车型的周期已经从4~5年 缩短到18个月左右。
加速时，产生纵向载荷(沿x轴)，作用在轮胎与地面接 触点的牵引力和惯性力。 z
随着上机实践的进行，运算复杂 性这一矛盾已迎刃而解。但是…
我们还是不禁要问：FEM真的那 么有用吗？它是屠龙妙术，还是 一种实用技术？它在汽车工程中 真有那么广泛的应用吗？
第一节 概述
本节教学内容
FEM在现代汽车开发中的应用
汽车结构分析方法简述 FEM应用实例
FEM建模和使用软件进 行结构分析的三点注意
驱动桥变有速限器元齿模轮型有限元驱分动析桥模有型限元分析应力云图
➢汽车碰撞有限元建模与仿真
汽车设计中，除了要满足强度和刚度的要求外， 还要进行碰撞实验，使其符合相关法规的要求。
汽车碰撞的两种 研究手段：实验 和有限元仿真
汽车正碰实验
➢汽车碰撞有限元建模与仿真
汽汽车车正侧碰碰仿过真程有与限实元验分结析果与的仿真对比
课程名称
车辆有限元分析方法
教材名称
汽车有限元法
汽车结构的有限元计算模型
第一节 概述 第二节 汽车结构计算模型 第三节 载荷与边界约束条件的处理
Over
有限元法（FEM）虽然已很流行， 但无需讳言，对于接触FEM时间 不长的同学们来说，有限元方法 仍难免有些神秘和高深莫测。
此前，我们学习了各种平面和空 间单元，讨论了其位移模式、单 元刚度矩阵的求取以及单元组集 的方法等。对结构有限元分析问 题的运算复杂性和手算低效的矛 盾有了深刻印象和切身感受。
现代汽车开发过程（从概念到实物）
在这一过程中，有限元分析充当了重要角色具有不可或缺的作用
效果图
分析 仿真
油泥模型 制作
车身设计 底盘设计
管路布置
样车试制 模具制造
1: 5和1: 三维总布置
1模型
设计
造型设计 总体设计
电器系统 其它系统
设计
详细设计
批量生产
汽车产品数字化开发是建立在计算机辅助技术（CAX） 基础上的，其中，有限元分析充当了重要角色，具有不 可或缺的作用
（重点）
教学要求
明确FEM在现代汽车开发中应 用的广泛性
FEM决不是屠龙妙术，而是一门实用技术
熟悉FEM在汽车结构分析中 的常见应用实例
深刻体会并积极实 践“FEM建模和软 件使用中的三点注
意”
FEM在现代汽车开发过程中的应用
早期的汽车设计和制造主要以经验和科学实验结合。
现代汽车的设计以数字化设计为主，综合应用先进的 计算机辅助技术，如CAD、 CAE（计算机辅助工程）、 CAM，以缩短研发周期，降低设计成本，提高设计质 量。
位移云图
空气弹簧有限元分析模型
双有扭限杆应元弹力分簧云析悬图架
➢各种零部件的有限元分析
又如，发动机机体、驱动桥壳、曲轴、差速器 及变速器齿轮等各种零部件的结构分析。
发动机机体实物与有限元模型 柴油机机体有限元分析位移云图
➢各种零部件的有限元分析
又如，发动机机体、驱动桥壳、差速器及变速 器齿轮等各种零部件的结构分析。
FEM自20世纪40年代始……
FEM应用实例
教学提示：与今后的科研和实际工作关系
作为一种有效的数值方法，在汽车设计中，有 限元分析应用十分广泛。
➢复杂的大型结构件有限元分析
客车车身骨架有限元模型
FEM应用实例 ➢复杂的大型结构件有限元分析
白车身弯曲变形分析结果 白车身有限元模型
FEM应用实例
➢各种零部件的有限元分析 如，悬架各部件（如空气弹簧、钢板弹簧、稳 定杆等）有限元分析
建模和使用软件进行结构分析的三点注意
1为了保证汽车结构具有合理的强度与刚度，要 根据工程力学、汽车理论等基础知识，正确分 析汽车所受各种载荷，再运用FEM的知识，对 汽车结构进行强度和刚度计算和评价。
汽车载荷工况复杂多样，汽车结构分析中一项重 要也是关键的前提条件就是确定计算载荷。
注意点1：分析汽车结构所受载荷要全面