汽车结构有限元分析

数学：偏微分方程变换成代数方程进行求解 力学：连续体划分成小单元体，各单元节点间 相连接并建立力平衡关系
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有限元模型
有限元模型 是真实系统理想化的数学抽
定义
象。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。
真实系统
有限元模型
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定义
• 节点(Node)：单元与 单元之间的连接点。具 有一定自由度和存在相 互物理作用。
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。
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单元和节点
每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。 作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。 信息是通过单元之间的公共节点传递的。
汽车结构有限元分析 ——大纲
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教学目的与要求
1.了解有限元法的概念、国内外发展情况和常用的分析软件。 2.正确理解有限元模型、有限元分析、自由度、模态分析、应 力、应变、泊松比等概念。 3.掌握有限元法的基础理论和基本分析方法。 4.掌握采用Hyperwors有限元分析软件，对板壳结构进行三 角形和四边形二维网格的划分。 5.掌握结构静态应力分析的基本步骤 6. 熟悉有限元模型中的常用网格单元的类型。 7.了解汽车结构有限元分析在汽车工业设计中的重要意义。 8.掌握两自由度弹簧质量系统的固有频率和主振型的计算求解 方法和过程。
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5. 汽车碰撞历程仿真和乘员安全保护分析 (被动安全性)。 6. 结构件、零部件的优化设计（质量或体 积为目标函数）； 7. 车身空气动力学计算，解决高速行驶中 的升力、阻力和湍流等问题； ……
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第一讲 绪 论
1. 有限元法概述 2. 汽车产品设计流程的变化 3. 汽车结构有限元分析的内容 4. 汽车结构有限元分析的流程 5. 汽车结构有限元法的分析实例 6. 有限元方法学习
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有限元分析重要性
美国科学院技术委员会资料 CAE技术可提高产品质量5-15倍 增加材料利用率25% 降低工程技术成本13%-30% 降低人工成本5%-20% 缩短产品设计试制周期30%-60% 增加分析问题广度和深度的能力3-3.5倍等。 需要掌握有限元法的人群：工程技术人员、大学 生、研究生等。
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二维结构单元 三角形单元；四边形单元等
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三维结构单元
四面体单元；六面体单元等
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第三讲 HyperWorks软件介绍与运用
1. HyperWorks软件模块及其功能 2. 有限元模型基本概念和单元类型 3. HYPERMESH8.0窗口界面 4. 常用快捷键基本介绍 5. 几何清理 6. 2D面单元网格划分 7. 静态应力分析
MotionView 曲线图绘制
OptiStruct 拓扑优化
HyperForm 板材成型
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HyperWorks分析
结构静力分析
结构在静载荷作用的响应，分析结构位移、应力等。
越过不平路面工况
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结构动力分析
• 模态分析：固有频率和振型
2）不考虑微分方程，而从单元本身特点进行研究。
3） 利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和 载荷工况）进行模拟。 4）利用简单而又相互作用的元素（单元），采用 有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 5）具有灵活性和适用性，适应性强。可以把形状 不同、性质不同的单元组集起来求解，应用范围极 为广泛。
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4. 汽车结构有限元分析的流程
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HyperWorks软件介绍与运用
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曾祥坤
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第三讲 HyperWorks软件介绍与运用
1. HyperWorks软件模块及其功能
HyperWorks软件模块 HyperWorks分析实例
分离但节点重叠的单元 A和B之间没有信息传递 （需进行节点合并处理）
具有公共节点的单元 之间存在信息传递
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自由度(Degree of Freedom)
• 确定物体(或结构)运动时所必须给定的 独立运动方程的数目。
定义 ?
结构 DOFs
（Degrees of Freedom）
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1.有限元法概述及应用
有限元法 (Finite Element Method，FEM)
有限元法是以力学理论为基础，随着
定义
力学、数学和计算机科学相结合而发 展起来的一种数值计算方法。
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有限元法的特点有哪些？
1）把连续体划分成有限个单元，把单元的交界结 点（节点）作为离散点；
3. HYPERMESH8.0窗口界面 4. 常用快捷键基本介绍 5. 几何清理 6. 2D面单元网格划分 7. 静态应力分析
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2.有限元模型基本概念和单元类型
有限元模型中的基本概念
单元和节点
定义
• 单元(Element): 用于离散结 构的杆、梁、三角形、四边 形、四面体、六面体等。
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5. 几何清理
模型几何的拓扑显示 • 自由边：自由边只属于一个曲面，默认颜色为红色。在 一个经过几何清理的模型中，自由边通常只存在于部件的 外周或者环绕在内部孔洞的周围。 • 共享边：共享边被两个相邻曲面所共有，默认颜色为绿色。 • 压缩边：压缩边为两个相邻曲面所共有，但在划分网格时 被忽略被压缩边，不会生成节点，默认颜色为蓝色 • T型连接边：表示曲面的边界被三个或三个以上的曲面所 共享，默认颜色为黄色
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第一讲 绪 论
1. 有限元法概述 2. 汽车产品设计流程的变化 3. 汽车结构有限元分析的内容 4. 汽车结构有限元分析的流程 5. 汽车结构有限元法的分析实例 6. 有限元方法学习
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2. 汽车产品设计流程的变化
传统结构设计流程
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第三讲 HyperWorks软件介绍与运用
1. HyperWorks软件模块及其功能 2. 有限元模型基本概念和单元类型 3. HYPERMESH8.0窗口界面 4. 常用快捷键基本介绍 5. 几何清理 6. 2D面单元网格划分 7. 静态应力分析
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3. 汽车结构有限元分析的内容
1. 零部件及整车的疲劳分析，估计产品的寿 命、分析部件损坏的原因； 2. 结构件、零部件的强度、刚度和稳定性分 析； 3. 结构件模态分析、瞬态分析、谐响应分析 和响应谱分析； 4. 车身内的声学设计，车身结构模态与车身 内声模态耦合；
Virtual Test
(CAD) (CAE) Redesign Redesign
Build
Test
有限元法是CAE的核心部分
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“V字形”开发流程
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第一讲 绪 论
1. 有限元法概述 2. 汽车产品设计流程的变化 3. 汽车结构有限元分析的内容 4. 汽车结构有限元分析的流程 5. 汽车结构有限元法的分析实例 6. 有限元方法学习
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第三讲 HyperWorks软件介绍与运用
1. HyperWorks软件模块及其功能 2. 有限元模型基本概念和单元类型 3. HYPERMESH8.0窗口界面 4. 常用快捷键基本介绍 5. 几何清理 6. 2D面单元网格划分 7. 静态应力分析
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热分析
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流体分析
发动机冷却水腔的分析
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第三讲 HyperWorks软件介绍与百度文库用
1. HyperWorks软件模块及其功能 2. 有限元模型基本概念和单元类型
有限元模型中的基本概念 有限元模型中的单元类型
从数学上讲,固有频率就是系统矩阵的特征值,振型就是该特 征值所对应的特征向量.
•谐响应分析: 确定结构对已知幅值和频率的正弦载荷的响应 •瞬态动力学分析: 确定结构对随时间变化载荷的响应
曲轴自由振动
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有限元模态分析
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非线性分析
• 几何非线性 • 材料非线性 • 接触非线性
Design
Build Redesign
Test

作很大简化、计算精度差； 结构尺寸与重量偏大； 结构局部强度或刚度不足； 设计周期长，试制费用高 ； ......
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现代产品设计流程
CAE (Computer Aided Engineering)
Design
3.最终成绩=考试成绩*70%+平时成绩*30%
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主要参考资料
1、教材：卢耀祖主编．机械与汽车结构的有限 元分析．同济大学出版社.1997. 2、教材：郭和德主编．有限单元法概论．清华 大学出版社，1998. 3、参考资料：于开平主编. HyperMesh从入门 到精通. 科学出版社. 2005.
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节点载荷和节点力
• 节点载荷：作用在节点上的外载荷。
定义
• 节点力 ：单元间的作用力。
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思考？
几个自由度？
• 自由空间内物体
• 桌面上的水杯
节点力与节点载荷的差别？
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有限元模型中的单元类型
一维结构单元 梁单元 杆单元
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汽车结构有限元分析
——主要内容
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第一讲 绪 论
1. 有限元法概述及应用 2. 汽车产品设计流程的变化 3. 汽车结构有限元分析的内容 4. 汽车结构有限元分析的流程 5. 汽车结构有限元法的分析实例 6. 有限元方法学习
有限元法可以分为两类，即线弹性有限 元法和非线性有限元法。 其中线弹性有限元法是非线性有限元法 的基础，二者不但在分析方法和研究步 骤上有类似之处，而且后者常常要引用 前者的某些结果。
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有限单元分析
（Finite Element Analysis，FEA)
定义
2. 有限元模型基本概念和单元类型 3. HYPERMESH8.0窗口界面 4. 常用快捷键基本介绍 5. 几何清理 6. 2D面单元网格划分 7. 静态应力分析
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1. HyperWorks软件模块及其功能
HyperWorks软件模块
HyperMesh 前后处理器 OptiStruct/FEA 静态、特征值 分析 Hyperworks HyperGraph 图表绘制
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考试范围与题型
1.考试范围与分数比例
（1）汽车有限元分析的流程和内容 （2）有限元分析的基础理论 （3）汽车结构有限元建模 （4）有限元软件计算与后处理 20％ 30％ 30％ 10％
2.试题题型与分数比例
（1）填空 （2）判断题 （3）名词解释 （4）问答题 （5）问答题 10％ 20％ 15％ 20％ 35％
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有限元法涉及的内容有哪些？
有限元法在数学和力学领域所依据的理论；
单元的划分原则； 形状函数的选取及协调性； 有限元法所涉及的各种数值计算方法及其误差、 收敛性和稳定性； 计算机程序设计技术； 向其他各领域的推广。
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有限元法的分类
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有限元法的应用
随着计算机的发展而迅速发展起来一种现代计算 方法。 50年代首先在连续体力学领域——飞机结构静、 动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法. 传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 目前被广泛地应用在航空、造船、机械、建筑、 水利、铁道、桥梁、石油、化工、冶金、采矿、 汽车等很多工程领域。