有限元在汽车工程中的应用

有限元在汽车工程中的应用

摘要：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。

关键词：有限元分析汽车CAE技术

1. 前言

汽车由底盘、发动机、车身三大总成构成。在这三大总成中，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。所以直到今日，车身设计尚无通用的标准和规范的设计过程可以遵循。CAE技术将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入基于“虚拟样机仿真的现代设计方法”,大幅缩短了产品开发周期,并可以获得比试验更多的数据。

2. 正文

随着中国汽车工业的发展,自主品牌轿车日渐成为国内汽车厂家的发展战略目标,轿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。在汽车底盘设计中,后桥设计很关键。由于后桥零部件受力比较复杂且相互关联,在概念设计完成后,只有通过CAE仿真分析,才可以快速、全面了解后桥各零部件受力和相互影响情况,并指导优化设计,以保证后桥零部件具有足够的刚度和强度,同时满足结构型式要求。

在汽车发展历史上，至今还没有什么技术能与CAE技术相比，为汽车企业带来巨大的回报。统计结果表明，应用CAE 技术后，新车开发期的费用占开发成本的比例从80%～90%下降到8%～12%。例如：美国福特汽车公司2000年应用CAE 后，其新车型开发周期从36个月降低到12～18个月；开发后期设计修改率减少50%；原型车制造和试验成本减少50%；投资收益提高50%。汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争也日趋激烈，在这种情况下，新产品推出的速度也越来越快，这也对行业的CAE应用提出了越来越高的要求。CAE技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术保障，可以为企业带来巨大的技术经济效益。

2.1有限元方法在汽车上的应用

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。

2.2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。

一般而言，网格剖分需要经过以下步骤：首先在有限元分析软件中建立零部件的几何模型，而后利用有限元分析软件选取适当的单元对几何模型进行自动剖分；也可以用手工剖分的方法直接给出各个结点坐标，然后利用结点构造单元，最终形成网络。

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。非承载式与半承载式车身通过车架与板簧支座相连；承载式车身直接与板簧支座相连。所以车身的边界条件就体现为板簧支座的位移

在有些情况下，我们更关心车身局部的受力、变形或振动情况。例如，计算车身侧撞时中立柱的受力。这时，就需要确定单个零部件的边界条件。确定单个零部件的边界条件大概分为两步。首先将车身作为一个整体，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。

我们也可以通过实验来确定边界条件。即在实验样车的具体部位贴应变片，然后使实验样车处于指定工况，将应变片所测得的数据作为零部件得边界条件。车身结构的有限元分析既可对已用于加工中的车身进行强度与刚度分析，又可对正在设计的车身进行仿真，通过应力与位移分析，找到设计的薄弱环节，达到改进设计的目的。

车身是轿车的关键总成，车身结构必须有足够的强度以保证气疲劳寿命，足够的静刚度以保证其装配和使用要求，同时应有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。有限元分析的方法能够有效地满足上述车身设计的要求。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、强度和稳定性进行分析；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了方便。有限元分析在汽车结构上的应用实践证明可以从根本上提到车身设计水平，并降低研制周期和成本。

NVH是评价车辆舒适性的重要指标，直接关系到产品的市场形象。NVH分