汽车方面的结构有限元分析176页PPT

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中国机械工程 ，2019（18） ［6］廖芳，马力，杨橙，何耀华.客车骨架强度失效分析 ［J］.客车技术与研
究 ，2019（4） ［7］唐少雄，马力，杨代华，柴苍修.内燃机凸轮机构摩擦学仿真设计建模研
究 ［J］. 内燃机工程，2019（6） ［8］柴苍修，马力，王元良，李春光. 农用运输车车架有限元强度分析
– 平衡方程 x xy zx X 0
» 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
x(t)
输入 （激励）
系统固有特性
y(t)
输出 （响应）
• 响应分析
– 时间响应分析 » 通常在时域内求系统的时间相应 » 常用于疲劳分析、平顺性分析等
– 频率响应和响应谱分析 » 多用于随机振动
x(t)
X()
X (s)
输入 （激励）
常参数线性系统
脉冲响应函数h(t )
频率响应函数H ( ) 传递函数 H (s)
［J］. 拖拉机与农用运输车，2019（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– 关于有限元法
• 英文缩写FEM（Finite Element Method） • 应用中习惯称有限元分析 • 是一种连续结构离散化数值计算方法 • 上世纪五十年代由美国飞机工程师提出（1956年，Turner）
– FEM与CAE
• CAE－计算机辅助工程（Computer Aided Engineering） • CAE范围更广，还包含其它工程分析方法
– 部件机械振动噪声
• 汽车空气动力学分析
– 降低空气阻尼、升力等 – 通风换气
现在最 高的汽车车速是多少？
– 改善车身表面流场
– 发动机进气及排放
• 汽车结构碰撞、冲击分析
– 碰撞安全性问题 – 车身安全性设计 – 碰撞事故模拟再现
• 汽车零部件冲压成形
– 成形部件设计 – 模具设计 – 分析开裂、起皱、回弹等问题
y(t)
Y ()
Y (s)
输出 （响应）
• 温度场计算
– 包括对流、传导和辐射
– 发动机温度场计算及散热问题 – 保温车（冷藏车）隔热计算
你家新房空调放在 什么地方最省电？
– 热应力分析
• 噪声振动分析
– 声场分析 – 空腔共鸣 – 制动噪声
能否实现在车内后排两老板 （或情侣）
说话司机不易听见 而司机说话前者容易听见
– 国内外发展应用简介
• 方法提出后吸引大量数学力学家进行研究，至今理论相当成熟 • 目前应用非常广泛 • 国外
– 发达国家有限元分析软件相当完善，商业化程度很高 – 应用意愿和应用水平很高
• 国内
– 发展相对较晚 – 研究应用水平发展很快 – 没有公认的、广为流行的、高水平的、功能强大的商业化分析系统 – 就全国范围来讲，汽车行业主动应用意愿与国外相比差距较大
• （液）流场分析
– 液化石油气罐车
乘车坐在什么地方 （相对）最安全
• 汽车结构可靠性分析 • 灵敏度分析和结构动态修改 • 汽车结构优化设计
– 按汽车结构分析的力学特征分类
• 线性问题计算分析 • 非线性问题的计算分析
– 几何非线性 – 材料非线性 – 状态非线性
» 接触问题
第一章 弹性力学简介
• 车辆工程中有限元主要应用范围
– 按学科分类
• 弹性力学
• 断裂力学
• 塑性力学 • 结构分析动力学 • 流体力学 • 热力学
几乎覆盖车辆工程 中的各个学科，如果 包含交叉学科和边缘 学科，范围则更广
• 电磁学
• 声学
– 按汽车结构分析分类
• 汽车结构强度和刚度分析
– 静强度失效
» 载荷产生超过屈服极限或强度极限的应力
主要参考资料
［1］王勖成，邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法［M］. 清华大学出版社, 2019
［2］周中坚，卢耀祖. 机械与汽车结构的有限元分析［M］. 同济大学 出版社，2019
［3］朱伯芳. 有限单元原理及其应用. 中国水利水电出版社，2019 ［4］钱伟长，叶开沅. 弹性力学. 科学出版社，1980.03 ［5］杨橙，马力，王仲范.复合材料储能飞轮临界转速与极限转速研究［J］ .
y
• 位移
z
fu v w T
x
xy
x
– 几何方程
y
• 几何方程：应变和位移的关系
u
x
y
x v
y w
x
xzy
z u
v
u x
v y
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u v y x
v w z y
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u z
T
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zx
y x wvzx wyuz
回顾单向拉伸：
l l
– 刚体位移：应变为零的位移
• 弹性力学基本概念
– 基本假设
• 假设物体是连续的 • 假设物体是均质的 • 假设物体是各向同性的 • 假设物体是完全弹性的 • 假设物体的位移和应变是微小的
– 基本物理量
• 外力
y
– 分布力：体力、面力等
– 集中力
• 应力
T x y z xyyzzx
z
• 应变
T x y z xyyzz x
u,v,w,x,y,z
为积分常数
– 物理方程和弹性矩阵
• 物理方程：描述应力和应变之间的关系
1
x
1 1
对称
x
y
xzy
E(1) (1 )(1 2)
1
0
1
0
1 0
12 2(1)
y
xzy
yz
zx
0
00
0
12 2(1)
yz zx
0
00
0
0
12 2(1)
• 弹性矩阵D
＝ D
回顾单向拉伸虎克定理：E