1、版权所有，仅限于学习交流之用第六讲 汽车结构有限元分析实例 合肥工业大学机械与汽车学院车辆工程系 谭继锦编写 2019年3月-汽车结构分析实例n1、汽车结构设计准则与目标 n2、汽车结构有限元模型 n3、汽车结构强度分析 n4、汽车结构刚度分析 n5、汽车结构动态分析 n6、汽车结构疲劳分析 n7、汽车结构碰撞分析 n8、汽车结构有限元优化设计1、汽车结构设计准则与目标n有限元分析方法是汽车数字化设计的一项核心技术；n在产品设计阶段对汽车结构及性能做出预先评估；n有限元分析能够提供大量的仿真试验数据和技术参数，进而可以替代部分试验，有利于设计经验的积累和设计技术的提高。-汽车结构分析的目的主要
2、是解决汽车结构的可靠性、安全性、经济性和舒适性等问题，其分析内容十分广泛，而且相互关联，主要涉及以下内容：n可靠性：研究汽车结构强度、刚度和动态特性，以及疲劳寿命等；n安全性：研究结构耐撞性与乘员安全性等；n经济性：研究结构优化及轻量化等；n舒适性：进行结构振动噪声分析等。汽车结构设计准则与目标n结构分析可以划分成几个阶段，各阶段有不同的设计目标。n概念设计阶段建立相应的设计目标；n详细设计阶段达到相应的设计目标；n样车制作阶段验证整车的性能并且分析设计中存在问题；n产品制造阶段验证设计和改进产品。-以下概略汇总了汽车结构分析中在概念设计阶段和详细设计阶段汽车结构部分分析内容及设计目标，这些内
3、容与目标是动态发展的，需要结合工程实际不断调整并发展。汽车结构设计准则与目标概念设计阶段n新车设计目标值包括：n1.车身静刚度目标-弯曲刚度：模拟乘客负荷；尾部弯曲刚度：模拟行李负荷；扭转刚度：模拟车轮抬高；n2.整车NVH目标-车身结构的模态频率应该错开激振频率。n3.整车安全性目标-前围挡板重要位置的侵入量;管柱的向后以及向上的侵入量；前碰过程中的冲击力；侧碰中B柱各位置的侵入量；车顶压溃中各位置的刚度值；n4.零部件及总成寿命目标-车身（驾驶室）疲劳寿命，悬架疲劳耐久性，车桥疲劳寿命；汽车结构设计准则与目标详细设计阶段n1.车身强度与刚度分析及其灵敏度分析n2.白车身弯曲刚度和扭转刚度n
4、3.截面分析与接头刚度分析 截面分析：检查截面尺寸的正确性；优化板件的厚度；接头刚度分析：保证接头的刚度达到一定的刚度值；截面特性对刚度的影响：截面特性对扭转刚度的影响；截面特性对弯曲刚度的影响；n4.开闭件的强度与刚度分析 前门、后门、发动机盖、行李箱盖、前翼子板等,使开闭件结构满足一定的设计要求；开闭件抗凹陷分析；开闭件侧向刚度分析；n5.车身局部强度与刚度分析:仪表盘、管柱、前保险杆、后保险杆、座椅、安全带等；引擎盖铰接处的刚度分析；门铰链和门锁处的刚度分析；油箱盖的刚度分析；刮雨器连接点的刚度分析；仪表盘连接点的刚度分析；行李箱盖的刚度分析；n6.模态分析以及频率响应分析：模态分析、动
5、刚度分析、传递函数分析、声穴分析、舒适性分析等；低阶模态的灵敏度分析；点导纳；悬置刚度；n7.NVH分析:通过低阶频率值的灵敏度分析，调整关键灵敏零件结构的形状与尺寸，使整车的动刚度特性满足设计目标值；n8.安全性分析 前碰、侧碰、后碰、车顶压溃、头部保护分析、行人保护分析、汽车的乘员安全性分析、乘员安全性以及约束系统模拟分析等；使整车的安全性满足设计目标值。n9.耐久性分析 使整车的疲劳特性满足一定的设计要求；道路载荷下车身强度分析；道路载荷下底盘部件疲劳耐久性分析；车身焊点疲劳寿命评估；在先期评估产品的总体设计目标时，要分级分项制订目标，包括整车分级、总成分级及零部件分级。定义零部件层级目
6、标，定义总成层级目标，定义整车层级目标。将每个层级目标和分析与测试的结果进行比对，充分掌握各类测试数据，在设计完成量产前，发现设计可能存在的问题，实现产品的结构优化。汽车结构设计目标值确定方法 对竞争样车进行分析:竞争样车的整体刚度分析;目标车的典型截面分析及其优化分析;目标车的接头刚度分析及其优化分析;目标车的白车身静态刚度与模态分析;目标车的安全性设计方法方法-CAE方法，试验方法，标准法规 等。建立汽车设计CAE数据库-参考值数据库。车身模型的确立2、汽车结构有限元模型-汽车结构模型化 1汽车结构模型化技术 几何模型力学模型计算模型：力学模型起着承上启下的作用，力学模型提供了载荷信息与边
7、界条件。而几何模型并非就是计算模型。（1）计算目的不同计算模型不同（2）结构受力不同计算模型不同 结构部件可以分为杆、梁、板、壳、块体及平面应力应变等。其他特殊功能的单元有质量单元、弹簧单元、刚性单元、焊点单元、约束方程等。了解并用好这些单元，可以更方便地模拟实际结构。单元选择的准则是基于对结构受力状态分析与单元属性的理解。汽车结构模型化2汽车结构模型化准则（1）用准确的力学组件构造模型n杆、梁、板壳与实体是构造模型的主体，要根据结构的受力状况，选择合适的力学组件，既要反映结构受力特点，又不必片面追求高级组件，尤其是不要一切都用三维实体建模。（2）用适当的规模构造模型n计算网格密度、分析精度和
8、分析时间之间的平衡。（3）施加正确的载荷与边界条件n载荷准则；n标准载荷，标准载荷使得各分析计算结果具有可比性。n边界条件与支承条件（4）避免结构约束不足形成机构汽车结构模型化3 汽车结构有限元模型 按照不同分析类型分别叙述汽车结构建模与分析的相关问题，或者说按结构分析类型划分成章节，只是为叙述的方便，是教材的一种编排。由于分析目的不同，要求精度有别，模型规模差异，使得结构分析工作往往需要从综合的角度全面把握。在利用有限元模型时，首先应当明确分析的目标与要求。在初步设计阶段，从简单模型做起，分析应放在了解载荷状况和应力水平等整体特性上。随着设计过程的推进，应力分析越来越细。一旦结构设计基本确认
9、，就可以进行详细而精确的应力分析，尤其注意应力集中等局部区域，最后确定设计方案。汽车结构有限元模型 3、汽车结构强度分析-静态强度、动态强度及疲劳强度1汽车桥壳有限元分析汽车桥壳有限元分析 1汽车桥壳有限元分析汽车桥壳有限元分析n-关键问题在于驱动桥受力分析和荷载计算；按照驱动桥受力状况，其主要典型载荷工况有三类五种：n1.垂向载荷工况：按最大轴荷计算，另外考虑汽车通过不平路面的动载系数。、汽车满载工况 、冲击载荷作用工况：n2.纵向载荷工况：按牵引力或制动力最大计算；、最大牵引力工况：、紧急制动工况：n 3.侧向载荷工况：按侧向力最大计算。n-关键问题在于载荷与约束施加 桥壳计算采用在轮轴处
10、加载，在板簧处约束的方法，这样处理载荷比较准确，与在板簧处加载、在轮轴处约束的另一种方法等效。轮轴上载荷按余弦曲线分配到半个轮轴上各节点，板簧上约束一个区域。2轿车白车身建模与应力分析轿车白车身建模与应力分析n首先是制订分析方案：包括几何模型简化、单元类型选择、网格密度和质量控制、材料与部件命名体系等原则。如对该车身建立了模型命名体系：即规则、顺序、编号（留有余量），按照车身、总成、零件与模型中部件、组件、元件相对应。如地板总成、左右前纵梁总成、前轮罩焊接总成、左右侧围焊接总成、前围焊接总成、顶盖及前后梁、后围焊接总成等。建立模型系统的部件名称是为了建模、修改方便。n其次是建立了模型简化重构原
11、则，模型规模要适当，该细化要细化，该简化应简化。在保证计算目的和精度条件下，尽量控制节点规模，最大限度保留零件主要力学特征，删除小孔、面，将小面合并成大面，相邻面共用一条线，点焊连接部位要单独构成组件等。n选用壳单元，以四边形单元为主，辅以三角形单元（过渡区），优先采用四边形单元，尽量采用矩形单元，使网格分布均匀。n在建模前制订网格划分标准 白车身有限元模型 及计算结果图示3客车骨架有限元分析客车骨架有限元分析-车身骨架+等效悬架系统的有限元模型n有限元模型建立：n简化原则；n分块模建；n悬架系统等效有限元模型。建模过程-经过初步建模，反复检验与多次修改并完善，形成一个实用的计算模型。随后又将
12、试验结果与有限元分析结果进行对比，部分修改模型，细化模型，完成了由粗到精的几何建模及有限元建模，确保计算结果的可靠性，为结构分析设计奠定基础。客车骨架几何模型与有限元模型 4车架建模及应力分析问题车架建模及应力分析问题n梁单元模型-模型简单，尤其是直观的内力图，在设计初期分析可用。n板单元模型-比较精确，它避免了梁模型连接处不易模拟的缺点，可以反映纵横梁连接、局部加强板、各种附属支架等情况。n实体单元模型-实体单元模型能够分析纵横梁连接处应力变化情况。n板、梁、实体混合单元的车架计算模型。n悬架系统采用等效方式建模。轻卡车架模型 与中卡车架模型-know-what-know-how-know-
13、why-以上实例说明，汽车结构有限元强度分析问题，需要完成一系列的工作，并不仅仅是建模本身一项。首先要了解汽车构造，确定承受载荷，完成约束分析，通过逐步细化建立有限元模型，进而分析结构应力，预测应力分布趋势，同时要使改进设计符合制造工艺要求，帮助确定最终设计方案。4、汽车结构刚度分析 n车身静刚度达到了一定值可以保证车身能够承担动态工作载荷，减小车身振动，提高低阶模态频率，增强车身可操纵性等，n车身耐久性与车身刚度也有关联。n一般而言，刚度不足会使部件产生变形而破坏零部件之间的相对位置，从而引起应力集中，降低零部件的使用寿命。n除了车身刚度（车身弯曲刚度、扭转刚度）等整体指标外，还有前后风窗对
14、角线、前后门对角线、前围板下部变形、整车纵向弯曲和扭转变形等，都有详尽的指标。n其它如接头刚度分析，局部刚度分析等也是汽车结构分析中的重要方面。轿车车身扭转刚度与弯曲刚度分析轿车车身扭转刚度与弯曲刚度分析 -刚度是指结构抵抗变形的能力，变形小则刚度好。刚度是指结构抵抗变形的能力，变形小则刚度好。n车身刚度有两类，静态刚度和动态刚度。n动态刚度一般用车身模态频率来衡量；n静态刚度主要指弯曲刚度和扭转刚度。车身有限元模型，在前后悬挂位置处采用塔形支撑方式连接，前悬挂添加加载梁并施加大小相等方向相反的力，后塔形支撑底部完全约束，前塔形支撑加载梁中部去掉转动约束。根据车身各节点处的位移，评价车身的刚度
15、性能。白车身扭转约束与分析 n扭转工况计算一般模拟试验工况，采用前加载梁后塔形支撑方式。白车身扭转刚度计算客车车身变形和车身刚度分析客车车身变形和车身刚度分析-车架变形和刚度分析车架变形和刚度分析-n一般情况下小型客车的车架要按刚度设计，而载货汽车的车架则按强度设计，除了强度和刚度以外，还要考虑汽车的抗撞能力等。比如采用箱形纵横梁能大大提高车架的扭转刚度，但刚度过大的横梁会在纵梁上引起很高的扭转应力，容易导致早期损坏，所以不但应比较车架的扭转应力，还应比较车架的扭转刚度。一般情况下，按刚度设计的车架，其强度或耐久性会有一定的余量，而按强度设计的车架其变形显得偏大，所以要从强度刚度等多方面取得结
16、构设计的协调。n车架（车身）结构强度和刚度分析是汽车结构评价的基础，建立车架（车身）结构强度分析的边界条件、载荷工况、评价规范是分析的重点。5、汽车结构动态分析-汽车结构动力响应计算 n动态分析也称为动力分析，此时惯性力和阻尼与结构刚度一起要考虑；n汽车振动响应分析是求发动机振动、地面激振等引起的振动响应；n振动响应分析，有时间历程响应分析，频率响应分析（谐响应分析）、响应谱分析等；n模态分析不考虑外力和阻尼，仅从质量和刚度的平衡来求特征值和振动模态。与静态分析不同，模态分析分为自由模态与约束模态。自由模态可以不施加约束，此时有六阶刚体模态，刚体模态对应零频率。合理的车身模态分布对提高整车的可
17、靠性和NVH性能十分重要n汽车部件和整车的动态设计是改进和提高汽车产品质量的有效方法。n通过模态分析可以了解各阶振型的特点，进行振动的故障诊断，为汽车改进设计提供依据。n在此基础上还可以应用振型叠加法进行频响分析，即将各阶振型加权叠加，考察在受到来自地面的激励后，哪一些频率的振型在结构动态响应中起主要作用，从而较完整地揭示车架、车身、车桥等部件的动态特性。n在模态分析的基础上利用逐步积分法还可以对车架等部件进行动态分析。白车身模态分析白车身模态分析 白车身自由模态试验示意图白车身自由模态试验示意图白车身模型模态频率及振型描述 振型描述一般轿车各部分的激振频率和固有频率分布关系整车模态及频率规划
18、-轿车上各个系统是相互连接在一起的，进排气系统、悬架系统、座椅系统、动力总成都与车身相连。相连接的系统模态要分开，以避免共振。因此汽车研发中要做好整车模态频率规划，指导开发设计。6、汽车结构疲劳分析n汽车结构设计中，关键零部件都需要进行预定的疲劳耐久性试验以验证产品的疲劳性能。n汽车耐久性试验技术涉及道路耐久性试验、试验场耐久性试验与试验室耐久性试验。而n汽车疲劳耐久性分析技术则是基于CAE分析的虚拟试验疲劳寿命分析，包括整车疲劳分析与部件疲劳分析。n 以道路载荷谱采集与处理为依托，以结构疲劳损伤（寿命）为目标，基于材料的疲劳寿命，根据累积损伤原理，建立不同载荷输人方式下的疲劳耐久性试验之间的
19、当量等效关系，确定耐久性行驶试验规范的开发和道路行驶、台架疲劳耐久试验的加速强化等一系列问题，减少试验场耐久性试验量，加大基于CAE的虚拟疲劳寿命分析。结构疲劳耐久性整体解决方案可以划分为以下几个步骤:n1.建立寿命设计目标；n2.采集汽车使用环境和试验场载荷数据；n3.验证分析处理实测数据；n4.获取材料的疲劳寿命性能；n5.预估零部件的疲劳寿命；n6.台架模拟试验；n7.试验场耐久性试验。涉及到的研究内容主要有：n进行汽车道路载荷采集道路载荷谱采集是疲劳耐久性设计的基础，为道路模拟试验、多体动力学分析、以及疲劳寿命分析提供输入数据。n进行测试数据处理和疲劳分析，这方面工作涉及道路载荷谱处理
20、分析、台架加速试验谱编制、以及从实验测量中直接进行疲劳寿命预测等。n进行基于有限元方法的疲劳寿命计算。n分析与评价结构疲劳特性，建立疲劳耐久性分析标准等。整车激振试验疲劳分析基本流程框图-整车虚拟试验场分析 7、汽车结构碰撞分析 n碰撞模拟的目的在于尽可能真实地模拟出汽车碰撞时所发生的一切，包括零部件和装置的压碎、弯曲、扭曲、剪切、拉伸以及磨损等情况以及对车内乘客身体的损伤。n汽车结构的设计必须包括耐撞性能的评价和对碰撞能量吸收的控制。碰撞分析着重计算结构的变形，关注部件的吸能效果，进而评价碰撞能量吸收、乘员生存空间、燃油泄漏、力传播途径等。n整车模型要区分碰撞区域和非碰撞区域，重要的结构部件
21、和非重要的部件，可能坍塌的区域和基本上不变形的部件（如发动机等）。整车碰撞仿真n整车碰撞计算仿真主要包括正碰、侧碰和追尾三种碰撞类型，碰撞分析用单元类型主要有体单元、壳单元、梁单元、杆单元和弹簧单元等。n最小单元尺寸推荐为10mm；n碰撞模型节点总数一般大于200000400000。n碰撞对车辆造成的损伤后果与汽车所吸收的能量有关，碰撞载荷主要因素是车速。碰撞评价标准中采用有效碰撞车速的概念。碰撞计算的目的不是防止车辆损伤而是研究乘员保护，碰撞仿真模型 关于整车模型 n-整车疲劳耐久性寿命分析、整车碰撞安全性分析以及整车NVH性能仿真 n1.整车模型复杂规模大n2.整车特性预测难度大n3.整车
22、特性需要混合仿真n4.整车模型的校核与验证8、汽车结构有限元优化设计-优化设计就是一种寻找确定最优设计方案的技术。n设计变量：为自变量，通过改变设计变量的数值来实现优化设计。n状态变量；是因变量，为设计变量的函数，是约束设计的数值。n目标函数：是设计变量的函数，即要尽量减小的数值。如梁的质量可取为目标函数。优化程序中，可以设定单目标函数或多目标函数。n设计变量、状态变量与目标函数构成为优化变量，这些变量需要通过参数化定义来指定。优化设计基本步骤n参数化建立模型（设计变量为参数）并求解；n提取并指定状态变量和目标函数，建立与分析变量相对应的参数；n声明优化变量，选择优化方法，指定优化循环控制方式
23、，进行优化分析；n参数化提取结果（状态变量和目标函数为参数）及数据后处理。示例：白车身灵敏度分析白车身灵敏度分析 n为了提高关注模态的模态刚度，需要找出影响低阶关注模态的灵敏零件，通过合理修改关键零件的结构形式与尺寸，提高车身整体抗弯或抗扭刚度等措施来改进车身模态。车身结构分析中的灵敏度分析就是分析车身结构性能参数的变化对车身结构设计参数变化的敏感程度，主要有白车身扭转刚度和弯曲刚度灵敏度分析、车身模态频率灵敏度分析等。n如白车身扭转刚度灵敏度分析，选取车身板厚为设计变量，以反映扭转刚度的扭转角为目标函数进行灵敏度分析，计算关键点的挠度对车身主要构件板厚的灵敏度。示例：白车身轻量化设计白车身轻量化设计 n以车身质量最轻为目标进行优化分析；n汽车结构设计需要满足产品多属性指标，就车身轻量化来说并非就车身结构优化一项分析，而是车身结构综合分析的结果。春暖花开。香自苦来。春暖花开。香自苦来。
