汽車設(shè)計(jì)有限元分析

2017-03-03  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文介紹了與產(chǎn)品研發(fā)同步的5個(gè)有限元分析階段,闡述了有限元模型建立過程中應(yīng)注意的問題,簡(jiǎn)單介紹了汽車產(chǎn)品的4種常規(guī)分析方法,建立汽車設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的方法,以及3個(gè)強(qiáng)度分析范例。范例1說明了有限元分析應(yīng)注意的內(nèi)容,范例2和3介紹了“應(yīng)力幅值法”在解決汽車車輪輪輻開裂和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體水套底板開裂問題的應(yīng)用。
汽車是藝術(shù)和技術(shù)的結(jié)合。一輛好車的主要特點(diǎn)是造型美觀、有時(shí)代感、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、輕量化、材料利用率高,車輛性能先進(jìn)并且滿足國家法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保的要求,質(zhì)量可靠、保養(yǎng)方便、低成本、用戶滿意、滿足市場(chǎng)需求等。在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的汽車市場(chǎng),汽車性價(jià)比已經(jīng)成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。采用有限元的常規(guī)分析技術(shù),用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)性能、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高產(chǎn)品研發(fā)水平、降低產(chǎn)品成本,加快新產(chǎn)品上市。

1.與產(chǎn)品研發(fā)同步的5個(gè)有限元分析階段

在汽車產(chǎn)品研發(fā)流程中,一般有如下5個(gè)同步的有限元分析階段:

第0階段:對(duì)樣車進(jìn)行試驗(yàn)和分析;
第1階段:概念設(shè)計(jì)階段的分析;
第2階段:詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的分析;
第3階段:確認(rèn)設(shè)計(jì)階段的分析;
第4階段:產(chǎn)品批量生產(chǎn)后改進(jìn)設(shè)計(jì)的分析。

有限元分析在產(chǎn)品研發(fā)的不同階段有不同的分析目的和分析內(nèi)容。有限元分析和試驗(yàn)分析是互相結(jié)合和驗(yàn)證的。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,有些汽車公司對(duì)白車身和成品車車身都進(jìn)行有限元分析,有些汽車公司只對(duì)白車身進(jìn)行有限元分析。

2.有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)――建立合理的有限元模型

有限元模型的建立是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過力學(xué)分析,把實(shí)際工程問題簡(jiǎn)化為有限元分析的問題,提出建立有限元模型的具體意見和方法,確定載荷和位移邊界條件,使得有限元分析有較好的模擬(仿真)效果。

前處理自動(dòng)生成的網(wǎng)格可能存在問題。建立有限元模型的好壞直接影響計(jì)算結(jié)果的誤差和分析結(jié)論的正確性。在結(jié)構(gòu)的幾何圖形上,劃分有限元網(wǎng)格是建立有限元模型的主要內(nèi)容之一。在用有限元分析的前處理自動(dòng)生成網(wǎng)格時(shí),特別是用常應(yīng)變單元自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格時(shí)要非常注意,有可能存在問題,應(yīng)引起注意,必要時(shí)加以改進(jìn)。要想用有限元分析前處理自動(dòng)生成出好的有限元網(wǎng)格也要付出辛勤地勞動(dòng)。即使在方案比較的情況下,應(yīng)力和變形的分布規(guī)律也不能離譜,計(jì)算結(jié)果的誤差也應(yīng)在給定的范圍之內(nèi),建立好的有限元模型與分析經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。

在沒有有限元分析指南的情況下,用力學(xué)分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元模型的確認(rèn)和對(duì)計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證是非常重要的,以避免不正確的有限元分析結(jié)果誤導(dǎo)設(shè)計(jì)。

3.汽車結(jié)構(gòu)的常規(guī)分析

汽車結(jié)構(gòu)的常規(guī)分析包括強(qiáng)度分析、剛度分析、NH分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化分析等內(nèi)容。

強(qiáng)度分析

強(qiáng)度的概念是結(jié)構(gòu)在正常工作時(shí)能承受的載荷,一般用工作應(yīng)力的峰值來表示結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的水平。

在解決實(shí)際工程問題時(shí),要根據(jù)分析目的和分析對(duì)象的受力狀態(tài),選擇描述(評(píng)價(jià))分析對(duì)象力學(xué)性能的物理量,并用這個(gè)物理量進(jìn)行強(qiáng)度分析,這是一個(gè)非常重要的問題。指導(dǎo)原則是有限元分析輸出的物理量應(yīng)與試驗(yàn)分析時(shí)測(cè)試的物理量相同,以便于試驗(yàn)驗(yàn)證。

剛度分析

剛度的概念是結(jié)構(gòu)在正常工作時(shí)的許可變形,用剛度表示結(jié)構(gòu)抵抗結(jié)構(gòu)變形的能力,剛度是結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生單位變形所需要的力。

評(píng)價(jià)一輛車的好壞,主要看車身。一般車身結(jié)構(gòu)(如商用車的駕駛室)設(shè)計(jì)的主要問題是剛度問題,其次是強(qiáng)度問題。如果車身結(jié)構(gòu)的剛度已滿足要求,則車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度基本能滿足要求。

NH分析

汽車在外載荷(路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速和工作轉(zhuǎn)速的激勵(lì))的作用下發(fā)生振動(dòng),用有限元分析的方法識(shí)別汽車結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(振型、頻率和阻尼),對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲和舒適性(NH)進(jìn)行分析。

設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

設(shè)計(jì)優(yōu)化分析意味著在滿足約束的前提下產(chǎn)生最佳設(shè)計(jì)的可能性。汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析一般是以輕量化為設(shè)計(jì)目標(biāo),以強(qiáng)度(應(yīng)力)和剛度(變形)為約束條件,改變?cè)O(shè)計(jì)的形狀和尺寸(以設(shè)計(jì)的形狀和尺寸為設(shè)計(jì)變量),進(jìn)行多方案比較(拓?fù)鋬?yōu)化),選擇較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。分析人員在設(shè)計(jì)優(yōu)化有了初步結(jié)果之后,一定要用力學(xué)分析和設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理地解釋,進(jìn)一步確認(rèn)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果的正確性。

4.制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

在產(chǎn)品的研發(fā)中,應(yīng)制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)規(guī)范和有限元分析指南。

以競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的整車、系統(tǒng)、總成和零部件的性能參數(shù)為研發(fā)車輛性能的參考依據(jù)。在產(chǎn)品研發(fā)中,將車輛水平的指標(biāo)分解成車身、底盤(車架)、動(dòng)力總成等主要總成和系統(tǒng)的指標(biāo),總成和系統(tǒng)的指標(biāo)又進(jìn)一步分解為零部件與子系統(tǒng)的指標(biāo),為研發(fā)部門提供依據(jù)。

5.強(qiáng)度分析的3個(gè)范例

汽車車身(車架)的強(qiáng)度分析

在汽車車身(車架)強(qiáng)度的有限元分析時(shí),用.Mises應(yīng)力σe分析車身在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下變形能量的分布規(guī)律和水平,是可行的。但有些分析人員在車架的分析時(shí),也用當(dāng)量的.Mises應(yīng)力σe研究車架的應(yīng)力分布規(guī)律和應(yīng)力水平,筆者認(rèn)為欠妥,有誤導(dǎo)設(shè)計(jì)的可能性。

主要原因是:由于.Mises應(yīng)力σe是永遠(yuǎn)大于零的數(shù),用.Mises應(yīng)力σe不能夠清楚地表示車架的應(yīng)力(拉應(yīng)力和壓應(yīng)力)分布規(guī)律和應(yīng)力水平。建議用最大主應(yīng)力σmax表示車架的應(yīng)力(拉應(yīng)力和壓應(yīng)力)分布規(guī)律和應(yīng)力水平,用最大主應(yīng)力σmax控制車架的應(yīng)力水平。最大主應(yīng)力σmax的計(jì)算結(jié)果還可以與試驗(yàn)分析時(shí)測(cè)試的最大主應(yīng)力σmax相比較。

汽車車輪輪輻的強(qiáng)度分析

車輪在路面滾動(dòng)時(shí),車輪輪輻在路面彎矩載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力是變化的。因此,在車輪輪輻強(qiáng)度的有限元分析中,描述車輪輪輻在路面彎矩載荷作用下的應(yīng)力分布規(guī)律和應(yīng)力水平,就不能簡(jiǎn)單用車輪在某個(gè)載荷工況下的最大主應(yīng)力σmax和.Mises應(yīng)力σe表示,而用汽車車輪滾動(dòng)試驗(yàn)時(shí)車輪輪輻強(qiáng)度分析的物理量-應(yīng)力幅值σa表示。有限元分析中輪輻應(yīng)力幅值σa的計(jì)算結(jié)果可以用試驗(yàn)分析時(shí)應(yīng)變片測(cè)量的輪輻應(yīng)力幅值σa驗(yàn)證。

如何計(jì)算車輪輪輻在路面彎矩載荷作用下的應(yīng)力幅值σa,也是非常重要的。幾十年來,國內(nèi)外一些汽車公司用有限元分析的方法對(duì)汽車車輪進(jìn)行應(yīng)力分析,試圖計(jì)算車輪輪輻在路面彎矩載荷作用的應(yīng)力幅值σa都沒有成功。分析困難的原因之一是車輪是轉(zhuǎn)動(dòng)的,分析困難的另外一個(gè)原因是車輪的受力分析難度大,輪輻、輪轂和車輪螺栓之間的載荷傳遞不容易確定。一些汽車公司主要還用實(shí)際樣品的試驗(yàn)分析解決問題,沒有發(fā)揮有限元分析的作用。1987年,筆者在國際上首次提出“應(yīng)力幅值法”——通過有限元分析技術(shù),模擬試驗(yàn)分析,在周期性的外載荷作用下計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值的方法。有限元分析和“應(yīng)力幅值法”相結(jié)合,解決了汽車車輪受力分析的問題,能夠計(jì)算車輪輪輻在路面彎矩載荷作用下產(chǎn)生交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值σa。用“應(yīng)力幅值法”計(jì)算車輪輪輻的應(yīng)力幅值σa誤差小、精度高,可以代替汽車車輪的滾動(dòng)試驗(yàn)裝置研究車輪輪輻應(yīng)力幅值σa的應(yīng)力分布規(guī)律和應(yīng)力水平,優(yōu)化車輪輪輻設(shè)計(jì)。

應(yīng)用“應(yīng)力幅值法”,對(duì)某些商用車和乘用車的車輪輪輻的強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析,成功解決了這些車輪輪輻的開裂問題,為車輪輪轂和輪輻的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體的強(qiáng)度分析

本范例的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體強(qiáng)度的有限元分析,用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體強(qiáng)度試驗(yàn)分析時(shí)所使用的物理量——應(yīng)力幅值σa,分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體在曲軸旋轉(zhuǎn)不平衡慣性力作用下產(chǎn)生交變應(yīng)力的應(yīng)力分布規(guī)律和應(yīng)力水平,有限元分析中應(yīng)力幅值σa的計(jì)算結(jié)果可以用試驗(yàn)分析時(shí)應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)力幅值σa驗(yàn)證。應(yīng)用“應(yīng)力幅值法”,對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析,成功解決了某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體水套底板開裂問題,通過增加曲軸平衡塊,可降低水套底板應(yīng)力幅值的1/3。

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