有限元在汽車工程方面的應(yīng)用

2017-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

計算機輔助工程(CAE)作為一項跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù),越來越受到科技界和工程界的重視,在汽車工業(yè)研究中的應(yīng)用也越來越廣泛。在汽車產(chǎn)品的研發(fā)過程中,CAE已經(jīng)成為設(shè)計鏈中必須的條件,沒有CAE分析的設(shè)計就不能進入下一個技術(shù)流程。新產(chǎn)品開涉及到的疲勞、壽命、振動、噪聲等強度和剛度問題,可成熟地在設(shè)計階段解決,這樣就可以大幅度提高設(shè)計質(zhì)量,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,節(jié)省大量開發(fā)費用。本文通過對有限元分析在汽車工程方面的應(yīng)用的描述和分析,闡述了以有限元分析為代表的CAE技術(shù)在汽車工程的重要作用和影響,得出了CAE在汽車工業(yè)發(fā)展更加重要,影響未來汽車的發(fā)展趨勢!

1.前言

在汽車發(fā)展歷史上,至今還沒有什么技術(shù)能與CAE技術(shù)相比,為汽車企業(yè)帶來巨大的回報。統(tǒng)計結(jié)果表明,應(yīng)用CAE 技術(shù)后,新車開發(fā)期的費用占開發(fā)成本的比例從80%~90%下降到8%~12%。例如:美國福特汽車公司2000年應(yīng)用CAE后,其新車型開發(fā)周期從36個月降低到12~18個月;開發(fā)后期設(shè)計修改率減少50%;原型車制造和試驗成本減少50%;投資收益提高50%。汽車行業(yè)是一個高速發(fā)展的行業(yè),其競爭也日趨激烈,在這種情況下,新產(chǎn)品推出的速度也越來越快,這也對行業(yè)的CAE應(yīng)用提出了越來越高的要求。CAE技術(shù)為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價值地位的技術(shù)保障,可以為企業(yè)帶來巨大的技術(shù)經(jīng)濟效益。

2.正文

汽車工業(yè)代表著一個國家制造業(yè)發(fā)展的水平,它不僅是帶動面最廣泛的工業(yè),而且是高新技術(shù)的最大載體,一般航空、航天領(lǐng)域的高精尖技術(shù)只有通過汽車工業(yè)才能轉(zhuǎn)化為規(guī)模產(chǎn)業(yè),所以汽車工業(yè)是或曾是幾乎所有發(fā)達國家的支柱產(chǎn)業(yè)。作為制造業(yè)的中堅,汽車工業(yè)一直是CAE應(yīng)用的先鋒。CAE技術(shù)的應(yīng)用,有效地推動了汽車制造業(yè)的前進;汽車業(yè)的需求也極大地帶動了CAE。多年來,汽車業(yè)的選型趨向一直是CAE技術(shù)發(fā)展的晴雨表,也是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點。CAE分析貫穿了汽車開發(fā)的全過程,小到螺栓預(yù)緊力分析,大到整車碰撞模擬和整車NVH(噪聲、振動和聲振粗糙度)分析,CAE分析都發(fā)揮了無可替代的優(yōu)勢和作用。CAE分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、多體動力學(xué)、被動安全、工藝、整機合整車性能等方方面面。概括起來,目前汽車開發(fā)過程中的CAE分析主要包括以下幾個方面。

2.1結(jié)構(gòu)強度、剛度和模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

車身是轎車的關(guān)鍵總成,車身結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度以保證氣疲勞壽命,足夠的靜剛度以保證其裝配和使用要求,同時應(yīng)有合理的動態(tài)特性達到控制振動與噪聲的目的。有限元分析的方法能夠有效地滿足上述車身設(shè)計的要求。汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)用體現(xiàn)于:一是在汽車設(shè)計中對所有的結(jié)構(gòu)件、主要機械零部件的剛度、強度和穩(wěn)定性進行分析;二是在汽車的計算機輔助設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計中,用有限元法作為結(jié)構(gòu)分析的工具; 三是在汽車結(jié)構(gòu)分析中普遍采用有限元法來進行各構(gòu)件的模態(tài)分析,同時在計算機屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動模態(tài),進一步計算出各構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng),較真實地描繪出動態(tài)過程,為結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計了提供方便。有限元分析在汽車結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用實踐證明可以從根本上提到車身設(shè)計水平,并降低研制周期和成本。[3]

2.2噪聲、振動與不平順性(NVH)的有限元分析

NVH是評價車輛舒適性的重要指標(biāo),直接關(guān)系到產(chǎn)品的市場形象。NVH分析有助于匹配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重各子系統(tǒng)的振動頻率特性,以消除振動過程中耦合現(xiàn)象,從而改善產(chǎn)品的振動特性。噪音、振動分析包括動力總成的缸體模態(tài)、點的傳遞函數(shù)、靜負荷強度及動態(tài)響應(yīng)、BIW動態(tài)穩(wěn)定性、整車各子系統(tǒng)的剛度頻率匹配等。雖然NVH的CAE技術(shù)起步較晚,NVH的建模方法以及計算還處在摸索階段。但隨著計算機的能力及容量的越來越強大,計算結(jié)果的精度越來越準(zhǔn)確,計算方法越來越科學(xué)性,CAE在汽車的NVH開發(fā)設(shè)計當(dāng)中所發(fā)揮的作用也越來越大。在汽車開發(fā)設(shè)計的初期,就以及開始了NVH的各項規(guī)劃,甚至在樣車完成之前或設(shè)計圖紙完成之前,通過對現(xiàn)有車型的對比,就可以預(yù)先得到新開發(fā)車型的NVH性能指標(biāo),并在此基礎(chǔ)上,對設(shè)計及制造的各個環(huán)節(jié)加以優(yōu)化及完善。無論是從設(shè)計成本上,還是從開發(fā)周期上考慮,都為車廠更快、更好地開發(fā)出新一代車型來提供了強有力的保障。可以預(yù)測,NVH的CAE技術(shù),在汽車設(shè)計開發(fā)及改進領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用會越來越廣泛,而其本身也會越來越成熟,成為人們進行汽車設(shè)計開發(fā)所不可或缺的工具。[4]

2.3碰撞與安全性分析

私家汽車給人們帶來了便利,讓人們更充分的享受生活。隨著全世界汽車數(shù)量的迅速增加,汽車質(zhì)量、駕駛技術(shù)問題及道路狀況等多種因素合力作用結(jié)果,汽車交通事故已成為嚴(yán)重問題。聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織(WHO)提交的最新報告顯示:近幾年全球每年因交通事故造成死亡的人數(shù)多達約120萬,另外還有數(shù)百萬人在汽車事故中受傷致殘。面對這個嚴(yán)重的問題,各國的工程技術(shù)人員都在不遺余力的提高汽車的安全性能。

早期的被動安全性研究主要是通過大量的試驗來進行,采用同樣的碰撞過程反復(fù)進行,收集數(shù)據(jù)。這樣的試驗方法需要相當(dāng)長的時間。發(fā)達國家每次汽車安全性能的試驗都需要手工打造幾十輛新車,人力、物力、財力都需要很大的消耗。伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,原來不可能完成的大量參數(shù)有限元計算成為可能。有限元計算分析方法運用到汽車的碰撞模擬仿真中,極大地降低了汽車的設(shè)計成本和研發(fā)周期,并且獲得更為精確的數(shù)據(jù)對汽車結(jié)構(gòu)進行下一步優(yōu)化。

汽車模擬碰撞分析的目的就是為了提高汽車被動安全性能。對于汽車被動安全性能的要求,一是在碰撞時,車身結(jié)構(gòu)、駕駛系統(tǒng)、座位等能吸收較高能量,緩和沖擊; 二是發(fā)生事故時,確保車內(nèi)乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對乘員的保護功能,以保證乘員安全并在碰撞后容易進行車外救助和脫險。在汽車碰撞發(fā)生的極短時間內(nèi),車身發(fā)生巨大的形變。這種形變伴隨著大位移、大轉(zhuǎn)動所引起的幾何非線性,又有各種材料發(fā)生大應(yīng)變時所表現(xiàn)的物理非線性(材料非線性)。所以很難通過常規(guī)的數(shù)學(xué)方法對其進行求解,進行實體碰撞試驗的數(shù)據(jù)很難進行采集。本文論述了采用拉格朗日描述對物體的移動建立數(shù)學(xué)模型。通過有限元方法將整車按區(qū)域進行建模。并且將建立的整車有限元模型進行整車偏置碰撞的模擬仿真,模擬了碰撞過程后車身的變形結(jié)果,得到了碰撞過程中模型的能量與速度變化曲線。從而直觀地掌握了汽車在碰撞過程中能量等參數(shù)的變化情況。將有限元方法運用在汽車碰撞問題的分析中,對汽車結(jié)構(gòu)安全性的改進有一定指導(dǎo)意義。

2.4整車性能的分析評價與預(yù)測(黑體小4#)

在IDEASCAE模塊中建立整車模型,通過強度、剛度計算,可以發(fā)現(xiàn)各個部件之間、各個系統(tǒng)的力的傳動關(guān)系,檢驗與設(shè)計目標(biāo)是否相符;通過模態(tài)分析,可以發(fā)現(xiàn)各個系統(tǒng)之間的頻率分布,指導(dǎo)NVH設(shè)計。結(jié)合Nastran SOL200 可以同時考慮模態(tài)、整體剛度、關(guān)鍵部位強度對各個部件的設(shè)計靈敏度等進行計算,在保證強度的前提下,進行減重設(shè)計、部件優(yōu)化。

2.5結(jié)論

至今為止,世界上許多大的汽車公司都采用了CAE技術(shù)。通過在開發(fā)過程中開展CAE工作,提高了產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)費。概括起來,采用CAE的優(yōu)點如下:

1、采用計算機輔助工程(CAE)手段,可以在樣品、樣車之前,模擬零部件甚至整車的性能和工作狀況,避免傳統(tǒng)上的設(shè)計-試制-測試-改進設(shè)計-再試制的重復(fù)過程。減少了時間上的浪費、縮短了開發(fā)周期,減少了人力、物力和財力上的消耗而減低開發(fā)費用。

2、國內(nèi)設(shè)計部門隨著三維設(shè)計的普及,為開展CAE工作奠定了基礎(chǔ),使開展同時工程成為可能;同時,在開發(fā)過程中應(yīng)用CAE技術(shù),也改變了CAD在開發(fā)中只進行幾何模型定義,在開發(fā)同時進行功能設(shè)計、性能設(shè)計。

3、在產(chǎn)品開發(fā)過程中開展CAE工作,改變了傳統(tǒng)設(shè)計中的依靠經(jīng)驗進行定性分析、缺少定量數(shù)據(jù)的設(shè)計方法,使產(chǎn)品減重、性能優(yōu)化成為可能;同時,采用CAE計算能在短時間內(nèi)嘗試和比較更多的設(shè)計方案,因而有可能獲得較佳甚至最優(yōu)的設(shè)計而提高開發(fā)質(zhì)量

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