了得網工業技術_汽車結構有限元分析(車輛工程汽車服務工程第2版教育部高等學校機械類專業教學指導委員

第 1章概論 1.1有限單元法的概念有限單元法（finite element method,FEM），簡稱有限元法，是以力學理論為基礎的力學、數學和計算機科學相結合的產物（目前已經形成了現代計算力學這門學科），是隨著計算方法和計算機技術的發展而迅速發展起來的一種數值計算方法，是一種解決工程實際問題的有力的數值計算工具，它幾乎適用於求解所有連續介質和場的問題。經過近70年的發展，有限元法的基本理論已相對成熟，一大批通用和專用有限元軟件紛紛面市。伴隨著廣泛的學術交流和大量期刊文獻的出版，借助於互聯網信息的傳遞，有限元法從**走向普及，成為工程結構分析中*為成功、*為廣泛和*為實用的重要工具。借助有限元分析技術已經成功地解決了眾多領域的大型科學和工程計算問題，幾乎所有工程領域都在使用有限元法，汽車工程也不例外。
有限單元分析（finite element analysis,FEA），簡稱有限元分析，是*廣泛意義上的計算機輔助工程(computer aided engineering,CAE)的重要組成部分，事實上CAE的應用首先就是從有限元分析開始的。基於有限元技術的CAE軟件，無論在數量、規模上，還是在應用範圍上都處於主要地位。作為數值分析的代表，有限元分析已經成為繼汽車結構力學分析和汽車結構實驗研究之後的另一個重要手段，由此形成了現代汽車產品設計方法，即設計—計算—試驗的三步法。有限元分析不僅能夠解決和驗證傳統的汽車結構問題，而且極大地擴大了結構分析的研究範圍，成為解決汽車結構問題新的主要手段。
作為結構分析的一種計算方法，從數學角度看，其基本思想是通過離散化的手段，將偏微分方程或者變分方程變換成代數方程求解。從力學角度看，其基本思想是通過離散化的手段，將連續體劃分成有限個小單元體，並使它們在有限個節點上相互連接。在一定精度要求下，用有限個參數來描述每個單元的力學特性; 而整個連續體的力學特性，可認為是這些小單元體力學特性的總和，從而建立起連續體的力的平衡關繫。
圖1.1和圖1.2所示為一個圓盤和一個帶孔圓柱體的單元網格劃分方式，單元之間以節點相連並傳遞求解信息。這樣通過有限個單元組合而構成的結構就可以近似代替原來的連續體結構，從而將一個無限連續體離散成有限個單元體的組合結構進行求解。
鋻於汽車結構幾何形狀復雜、連接關繫多樣，而且往往呈現非線性特征，很難用解析方法求出其**解，因此借助於數值模擬技術來獲得滿足工程要求的數值解是極其必要的。由於有限單元的網格劃分和節點配置**靈活，可以適用於任意復雜的幾何形狀，處理不同的邊界條件和連接關繫; 而且有限元法的物理概念十分清晰，易於理解，在工程設計中的圖1.1圓盤有限元不同網格劃分圖1.2帶孔圓柱體有限元網格作用十分顯著，使得有限元法作為一種具有廣泛應用前景和效率的數值計算工具，在工程結構分析等眾多領域發揮著越來越重要的作用。
工程結構有限元分析涉及力學原理、數學方法和程序設計等多個方面，諸方面相互結合纔能形成這一完整的分析方法。工程實際的大量需求帶動了有限元法的飛速發展，使得有限元分析程序早已進入了商業化階段。當前流行的各種商業化大型通用有限元軟件都具備較強的靜動態分析能力，很多軟件繫統已開發升級成多代產品，形成了功能強大的有限元分析繫統，從而也大大促進了結構靜動態分析的普及。隨著CAE融入設計過程的進程加快，立足於設計前期的CAE技術，將有限元軟件集成於計算機輔助設計(computer aided design,CAD)環境中，面向CAD軟件的使用者，引導用戶按一定步驟完成整個分析過程，形成產品分析、設計、制造、試驗一體化，這也是工業產品生產的發展方向，有限元法在其中起著重要的作用。
有限元分析還需要計算機軟硬件平臺的支持。計算機技術的發展推動了有限元法的應用，大型集成化通用有限元軟件的推廣與普及，使得人們逐漸將有限元分析納入產品設計的常規環節。但也存在著對力學概念和有限元原理的理解淡化的現像，而這對於完整理解並掌握有限元法是不利的。整個有限元程序可簡單看成由三大部分組成，即數據前處理、計算求解和結果後處理。目前大部分有限元軟件的前後處理功能十分強大，部分替代了人工數據處理工作，通過一定階段的學習，也容易掌握這些環節。通過建立零部件、總成或整車的有限元計算模型，或將CAD模型進行轉換，就可以實現有限元的建模。但是一個有限元分析項目的成功與否，並不是簡單地劃分網格，而是取決於分析者對分析對像的把握和對有限元技術的全面理解。應用中的主要難點已經轉換成如何**的建立計算模型；如何實現計算模型中各種支承、連接與實際結構相符；如何確定載荷，尤其是各零部件之間傳遞的靜動態載荷；如何施加載荷，以反映汽車各種行駛狀態等。解決好上述問題，就需要通過學習有限元基本理論，結合專業知識，將學習有限元理論和上機實踐結合起來，掌握程序操作技巧，掌握有限元技術的訣竅和原理。另外，還應注意軟件隻是一個工具，它提供了一個加快學習有限元法的平臺。程序使用地再好，如果不懂有限元基本原理，是做不好、做不深、做不透結構有限元分析的，*談不上為產品設計服務，這也是學習中要特別注意的問題。
目前有限元分析已經成為汽車結構設計與改進的重要方法和主要手段。因此，如何保證有限元分析的精度和可靠性對汽車工程應用至關重要。這其中很大程度上依賴於有限元模型建立的精準度。學習並掌握有限元法可以按照如下十六字訣去把握: 即“**建模、準確加載、正確約束、明確評價”。
**建模就是要能夠從實際問題提煉出力學模型，並且將復雜問題簡化，保證有限元模型與原結構等效，單元選用恰當，網格劃分合理，算法參數控制得當，從而使所建模型符合工程結構實際，有限元模型的好壞直接影響計算結果的誤差和分析結論的正確性。
準確加載就是要對所研究的對像，無論是零部件、分總成、大總成或者整車，要千方百計地從分析、計算、試驗等方面入手，確定載荷分布、載荷大小、載荷位置、載荷工況、載荷驗證等，確保載荷值可靠。
正確約束就是要完整地理解結構邊界條件及各部件之間的約束關繫，明確決定連接性質的主要因素，找出約束替換的等效方式，確定連接關繫的合理判據，保證計算模型中的邊界條件和連接關繫與實際結構相符。
明確評價就是要具備分析方案的制定能力、運算誤差的控制能力、模型檢驗與驗證的能力、計算結果的評價能力以及工程問題的研究能力，幫助指導產品結構設計。
上述四個方面相互關聯，**建模依賴於對汽車結構特性全面信息的掌握程度，這就包括了模型幾何信息、載荷數據、約束條件以及檢驗和驗證有限元模型的技術。有限元模型的建立是有限元分析的關鍵環節。通過力學分析，把實際工程問題簡化為有限元分析的問題，提出建立有限元模型的策略，確定載荷和位移邊界條件，使得有限元分析有較好的模擬結果。需要強調的是模型驗證是整個分析工作中一個**重要的環節，需要借助各種方法，從多個方面對所建立的模型加以全面細致的檢驗，不但要檢驗分析模型，還要檢驗分析結果，隻有這樣纔能確保結構分析的可靠性和可用性，纔能真正做好結構分析工作。
1.2汽車結構有限元分析的內容隨著我國汽車工業的發展，設計與制造能力的不斷提升，對縮短產品開發周期、降低整車開發成本、提高產品開發質量有著越來越高的要求。在提升汽車研發能力的眾多因素中，CAE技術是汽車數字化產品開發過程中極為重要的技術手段。CAE技術是一項涉及面廣、集多種學科與工程技術於一體的綜合性、知識密集型技術，這其中有限元法占據重要地位。汽車設計開發過程中的CAE分析是多學科、多方位、多層次、多角度的，分析的對像涉及零部件、總成、繫統和整車，主要包括整車多體動力學分析，整車性能分析，結構強度、剛度、模態分析，結構疲勞及可靠性分析，振動噪聲(NVH)分析，結構部件動力學分析，汽車踫撞安全性分析，部件衝壓成形分析，熱結構耦合分析，流體力學分析等。隨著計算機技術的迅猛發展，有限元分析技術已經得到了廣泛的應用，並且向著普及化的方向發展。通過運用CAE技術，無需制造大量試驗樣車，降低了原型車制造和試驗成本，降低了汽車及零部件開發費用。
有限元法在汽車結構設計中的應用，使得汽車產品設計產生革命性的變化，現代產品設計已經進入了CAD/CAE/CAT等多種工具相結合的階段，傳統的設計方法已越來越不能適應產品研發的需要。設計領域正在進行一場深刻的變革，如用理論設計代替經驗設計，用**設計代替近似設計，用優化設計代替一般設計，用動態設計代替靜態設計等，而有限元法正是實現上述設計變革的強有力工具。
汽車產品設計流程已經發生了變化，由傳統的人工反復進行設計的過程，加入了基於CAD模型的對產品性能進行虛擬試驗的過程，強調以優化驅動產品設計的全過程，形成了以有限元分析、優化設計為中心的現代產品設計新階段，圖1.3所示說明了CAE分析從無到有進入了產品研發階段的過程。有限元法的出現，帶動了汽車產品的設計，使得傳統的結構分析向著分析、設計、優化、制造、試驗和控制的綜合化方向發展，有限元模型*接近工程實際，計算結果*加準確，分析對像形成了零部件—總成—整車的繫列化模型。**各種CAE軟件繫統的功能越來越強大，使用越來越方便，已經成為產品設計中的必然環節，有限元技術正驅動著產品研發及設計工作。

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