汽車結構的常規有限元分析
- 2020-03-30 -
本文介紹了與產品研發同步的5個有限元分析階段
，闡述了有限元模型建立過程中應注意的問題
，簡單介紹了汽車產品的4種常規分析方法
，建立汽車設計標準的方法
，以及3個強度分析範例
。範例1說明了有限元分析應注意的內容
，範例2和3介紹了“應力幅值法”在解決汽車車輪輪輻開裂和汽車發動機汽缸體水套底板開裂問題的應用
。
汽車是藝術和技術的結合
。一輛好車的主要特點是造型美觀
、有時代感
、結構設計合理
、輕量化
、材料利用率高
，車輛性能先進並且滿足國家法規
、標準和環保的要求
，質量可靠
、保養方便
、低成本
、用戶滿意
、滿足市場需求等
。在競爭日益激烈的汽車市場
，汽車性價比已經成為市場競爭的焦點
。采用有限元的常規分析技術
，用計算機輔助設計代替經驗設計
，預測結構性能
、實現結構優化
，提高產品研發水平
、降低產品成本
，加快新產品上市
。在汽車產品研發流程中
，一般有如下5個同步的有限元分析階段
：有限元分析在產品研發的不同階段有不同的分析目的和分析內容
。有限元分析和試驗分析是互相結合和驗證的
。在詳細設計階段
，有些汽車公司對白車身和成品車車身都進行有限元分析
，有些汽車公司隻對白車身進行有限元分析
。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
。前處理自動生成的網格可能存在問題
。建立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
。在結構的幾何圖形上
，劃分有限元網格是建立有限元模型的主要內容之一
。在用有限元分析的前處理自動生成網格時
，特別是用常應變單元自動生成有限元網格時要非常注意
，有可能存在問題
，應引起注意
，必要時加以改進
。要想用有限元分析前處理自動生成出好的有限元網格也要付出辛勤地勞動
。即使在方案比較的情況下
，應力和變形的分布規律也不能離譜
，計算結果的誤差也應在給定的範圍之內
，建立好的有限元模型與分析經驗有關
。在沒有有限元分析指南的情況下
，用力學分析和試驗結果對有限元模型的確認和對計算結果的驗證是非常重要的
，以避免不正確的有限元分析結果誤導設計
。汽車結構的常規分析包括強度分析
、剛度分析
、NH分析
、設計優化分析等內容
。強度的概念是結構在正常工作時能承受的載荷
，一般用工作應力的峰值來表示結構強度的水平
。在解決實際工程問題時
，要根據分析目的和分析對象的受力狀態
，選擇描述（評價）分析對象力學性能的物理量
，並用這個物理量進行強度分析
，這是一個非常重要的問題
。指導原則是有限元分析輸出的物理量應與試驗分析時測試的物理量相同
，以便於試驗驗證
。剛度的概念是結構在正常工作時的許可變形
，用剛度表示結構抵抗結構變形的能力, 剛度是結構在外力作用下發生單位變形所需要的力
。評價一輛車的好壞
，主要看車身
。一般車身結構（如商用車的駕駛室)設計的主要問題是剛度問題,其次是強度問題
。如果車身結構的剛度已滿足要求,則車身結構的強度基本能滿足要求
。汽車在外載荷（路麵激勵
、發動機的怠速和工作轉速的激勵）的作用下發生振動
，用有限元分析的方法識別汽車結構的模態參數（振型
、頻率和阻尼）
，對汽車結構的振動噪聲和舒適性（NH）進行分析
。設計優化分析意味著在滿足約束的前提下產生最佳設計的可能性
。汽車結構的設計優化分析一般是以輕量化為設計目標
，以強度（應力）和剛度（變形）為約束條件
，改變設計的形狀和尺寸（以設計的形狀和尺寸為設計變量）
，進行多方案比較（拓撲優化）
，選擇較優的設計方案
。分析人員在設計優化有了初步結果之後
，一定要用力學分析和設計的經驗進行合理地解釋
，進一步確認設計優化結果的正確性。在產品的研發中，應製定設計標準
、試驗規範和有限元分析指南
。以競爭對手的整車
、係統
、總成和零部件的性能參數為研發車輛性能的參考依據
。在產品研發中
，將車輛水平的指標分解成車身
、底盤（車架）
、動力總成等主要總成和係統的指標
，總成和係統的指標又進一步分解為零部件與子係統的指標
，為研發部門提供依據
。在汽車車身（車架）強度的有限元分析時
，用.Mises 應力σe分析車身在複雜應力狀態下變形能量的分布規律和水平，是可行的
。但有些分析人員在車架的分析時
，也用當量的.Mises 應力σe研究車架的應力分布規律和應力水平
，筆者認為欠妥
，有誤導設計的可能性
。主要原因是
：由於.Mises應力σe是永遠大於零的數
，用.Mises應力σe不能夠清楚地表示車架的應力（拉應力和壓應力）分布規律和應力水平
。建議用最大主應力σmax 表示車架的應力（拉應力和壓應力）分布規律和應力水平
，用最大主應力σmax 控製車架的應力水平
。最大主應力σmax的計算結果還可以與試驗分析時測試的最大主應力σmax相比較
。車輪在路麵滾動時
，車輪輪輻在路麵彎矩載荷作用下產生的應力是變化的
。因此
，在車輪輪輻強度的有限元分析中，描述車輪輪輻在路麵彎矩載荷作用下的應力分布規律和應力水平
，就不能簡單用車輪在某個載荷工況下的最大主應力σmax和.Mises應力σe表示
，而用汽車車輪滾動試驗時車輪輪輻強度分析的物理量－應力幅值σa表示
。有限元分析中輪輻應力幅值σa的計算結果可以用試驗分析時應變片測量的輪輻應力幅值σa驗證
。如何計算車輪輪輻在路麵彎矩載荷作用下的應力幅值σa
，也是非常重要的
。幾十年來
，國內外一些汽車公司用有限元分析的方法對汽車車輪進行應力分析
，試圖計算車輪輪輻在路麵彎矩載荷作用的應力幅值σa都沒有成功
。分析困難的原因之一是車輪是轉動的
，分析困難的另外一個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際樣品的試驗分析解決問題
，沒有發揮有限元分析的作用
。1987年
，筆者在國際上首次提出“應力幅值法”——通過有限元分析技術
，模擬試驗分析
，在周期性的外載荷作用下計算結構應力幅值的方法
。有限元分析和“應力幅值法”相結合
，解決了汽車車輪受力分析的問題
，能夠計算車輪輪輻在路麵彎矩載荷作用下產生交變應力的應力幅值σa
。用“應力幅值法”計算車輪輪輻的應力幅值σa誤差小
、精度高
，可以代替汽車車輪的滾動試驗裝置研究車輪輪輻應力幅值σa的應力分布規律和應力水平
，優化車輪輪輻設計
。應用“應力幅值法”
，對某些商用車和乘用車的車輪輪輻的強度進行有限元分析
，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化設計提供了依據
。本範例的汽車發動機氣缸體強度的有限元分析
，用發動機氣缸體強度試驗分析時所使用的物理量——應力幅值σa，分析汽車發動機氣缸體在曲軸旋轉不平衡慣性力作用下產生交變應力的應力分布規律和應力水平
，有限元分析中應力幅值σa的計算結果可以用試驗分析時應變片測量的應力幅值σa驗證
。應用“應力幅值法”
，對汽車發動機氣缸體強度進行有限元分析
，成功解決了某型號發動機汽缸體水套底板開裂問題
，通過增加曲軸平衡塊
，可降低水套底板應力幅值的1/3
