有限元分析在汽车工程方面的应用

2020/6/24 11:18:10 人评论 次浏览 分类:有限元知识

   要:计算机辅助工程(CAE)作为一项跨学科的数值模拟分析技术,越来越受到科技界和工程界的重视,在汽车工业研究中的应用也越来越广泛。在汽车产品的研发过程中,CAE已经成为设计链中必须的条件,没有CAE分析的设计就不能进入下一个技术流程。新产品开涉及到的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题,可成熟地在设计阶段解决,这样就可以大幅度提高设计质量,缩短产品开发周期,节省大量开发费用。本文通过对有限元分析在汽车工程方面的应用的描述和分析,阐述了以有限元分析为代表的CAE技术在汽车工程的重要作用和影响,得出了CAE在汽车工业发展更加重要,影响未来汽车的发展趋势!

关键词:有限元分析 汽车 CAE技术 碰撞 安全性

1. 前言

在汽车发展历史上,至今还没有什么技术能与CAE技术相比,为汽车企业带来巨大的回报。统计结果表明,应用CAE 技术后,新车开发期的费用占开发成本的比例从80%90%下降到8%12%。例如:美国福特汽车公司2000年应用CAE后,其新车型开发周期从36个月降低到1218个月;开发后期设计修改率减少50%;原型车制造和试验成本减少50%;投资收益提高50%。 汽车行业是一个高速发展的行业,其竞争也日趋激烈,在这种情况下,新产品推出的速度也越来越快,这也对行业的CAE应用提出了越来越高的要求。CAE技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术保障,可以为企业带来巨大的技术经济效益。

2. 正文

汽车工业代表着一个国家制造业发展的水平,它不仅是带动面最广泛的工业,而且是高新技术的最大载体,一般航空、航天领域的高精尖技术只有通过汽车工业才能转化为规模产业,所以汽车工业是或曾是几乎所有发达国家的支柱产业。作为制造业的中坚,汽车工业一直是CAE应用的先锋。CAE技术的应用,有效地推动了汽车制造业的前进;汽车业的需求也极大地带动了CAE。多年来,汽车业的选型趋向一直是CAE技术发展的晴雨表,也是业内人士关注的焦点。CAE分析贯穿了汽车开发的全过程,小到螺栓预紧力分析,大到整车碰撞模拟和整车NVH(噪声、振动和声振粗糙度)分析,CAE分析都发挥了无可替代的优势和作用。CAE分析范围覆盖了结构、流体力学、多体动力学、被动安全、工艺、整机合整车性能等方方面面。概括起来,目前汽车开发过程中的CAE分析主要包括以下几个方面。

2.1结构强度、刚度和模态分析及结构优化设计

车身是轿车的关键总成,车身结构必须有足够的强度以保证气疲劳寿命,足够的静刚度以保证其装配和使用要求,同时应有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。有限元分析的方法能够有效地满足上述车身设计的要求。汽车结构有限元分析的应用体现于:一是在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度和稳定性进行分析; 二是在汽车的计算机辅助设计和优化设计中,用有限元法作为结构分析的工具; 三是在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析,同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态,进一步计算出各构件的动态响应,较真实地描绘出动态过程,为结构的动态设计了提供方便。有限元分析在汽车结构上的应用实践证明可以从根本上提到车身设计水平,并降低研制周期和成本。[3]

2.2噪声、振动与不平顺性(NVH)的有限元分析

    NVH是评价车辆舒适性的重要指标,直接关系到产品的市场形象。NVH分析有助于匹配产品结构重各子系统的振动频率特性,以消除振动过程中耦合现象,从而改善产品的振动特性。噪音、振动分析包括动力总成的缸体模态、点的传递函数、静负荷强度及动态响应、BIW动态稳定性、整车各子系统的刚度频率匹配等。虽然NVHCAE技术起步较晚,NVH的建模方法以及计算还处在摸索阶段。但随着计算机的能力及容量的越来越强大,计算结果的精度越来越准确,计算方法越来越科学性,CAE在汽车的NVH开发设计当中所发挥的作用也越来越大。在汽车开发设计的初期,就以及开始了NVH的各项规划,甚至在样车完成之前或设计图纸完成之前,通过对现有车型的对比,就可以预先得到新开发车型的NVH性能指标,并在此基础上,对设计及制造的各个环节加以优化及完善。无论是从设计成本上,还是从开发周期上考虑,都为车厂更快、更好地开发出新一代车型来提供了强有力的保障。可以预测,NVHCAE技术,在汽车设计开发及改进领域内的应用会越来越广泛,而其本身也会越来越成熟,成为人们进行汽车设计开发所不可或缺的工具。[4]

2.3碰撞与安全性分析

私家汽车给人们带来了便利,让人们更充分的享受生活。随着全世界汽车数量的迅速增加,汽车质量、驾驶技术问题及道路状况等多种因素合力作用结果,汽车交通事故已成为严重问题。联合国世界卫生组织(WHO)提交的最新报告显示:近几年全球每年因交通事故造成死亡的人数多达约120万,另外还有数百万人在汽车事故中受伤致残。面对这个严重的问题,各国的工程技术人员都在不遗余力的提高汽车的安全性能。

早期的被动安全性研究主要是通过大量的试验来进行,采用同样的碰撞过程反复进行,收集数据。这样的试验方法需要相当长的时间。发达国家每次汽车安全性能的试验都需要手工打造几十辆新车,人力、物力、财力都需要很大的消耗。伴随着计算机技术的发展,原来不可能完成的大量参数有限元计算成为可能。有限元计算分析方法运用到汽车的碰撞模拟仿真中,极大地降低了汽车的设计成本和研发周期,并且获得更为精确的数据对汽车结构进行下一步优化。

    汽车模拟碰撞分析的目的就是为了提高汽车被动安全性能。对于汽车被动安全性能的要求,一是在碰撞时,车身结构、驾驶系统、座位等能吸收较高能量,缓和冲击; 二是发生事故时,确保车内乘员生存空间、安全气囊、座椅安全带等对乘员的保护功能,以保证乘员安全并在碰撞后容易进行车外救助和脱险。在汽车碰撞发生的极短时间内,车身发生巨大的形变。这种形变伴随着大位移、大转动所引起的几何非线性,又有各种材料发生大应变时所表现的物理非线性(材料非线性)。所以很难通过常规的数学方法对其进行求解,进行实体碰撞试验的数据很难进行采集。本文论述了采用拉格朗日描述对物体的移动建立数学模型。通过有限元方法将整车按区域进行建模。并且将建立的整车有限元模型进行整车偏置碰撞的模拟仿真,模拟了碰撞过程后车身的变形结果,得到了碰撞过程中模型的能量与速度变化曲线。从而直观地掌握了汽车在碰撞过程中能量等参数的变化情况。将有限元方法运用在汽车碰撞问题的分析中,对汽车结构安全性的改进有一定指导意义。

2.4整车性能的分析评价与预测(黑体小4#)

    在IDEAS CAE模块中建立整车模型,通过强度、刚度计算,可以发现各个部件之间、各个系统的力的传动关系,检验与设计目标是否相符;通过模态分析,可以发现各个系统之间的频率分布,指导NVH设计。结合Nastran SOL200 可以同时考虑模态、整体刚度、关键部位强度对各个部件的设计灵敏度等进行计算,在保证强度的前提下,进行减重设计、部件优化。

2.5 结论

   至今为止,世界上许多大的汽车公司都采用了CAE技术。通过在开发过程中开展CAE工作,提高了产品开发质量、缩短了产品开发周期、节约了产品开发经费。概括起来,采用CAE的优点如下:

1、 采用计算机辅助工程(CAE)手段,可以在样品、样车之前,模拟零部件甚至整车的性能和工作状况,避免传统上的设计-试制-测试-改进设计-再试制的重复过程。减少了时间上的浪费、缩短了开发周期,减少了人力、物力和财力上的消耗而减低开发费用。

2、 国内设计部门随着三维设计的普及,为开展CAE工作奠定了基础,使开展同时工程成为可能;同时,在开发过程中应用CAE技术,也改变了CAD在开发中只进行几何模型定义,在开发同时进行功能设计、性能设计。

3、 在产品开发过程中开展CAE工作,改变了传统设计中的依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法,使产品减重、性能优化成为可能;同时,采用CAE计算能在短时间内尝试和比较更多的设计方案,因而有可能获得较佳甚至最优的设计而提高开发质量

 参考文献

 [1] 兰凤崇 陈吉清 承载式车身结构的强度刚度及模态的有限元分析 华南理工大学汽车工程学院 机械科学与技术,2006.03

[2] 温文源 韩祖行 客车车身结构的有限元分析及优化设计研究 东南大学机械工程系 东南大学学报,1989.05

[3] 屈求真 轿车车身结构的有限元分析与评价 湖北汽车工业学校 汽车工程 1996年第三期

[4] 王嫣 韩永胜CAE技术在汽车碰撞中的研究与应用 日照职业技术学院基础部 科技信息 2009年第1

[5] 刘显臣 刘亚彬 CAE在汽车NVH设计开发及优化中的应用 北京希艾益科技有限公司第四届中国CAE工程分析技术年会论文

[6] 徐志刚 吴锦 汽车设计开发中的CAE技术 吉利汽车研究院有限公司 第三届中国汽车车身开发与模具制造技术论文集

 


 

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