产品设计CAE实例.

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1、产品设计2 主讲人：曾富洪 攀枝花学院 2 9.3 常用的有限元分析方法 1) 结构静力分析 结构静力分析用来分析由于稳态外部载荷引起 的系统或部件的位移、应力、应变和力。静力分析 包括线性静力分析和非线性静力分析 结构非线性可以分为：几何非线性，材料非线性 和状态非线性三种类型。 3 9.3 常用的有限元分析方法 1) 结构静力分析 几何非线性指物体在外部载荷作用下所产生的变形与其 本身的几何尺寸相比不能忽略时，由物体的变形引起的 非线性响应。 材料非线性指物体材料变形时，材料所表现的非线性 应力应变关系。常见的材料非线性有弹塑性、超弹性 、粘弹塑性等。许多因素可以影响材料的非线性应力 -应

2、变关系，如加载历史、环境温度、加载的时间总 量等。 4 9.3 常用的有限元分析方法 1) 结构静力分析 状态非线性是指结构表现出来的一种与状态相关的 非线性行为，如二个变形体之间的接触。随着接触状 态的变化，其刚度矩阵发生显著的变化 5 9.3 常用的有限元分析方法 2) 结构动力分析 结构模态分析用于确定结构或部件的振动特性（固有频 率和振型）。它也是其它瞬态动力学分析的起点，如谐响 应分析、谱分析等。结构模态分析中常用的模态提取方法 有：幂扫描法、子空间(Subspace)法、分块的兰索斯 (Block Lanczos)法、PowerDynamics法、豪斯霍尔德 (Reduced Ho

3、useholder)法、Damped法以及 Unsysmmetric法等。 6 9.3 常用的有限元分析方法 2) 结构动力分析 谐响应分析用于分析连续的周期载荷在结构系 统中产生的连续的周期响应（谐响应），以及确定 线性结构承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载 荷时稳态响应的一种分析方法，这种分析只计算结 构的稳态受迫振动，不考虑发生在激励开始时的瞬 态振动，谐响应分析是一种线性分析，但也可以分 析有预应力的结构。 7 9.3 常用的有限元分析方法 2) 结构动力分析 瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意 随时间变化载荷的结构的动力学响应的一种方法。可用瞬态动力 学分析方法确

4、定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合 作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。 8 9.3 常用的有限元分析方法 3) 热分析及热应力分析 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其 它热物理参数，如热量获取或损失，热梯度、热流密 度（热通量）等。 稳态传热分析。在稳态传热分析中，系统的温度 场不随时间变化。稳态传热分析用于研究稳定的热载 荷对系统或部件的影响。稳态传热分析的有限元计算 可以确定由稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流 率、热流密度等参数。 9 9.3 常用的有限元分析方法 3) 热分析及热应力分析 瞬态传热分析。瞬态传热分析中，系统的温度场随时间明显变化。瞬 态传热分

5、析的有限元可以计算一个系统随时间变化的温度场及其它热 物理参数。在工程中一般用瞬态传热分析计算温度场，并将其结果作 为热载荷进行应力分析。 10 9.4 著名CAE软件介绍 1）ANSYS软件 John Swanson于1970年在美国宾夕法利亚州的匹兹堡创建了 ANSYS公司，30多年来ANSYS公司致力于设计分析软件的开发 ，目前ANSYS软件融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一 体的大型通用有限元分析软件 (1) 结构静力分析： (2) 结构动力分析 (3) 结构非线性分析 (4) 动力学分析 (5) 热分析 (6) 电磁场分析 (7) 流体力学分析 (8) 声场分析 (9) 压电分析

6、： 11 9.4 著名CAE软件介绍 2) ADINA软件 K.J.Bathe于1986年在美国马萨诸赛州Watertown成立了 ADINA R&D公司，ADINA 是Automatic Dynamic Increment Nonlinear Analysis的首字母缩写。 ADINA软件专注求解结构 、流体、流体结构耦合等复杂的非线性问题。 (1) 静力、动力分析(2）结构屈曲分析 (3) 断裂力学分析 (4) CFD流动分析 (5）流-固耦合分析 (6）渗流（结构-渗流-温度场耦合）分析 (7) 温度场 12 9.4 著名CAE软件介绍 3）ABAQUS软件 ABAQUS是由美国Hibb

7、itt、Karlsson & Sorensen（HKS）公司 开发并且提供售后服务的先进的通用有限元程序系统。 (1) 静态应力/位移分析 (2) 动态分析 (3) 粘弹性-粘塑性响应分析 (4) 热分析 (5) 质量扩散分析 (6) 耦合分析 (7) 非线性动态应力-位移分析 (8) 瞬态温度-位移耦合分析 (9) 准静态分析 (10) 退火成型过程分析 (11) 海洋工程结构分析 (12) 水下冲击分析 (13) 疲劳分析 (14) 设计灵敏度分析 13 9.4 著名CAE软件介绍 4) MSC. NASTRAN分析软件 NASTRAN分析软件是MSC公司的拳头产品，MSC.NASTRAN

8、的 主要功能模块有:基本分析模块(含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦 合及数据库管理等)。动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、 设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、 DMAP用户开发工具模块及高级对称分析模块。 在世界上具有较大影响力的是其动力学分析模块，主要功能有： （1）正则模态分析、（2）复特征值分析、（3）瞬态响应分析(时 间-历程分析)、（4）频率响应分析、（5）随机振动分析、（6） 响应谱分析、（7）声学分析。 14 9.4 著名CAE软件介绍 5) MSC.MARC分析软件 是功能齐全的高级非线性有限元软件，具有很强的 结构分析能力。可以处理各种线

9、性和非线性结构分析包 括：线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、 频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动 力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。为满足工业界 和学术界的各种需求，提供了层次丰富、适应性强、能 够在多种硬件平台上运行的系列产品。 15 9.4 著名CAE软件介绍 6) MSC.Fatigue分析软件 MSC.Fatigue是美国MSC公司的用于耐久性疲劳寿 命预测仿真软件，具有强大的疲劳寿命分析功能，全 套MSC.Fatigue包括以下模块： 1、全寿命及初始裂纹分析 2、裂纹扩展分析 3、多轴初始裂纹分析 4、振动疲劳分析 5、点焊的疲劳寿命分析 6、虚拟应

10、变片测量 7、高级疲劳和加载功能 8、疲劳寿命分析前后处理器 16 建立有限 元模型 车架 三维 模型 CAE分析 知识库/实验数 据 是否 还可 优化 整车评价 基于三维的设计改 进 是 是 否 否 否 有限元模型修 改 是否 符合 要求 是 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 17 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 该车车架为复杂的空间板壳结构，车架横梁、纵 梁上的货箱支承、发动机支承、水箱支承、油箱支承 、备胎支承、驾驶室支承等及其相关联的结构件为主 要承载部件。其中纵梁由前段

11、、中断和后段组成，它 们均为“U”字型空间板壳结构。由于车架每一个零件 都是厚度不超过2.5mm的钣金件或薄壁圆筒件，因 此采用曲面模型来构建整个结构的三维几何模型，图 为简化后的几何模型 1) 车架的有限元模型建立 18 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 1) 车架的有限元模型建立 19 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 1) 车架的有限元模型建立 根据车架是板壳结构的特点，在建立有限元模型 的时候采用四边形板壳单元来离散整个车架，对其 中部分复杂的地方采用三角形单元进行离

12、散。在一 些主要承载零件和一些对车架强度影响比较大的地 方采用尺寸比较小的单元，其它部位采用比较大的 单元，图为车架的有限元模型，整个模型分31432 个单元，31413个节点。 20 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 1) 车架的有限元模型建立 21 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 2)车架模态分析 利用NASTRAN软件中Lanczos对有限元模型进行了自由模 态分析，计算了车架的前十阶模态，左图为一阶扭转模态 （24.16HZ），右图为二阶弯曲模态（48.45HZ），

13、与类似 车架的模态分析结果比较接近，这说明所建的车架有限元 模型是比较可靠的，能够描述该车架的主要结构力学特征 ，可以有效的用于车架的设计分析中去。 22 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 2)车架模态分析 23 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 2)车架模态分析 从车架的第一阶扭转固有振型来看，该车架以绕纵向 为轴线的扭转振动为主，车架的尾部振动幅度较大为 振型腹部区域，而车架中部振动幅度较小，为振型结 点位置（如图所示）。鉴于振型的特征，动态应力较 大的位置一般集中在驾驶

14、室背板下方的区域。 24 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 2)车架模 态分析 25 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 2)车架模态分析 从车架的第二阶弯曲固有振型来看，该车架前 部、尾部和车架乘员位置的振幅较大，为振型腹部 区域，而车架第二横梁和后钢板弹簧缓冲块位置振 动幅度较小，为振型结点位置，鉴于振型的特征， 动态应力较大的位置一般集中在车架第二横梁和后 钢板弹簧缓冲块位置区域 26 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优

15、化过程 2)车架模 态分析 27 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 3)车架的静强度分析 车架的弯曲静强度分析，主要是模拟汽车在静止满负荷下 的弯曲工况，此时车架的变形主要在垂直方向，其载荷和约 束基本对称。作静力有限元分析时，其主要目的是求出车架 各处的应力及变形情况，特别是高应力分布区。图为车架静 强度解算边界条件 28 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 3)车架的 静强度分 析 29 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优

16、化过程 3)车架的静强度分析 车架的载荷主要有货箱及货物重量、发动机重量、水箱重量、油 箱重量、备胎重量、驾驶室（包括仪表板、座椅）及乘员重量等。其中 货箱及货物重量通过货箱的六个支承及驾驶室背板，以压力的形式施加 载荷。发动机重量、水箱重量、油箱重量、备胎重量以集中载荷的形式 施加载荷。 对于汽车悬架的处理，其前螺旋弹簧简化为线弹簧单元，刚度参 数为36N/mm，对于钢板弹簧，根据其刚度，前后支承的位置，进行刚 度分配，等效为前后吊耳的两个线弹簧单元，其刚度分别为23.4N/mm 和26.6N/mm。图为车架弯曲位移云图，其最大位移发生在车架的尾部 ，为96mm。从车架应力分布云图可见，车架前部，前横梁不是主要承 载部位，应力值很低，等效应力值都在40MN/m2内。最大应力出现在 与汽车第三、四横梁相连接的纵梁处，其槽底等效应力值较高，最大为 117 MN/m2，接近材料的许用极限，属于危险区域，此处结构应该得到 加强。 30 9.5 CAE技术在产品设计中的应用 实例：基于CAE技术的XX型小汽车后桥设计验证优化过程 3)车架的静强度分析 31 9.5 CAE技术在产品设计