单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/2/8,#,汽车有限元法,第一章 概论,1-1 有限元法概述,1-2 有限元法在汽车工程中的应用,有限元法概述,-Finite Element Methocd/Finite Element Analysis(FEM/FEA),有限元法是将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅在有限个节点上相连接，亦即用有限个单元的集合来代替原来具有无限个自由度的连续体由于有限单元的分割和节点的配置非常灵活，它可适应于任意复杂的几何形状，处理不同的边界条件单元有各种类型，包括线、面和实体或称为一维、二维和三维等类型单元节点一般都在单元边界上，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，这样就组成了有限单元集合体有限元法概述,有限元法直接为产品设计服务，与工程应用密切相关而且有限元法的物理概念十分清晰，容易为工程技术人员所理解大型集成化通用软件的普及与推广，应用有限元法进行一般工程结构分析成为相对容易的技术工作但是，为了正确地使用通用程序，做好数据前后处理工作，掌握分析方法，都需要对有限元基本理论有一定程度的理解。
随着计算机辅助工程（,CAE,）溶入设计过程的进程加快，立足于设计前期的,CAE,技术，将有限元软件集成于,CAD,环境中，面向,CAD,软件的使用者，形成产品分析、设计、制造一体化，这也是工业生产的发展方向，有限元法在其中则起着重要的作用结构有限元模型,结构有限元模型实例,结构有限元模型实例,结构有限元模型实例,结构有限元分析重要性,汽车,CAE,技术的应用面向整车开发的全过程，在汽车开发过程（概念设计,-,详细设计,-,样机验证,-,定型生产）中实现全过程、整车及部件级虚拟样机仿真，减少原型车试验次数，降低生产成本、缩短新车研发周期随着,CAE,应用深度及广度的提高，实现,CAE,工作的规范化和制度化是提升企业的技术能力和市场竞争力的有力保证汽车CAE,技术的应用热点,动力学操纵稳定性分析,-,应用多体系统动力学分析软件（,MBS,）,，,ADAMS,及,CarSim,；,NVH,性能分析,-,低频振动和高频噪声（刚弹耦合、声固耦合）,；,疲劳耐久性分析-加速疲劳设计验证方法；,碰撞安全性分析,-,以LSDYNA为代表的显式有限元软件来模拟；,流场分析及热管理,-,基于计算流体力学（CFD）；,多目标优化、多物理场耦合、多性能协调分析；,汽车结构有限元分析,1),汽车设计中对所有结构件、主要零部件的强度、刚度和稳定性分析,2),汽车结构件或零部件的优化设计，如以汽车质量或体积为目标函数的最优设计，还有对比分析中的参数化设计和形状优化；,3),对汽车结构件进行模态分析、瞬态分析、谐响应分析和响应谱分析，为结构的动态设计提供方便有效的工具；,4),汽车零部件及整车的疲劳分析，在概念或详细设计阶段估计产品的寿命或是分析部件损坏的原因；,5),车身内的声学设计，将车身结构模态与车身内声模态耦合，评价乘员感受的噪声并进行噪声控制；,6),车身空气动力学计算，解决高速行驶中的升力、阻力和湍流等问题，为汽车性能和造型设计服务；,7）汽车碰撞历程仿真和乘员安全保护分析，提高汽车结构的被动安全性。
汽,车,结,构,有,限,元,分,析,|,|,标,准,分,析,流,程,有限元基,本,本方法,结构离散,化,化,离散成有,限,限个单元,单元之间,通,通过节点,相,相连,问题变成,求节点位,移,移,有限个自,由,由度,网格越密,精度越高,计算时间,越,越长,所需计算,机,机资源越,大,大,单元节点,位,位移用矢,量,量,单元种类,很,很多,结构,单元,节点,网格,单元分析,假设位移,模,模式,得到假设,的,的位移函,数,数矩阵N,任一点的,位,位移,用,用节点位,移,移表示,单元力学,特,特性分析,由几何方,程,程得到应,变,变矢量（,B为,应,应变矩阵,）,）,由物理方,程,程得应力,由虚位移,原,原理得到,单,单元刚度,矩,矩阵,节点力,和,和节点,位,位移的关,系,系,单元e,节点力,单元e,节点位移,整体分析,单刚迭加,形,形成总刚,K,单元节点,力,力矢量迭,加,加形成结,构,构节点力,矢,矢量,形成结构,线,线性方程,组,组,约束处理,并,并求解方,程,程,处理位移,约,约束条件,求解线性,方,方程组的,全,全部节点,位,位移,根据所求,节,节点位移,计,计算应力,分,分量,有限元应,用,用实例（,一,一）,汽车安全,气,气囊计算,有限元应,用,用实例（,二,二）,有限元应,用,用实例（,九,九）,汽车碰撞1,有限元应,用,用实例（,十,十）,汽车碰撞2,有限元结,构,构分类和,计,计算步骤,结构分类,平面问题,平面应力,平面应变,轴对称问,题,题,杆系结构,桁架（平,面,面、空间,）,）,刚架（平,面,面、空间,）,）,板壳结构,空间实体,结,结构,组合结构,建立力学,模,模型,计算过程,前处理,建,建立计算,模,模型,建立几何,模,模型,划分单元,网,网格,选择单元,类,类型,划分网格,给定材料,常,常数,给定单元,实,实常数,施加载荷,处理边界,条,条件,提交计算,后处理,观察分析,位,位移结果,观察分析,各,各种应力,其它结果,常用有限,元,元分析软,件,件介绍,从二十世,纪,纪60年,代,代中期以,来,来，进行,了,了大量的,理,理论研究,，,，不但拓,展,展了有限,单,单元法的,应,应用领域,，,，还开发,了,了许多通用或专用的有限元,分,分析软件,。
有限元法,得,得以飞速,发,发展的一,个,个重要原,因,因就是在,工,工程实际,中,中提出了,一,一大批重,要,要问题需,要,要进行分,析,析：,航空、机,械,械制造、,土,土木工程,、,、冶金、,核,核能、地,震,震、气象,常用大型通用有限元软,件,件,ADINA、,ABAQUS、,ANSYS、MSC/Marc、MSC/Nastran,一些专用有限元软,件,件,LS_DYNA、PAM-CRASH、MSC/Dytran(,碰,碰撞）,Autoform,、,、DYNAFORM、PAM-STAMP（冲压,）,）、,DEFORM(体,积,积成形),、,、SysWeld（焊接,）,）,MOLDFLOW(,注塑,)、ProCast(,铸造,)、AdvantEdge(,切削,),SimFact(,体,体积成形),ADINA,Automatic dynamic incremental nonlinearanalysis,1975,年,年 K.J.Bathe(Wilson的学,生,生)在美,国,国MIT,创,创办ADINA公,司,司,大型通用,非,非线性分,析,析软件,(注：20世纪60年代,美,美国加州,大,大学Wilson,教,教授主持,开,开发了,第一个,大型通用,结,结构分析,程,程序SAP),ABAQUS,1978,年,年，三位,著,著名学者Hibbitt,Karlsson和Sorensen成立HKS公,司,司，推出,有,有限元产,品,品为ABAQUS,。
总部位,于,于美国的,罗,罗德岛州,（,（Rhode Island）国际上最,先,先进的大,型,型通用有,限,限元分析,软,软件之一,特别是,它,它的非线,性,性力学分,析,析功能具,有,有世界领,先,先水平两个主要,分,分析模块,：,：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit,国内清华,大,大学工程,力,力学系提,供,供技术支,持,持和服务,公司),ANSYS发展历,程,程,MSC,/Nastran,1963,年,年，R.MacNeal,博,博士和R.Schwendler,创,创办MSC公司,1964,年,年，MSC承担美,国,国航空航,天,天局（NASA）,项,项目，主,持,持 NASTRAN的开发,1971,年,年，MSC推出专,利,利版MSC/NASTRAN,1989,年,年,发,布,布经重大,改,改进的MSC/NASTRAN66,1994,年,年，MSC公司发,布,布了经重,大,大改进的MSC/NASRANV68版,1994,年,年，MSC与PDAE合并,形成了,以,以MSC/NASTRAN为核,心,心的,MSC产,品,品系列,如：MSC.PATRAN,、,、MSC.THERMAL,、,、MSC.FATIGUE,等,等,1997,年,年,MSC/NASTRANV70版,2001,年,年,MSC/NASTRAN2001版,航空航天,领,领域的标,准,准化结构,分,分析软件,MSC/Marc,1967,年,年美国布,朗,朗大学力,学,学系的PedroMarcal教,授,授创立Marc公,司,司,大型通用,非,非线性分,析,析软件,后因经营,上,上的问题,，,，被MSC公司并,购,购,DYNA3D,1976,年,年由Lawrence Livermore,国,国家实,验,验室的JohnHallguist博士发,布,布,显式有限,元,元理论和,程,程序的鼻祖，其独特,的,的算法非,常,常适合求,解,解碰撞、,爆,爆炸、金,属,属成形等,高,高度非线,性,性问题。
目前状况,被法国ESI公司,商,商品化为PAMCRASH,1989Hallguist推出,商,商业化版,本,本LS-DYNA(3D),Dynaform-PC,Ansys/LS-DYNA,几种通用,有,有限元软,件,件的比较,软件,一般,结构,非,线,性,爆炸,与,冲击,电,磁,场,温,度,场,流体,力学,多场,耦合,易,用,性,使用,范围,二次,开发,MSC.,NASTRAN,5,3,0,3,5,3,2,1,5,2,MSC.,MARC,5,5,0,3,5,3,3,3,5,5,ABAQUS,5,5,4,3,5,3,3,4,5,5,ANSYS,5,4,0,5,5,4,5,5,5,5,ADINA,5,5,0,3,5,4,4,2,5,1,（5分制,：,：强5弱1,易,易5难1,广,广5,小,小1）,有限元软,件,件的主要,发,发展趋势,并行运算,单元库、,材,材料库,多物理场,耦,耦合、多,体,体耦合、,多尺度耦,合,合分析,增进前后,处,处理能力,及,及与CAD软件的,集,集成技术,优化技术,有限元分,析,析的作用,及,及地位,现代工业,的,的进步，,完,完全得力,于,于计算机,科,科技的突,飞,飞猛进。
将,将计算机,、,、计算机,软,软件应用,于,于产品的,开,开发、设,计,计、分析,与,与制造，,已,已成为近,代,代工业提,升,升竞争力,的,的主要方,法,法CAD,CAM,CAE,CAE：,在产品的,研,研发过程,中,中，利用,计,计算机进,行,行建模及,性,性能仿真,分,分析,有限元法,是,是CAE,的,的最主要,方,方法，是处理各,种,种复杂工,程,程问题的,重,重要分析,手,手段，也,是,是进行科,学,学研究的,重,重要工具,利用有,限,限元分析,可,可以获取,几,几乎任意,复,复杂工程,结,结构的各,种,种机械性,能,能信息，,可,可以直接,就,就工程设,计,计进行各,种,种评判及优化，提高产品,品,品质一个新产,品,品的问题,有,有60%,以,以上可以,在,在设计阶,段,段消除，,如,如果人们,有,有先进的,精,精确分析,手,手段目前，国,际,际上有90%以上,的,的机械产,品,品和装备,都,都要采用,有,有限元方,法,法进行分,析,析，进而,进,进行设计,修,修改和优,化,化有限元分,析,析已成为,替,替代大量,实,实物试验,的,的数值化,“,“虚拟试,验,验”，基,于,于该方法,的,的大量计,算,算分析与,典,典型的验,证,证性试验,相,相结合可,以,以做到高,效,效,率,率和低,成,成,本,本。
虚,虚,拟,拟,试,试,验,验,”,”,：,头,头,部,部,撞,撞,伤,伤,是,是,交,交,通,通,事,事,故,故,中,中,的,的,常,常,见,见,伤,伤,害,。