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October the 25th 2001 汽车 CAE 工程分析 北京科技有限公司 Agenda Overview CAE Application Stiffness Intensity NVH Kinematics Crash Aerodynamics Fatigue Stamp Other FEM Basic 车型开发设计中CAE的应用 汽车工业全球化、信息化进程不断进步 数字模型、虚拟工厂等技术不断发展 实车测试－数字仿真 CAE技术不断完善，从事后校验到事前预测 应用于车辆的开发和设计中 车型开发设计中CAE的应用 指导设计 提高质量 降低开发成本 缩短开发周期 FEM、BEM、SEA、CFD… 车型开发设计中CAE的应用 刚度、强度分析 NVH 分析 机构运动分析 车辆碰撞模拟分析 金属板件冲压成型模拟分析 刚度、强度分析 普遍采用有限元方法 机械应力、热应力耦合 应力集中、疲劳耐久性 NVH分析 噪音(Noise)、振动(Vibration)、平稳(Harshness) 高、中、低频 室内、室外噪音 发动机振动噪声 路面输入引起振动 回转不均衡引起的振动预测 … NVH分析 机构运动分析 位移、轨迹变化确定空间状态 速度、加速度变化规律 机构的受力情况 车辆碰撞模拟分析 主动安全性（自动减速等，5％）被动安全性（防护） 提高车室强度、抑制变形量 提高吸能效率、缓和冲击结构 刚性振动模型上细化碰撞时发生变形的部位的单元尺寸 空气动力学分析 行驶时空气阻力 发动机的冷却性能 车内空调、通风性能 空气噪音的输入 结构疲劳分析 传统：经验公式、疲劳试验 现代：机械强度寿命由定性设计提高到定量设计 循环载荷谱加载（一定比例混合各种路面及事件） 车身耐久强度 功能部件耐久强度 板件冲压成型模拟分析 传统：工序、参数、模具均需多次修改 利用数值模拟技术： 最佳模具结构和工艺条件 材料性能参数的影响 最佳板料形状 最佳冲压方向 分析卸载和切边后的回弹量 金属、非金属材料 其它 焊接模拟 规划机器人焊接路径 结合虚拟制造技术 ，运用优化算法离线规划 多方案比较 虚拟试车场整车分析 整车系统为分析对象 标准路面和车速为负荷 对整车系统同时进 行结构疲劳、权频率振动噪声分析和数据处理、以及碰撞历程仿真 FEA 基础 对象：变形体 变量： 材料特性描述 变形方面描述 力的平衡描述 方程 物理本构方程 几何变形方程 力的平衡方程 FEA 基础 基本变量：位移、应变、应力 三维问题用向量、张量描述 Ui εij σij 基本方程： 力的平衡方面 几何方面 材料方面 求解方法 经典解析 半解析法 传统数值求解 现代数值求解（规范化、标准化、规模化、计算机化） FEA 基础 有限元发展思路 以计算机为工具 分析任意变形体获得所有力学信息 方法简单、高效，一般人员使用 办法：有限种类的标准件－》构造任意复杂对象 技术路线 标准化：任意复杂问题－》标准化分界，有限种标准单元 规范化：几何、力学建模、求解、后处理 计算机化：标准程序、模块 规模化：求解大型问题 FEA 基础 发展过程 工程师： 1956年，Boeing公司采用自然离散方法分析飞机结构 1960年，Clough处理平面连续弹性问题，提出“有线单元法”名称 1956年以后，Argyris、Zienkiewics、Topp等开展大量工作 数学家： 1943年，研究分片连续与最小势能问题 1963年，研究FEM与Ritz法的关系和变分原理 1951年，我国胡海昌，冯康等… FEA 基础 弹性体的基本假设： 连续性假设：无空隙，连续函数描述 均匀性假设：各位置物质相同特性 各向同性假设：同一位置各方向相同特性 线弹性假设：变形与外力作用关系是线性的 小变形假设：物体变形小于物体的几何尺寸 研究技巧：采用微小体积元dxdydz的分析方法 FEA 基础 位移平衡方程 几何变形方程 FEA 基础 材料物理方程 边界条件 FEA 基础 FEA 基础 通过积分形式求解方法对比，最小势能原理方法具有明显优势 有限元思路： 将复杂几何物体等效离散为标准形状几何体 研究规范化的试函数表达和全称试函数的构件 利用最小势能法构件线性方程组求解 FEA 基础 FEA 基础 杆单元 三节点2D单元 四节点矩形2D单元 四节点四面体单元 八节点正六面体单元 FEA 基础 几何建模：前处理，点、线、面、体 FEA建模：前处理，设定单元类型、材料类型、网格划分（自适应，人工控制）、位移约束、施加外载荷（体、面或节点） FEA分析：结构静力分析、模态分析 结果解析：观察位移、应力（分量或等效应力）、应变（分量或等效应变）、变形图或云图 FEA 基础：常见几何