有限元在汽車(chē)工程方面的應(yīng)用

2017-03-27 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù),越來(lái)越受到科技界和工程界的重視,在汽車(chē)工業(yè)研究中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在汽車(chē)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中,CAE已經(jīng)成為設(shè)計(jì)鏈中必須的條件,沒(méi)有CAE分析的設(shè)計(jì)就不能進(jìn)入下一個(gè)技術(shù)流程。新產(chǎn)品開(kāi)涉及到的疲勞、壽命、振動(dòng)、噪聲等強(qiáng)度和剛度問(wèn)題,可成熟地在設(shè)計(jì)階段解決,這樣就可以大幅度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,節(jié)省大量開(kāi)發(fā)費(fèi)用。本文通過(guò)對(duì)有限元分析在汽車(chē)工程方面的應(yīng)用的描述和分析,闡述了以有限元分析為代表的CAE技術(shù)在汽車(chē)工程的重要作用和影響,得出了CAE在汽車(chē)工業(yè)發(fā)展更加重要,影響未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)!

1.前言

在汽車(chē)發(fā)展歷史上,至今還沒(méi)有什么技術(shù)能與CAE技術(shù)相比,為汽車(chē)企業(yè)帶來(lái)巨大的回報(bào)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,應(yīng)用CAE 技術(shù)后,新車(chē)開(kāi)發(fā)期的費(fèi)用占開(kāi)發(fā)成本的比例從80%~90%下降到8%~12%。例如:美國(guó)福特汽車(chē)公司2000年應(yīng)用CAE后,其新車(chē)型開(kāi)發(fā)周期從36個(gè)月降低到12~18個(gè)月;開(kāi)發(fā)后期設(shè)計(jì)修改率減少50%;原型車(chē)制造和試驗(yàn)成本減少50%;投資收益提高50%。汽車(chē)行業(yè)是一個(gè)高速發(fā)展的行業(yè),其競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈,在這種情況下,新產(chǎn)品推出的速度也越來(lái)越快,這也對(duì)行業(yè)的CAE應(yīng)用提出了越來(lái)越高的要求。CAE技術(shù)為汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價(jià)值地位的技術(shù)保障,可以為企業(yè)帶來(lái)巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2.正文

汽車(chē)工業(yè)代表著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的水平,它不僅是帶動(dòng)面最廣泛的工業(yè),而且是高新技術(shù)的最大載體,一般航空、航天領(lǐng)域的高精尖技術(shù)只有通過(guò)汽車(chē)工業(yè)才能轉(zhuǎn)化為規(guī)模產(chǎn)業(yè),所以汽車(chē)工業(yè)是或曾是幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。作為制造業(yè)的中堅(jiān),汽車(chē)工業(yè)一直是CAE應(yīng)用的先鋒。CAE技術(shù)的應(yīng)用,有效地推動(dòng)了汽車(chē)制造業(yè)的前進(jìn);汽車(chē)業(yè)的需求也極大地帶動(dòng)了CAE。多年來(lái),汽車(chē)業(yè)的選型趨向一直是CAE技術(shù)發(fā)展的晴雨表,也是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。CAE分析貫穿了汽車(chē)開(kāi)發(fā)的全過(guò)程,小到螺栓預(yù)緊力分析,大到整車(chē)碰撞模擬和整車(chē)NVH(噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度)分析,CAE分析都發(fā)揮了無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)和作用。CAE分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、被動(dòng)安全、工藝、整機(jī)合整車(chē)性能等方方面面。概括起來(lái),目前汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的CAE分析主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

車(chē)身是轎車(chē)的關(guān)鍵總成,車(chē)身結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度以保證氣疲勞壽命,足夠的靜剛度以保證其裝配和使用要求,同時(shí)應(yīng)有合理的動(dòng)態(tài)特性達(dá)到控制振動(dòng)與噪聲的目的。有限元分析的方法能夠有效地滿(mǎn)足上述車(chē)身設(shè)計(jì)的要求。汽車(chē)結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)用體現(xiàn)于:一是在汽車(chē)設(shè)計(jì)中對(duì)所有的結(jié)構(gòu)件、主要機(jī)械零部件的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析;二是在汽車(chē)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中,用有限元法作為結(jié)構(gòu)分析的工具; 三是在汽車(chē)結(jié)構(gòu)分析中普遍采用有限元法來(lái)進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析,同時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動(dòng)模態(tài),進(jìn)一步計(jì)算出各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng),較真實(shí)地描繪出動(dòng)態(tài)過(guò)程,為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)了提供方便。有限元分析在汽車(chē)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用實(shí)踐證明可以從根本上提到車(chē)身設(shè)計(jì)水平,并降低研制周期和成本。[3]

2.2噪聲、振動(dòng)與不平順性(NVH)的有限元分析

NVH是評(píng)價(jià)車(chē)輛舒適性的重要指標(biāo),直接關(guān)系到產(chǎn)品的市場(chǎng)形象。NVH分析有助于匹配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重各子系統(tǒng)的振動(dòng)頻率特性,以消除振動(dòng)過(guò)程中耦合現(xiàn)象,從而改善產(chǎn)品的振動(dòng)特性。噪音、振動(dòng)分析包括動(dòng)力總成的缸體模態(tài)、點(diǎn)的傳遞函數(shù)、靜負(fù)荷強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)、BIW動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、整車(chē)各子系統(tǒng)的剛度頻率匹配等。雖然NVH的CAE技術(shù)起步較晚,NVH的建模方法以及計(jì)算還處在摸索階段。但隨著計(jì)算機(jī)的能力及容量的越來(lái)越強(qiáng)大,計(jì)算結(jié)果的精度越來(lái)越準(zhǔn)確,計(jì)算方法越來(lái)越科學(xué)性,CAE在汽車(chē)的NVH開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)當(dāng)中所發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。在汽車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的初期,就以及開(kāi)始了NVH的各項(xiàng)規(guī)劃,甚至在樣車(chē)完成之前或設(shè)計(jì)圖紙完成之前,通過(guò)對(duì)現(xiàn)有車(chē)型的對(duì)比,就可以預(yù)先得到新開(kāi)發(fā)車(chē)型的NVH性能指標(biāo),并在此基礎(chǔ)上,對(duì)設(shè)計(jì)及制造的各個(gè)環(huán)節(jié)加以?xún)?yōu)化及完善。無(wú)論是從設(shè)計(jì)成本上,還是從開(kāi)發(fā)周期上考慮,都為車(chē)廠更快、更好地開(kāi)發(fā)出新一代車(chē)型來(lái)提供了強(qiáng)有力的保障?？梢灶A(yù)測(cè),NVH的CAE技術(shù),在汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及改進(jìn)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛,而其本身也會(huì)越來(lái)越成熟,成為人們進(jìn)行汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)所不可或缺的工具。[4]

2.3碰撞與安全性分析

私家汽車(chē)給人們帶來(lái)了便利,讓人們更充分的享受生活。隨著全世界汽車(chē)數(shù)量的迅速增加,汽車(chē)質(zhì)量、駕駛技術(shù)問(wèn)題及道路狀況等多種因素合力作用結(jié)果,汽車(chē)交通事故已成為嚴(yán)重問(wèn)題。聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織(WHO)提交的最新報(bào)告顯示:近幾年全球每年因交通事故造成死亡的人數(shù)多達(dá)約120萬(wàn),另外還有數(shù)百萬(wàn)人在汽車(chē)事故中受傷致殘。面對(duì)這個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題,各國(guó)的工程技術(shù)人員都在不遺余力的提高汽車(chē)的安全性能。

早期的被動(dòng)安全性研究主要是通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行,采用同樣的碰撞過(guò)程反復(fù)進(jìn)行,收集數(shù)據(jù)。這樣的試驗(yàn)方法需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。發(fā)達(dá)國(guó)家每次汽車(chē)安全性能的試驗(yàn)都需要手工打造幾十輛新車(chē),人力、物力、財(cái)力都需要很大的消耗。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,原來(lái)不可能完成的大量參數(shù)有限元計(jì)算成為可能。有限元計(jì)算分析方法運(yùn)用到汽車(chē)的碰撞模擬仿真中,極大地降低了汽車(chē)的設(shè)計(jì)成本和研發(fā)周期,并且獲得更為精確的數(shù)據(jù)對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一步優(yōu)化。

汽車(chē)模擬碰撞分析的目的就是為了提高汽車(chē)被動(dòng)安全性能。對(duì)于汽車(chē)被動(dòng)安全性能的要求,一是在碰撞時(shí),車(chē)身結(jié)構(gòu)、駕駛系統(tǒng)、座位等能吸收較高能量,緩和沖擊; 二是發(fā)生事故時(shí),確保車(chē)內(nèi)乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對(duì)乘員的保護(hù)功能,以保證乘員安全并在碰撞后容易進(jìn)行車(chē)外救助和脫險(xiǎn)。在汽車(chē)碰撞發(fā)生的極短時(shí)間內(nèi),車(chē)身發(fā)生巨大的形變。這種形變伴隨著大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的幾何非線性,又有各種材料發(fā)生大應(yīng)變時(shí)所表現(xiàn)的物理非線性(材料非線性)。所以很難通過(guò)常規(guī)的數(shù)學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行求解,進(jìn)行實(shí)體碰撞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)很難進(jìn)行采集。本文論述了采用拉格朗日描述對(duì)物體的移動(dòng)建立數(shù)學(xué)模型。通過(guò)有限元方法將整車(chē)按區(qū)域進(jìn)行建模。并且將建立的整車(chē)有限元模型進(jìn)行整車(chē)偏置碰撞的模擬仿真,模擬了碰撞過(guò)程后車(chē)身的變形結(jié)果,得到了碰撞過(guò)程中模型的能量與速度變化曲線。從而直觀地掌握了汽車(chē)在碰撞過(guò)程中能量等參數(shù)的變化情況。將有限元方法運(yùn)用在汽車(chē)碰撞問(wèn)題的分析中,對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全性的改進(jìn)有一定指導(dǎo)意義。

2.4整車(chē)性能的分析評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)(黑體小4#)

在IDEASCAE模塊中建立整車(chē)模型,通過(guò)強(qiáng)度、剛度計(jì)算,可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)部件之間、各個(gè)系統(tǒng)的力的傳動(dòng)關(guān)系,檢驗(yàn)與設(shè)計(jì)目標(biāo)是否相符;通過(guò)模態(tài)分析,可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的頻率分布,指導(dǎo)NVH設(shè)計(jì)。結(jié)合Nastran SOL200 可以同時(shí)考慮模態(tài)、整體剛度、關(guān)鍵部位強(qiáng)度對(duì)各個(gè)部件的設(shè)計(jì)靈敏度等進(jìn)行計(jì)算,在保證強(qiáng)度的前提下,進(jìn)行減重設(shè)計(jì)、部件優(yōu)化。

2.5結(jié)論

至今為止,世界上許多大的汽車(chē)公司都采用了CAE技術(shù)。通過(guò)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中開(kāi)展CAE工作,提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、節(jié)約了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)。概括起來(lái),采用CAE的優(yōu)點(diǎn)如下:

1、采用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)手段,可以在樣品、樣車(chē)之前,模擬零部件甚至整車(chē)的性能和工作狀況,避免傳統(tǒng)上的設(shè)計(jì)-試制-測(cè)試-改進(jìn)設(shè)計(jì)-再試制的重復(fù)過(guò)程。減少了時(shí)間上的浪費(fèi)、縮短了開(kāi)發(fā)周期,減少了人力、物力和財(cái)力上的消耗而減低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

2、國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)部門(mén)隨著三維設(shè)計(jì)的普及,為開(kāi)展CAE工作奠定了基礎(chǔ),使開(kāi)展同時(shí)工程成為可能;同時(shí),在開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用CAE技術(shù),也改變了CAD在開(kāi)發(fā)中只進(jìn)行幾何模型定義,在開(kāi)發(fā)同時(shí)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)。

3、在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中開(kāi)展CAE工作,改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性分析、缺少定量數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法,使產(chǎn)品減重、性能優(yōu)化成為可能;同時(shí),采用CAE計(jì)算能在短時(shí)間內(nèi)嘗試和比較更多的設(shè)計(jì)方案,因而有可能獲得較佳甚至最優(yōu)的設(shè)計(jì)而提高開(kāi)發(fā)質(zhì)量

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