有限元在汽車工程方面的應用

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

計算機輔助工程(CAE)作為一項跨學科的數(shù)值模擬分析技術,越來越受到科技界和工程界的重視,在汽車工業(yè)研究中的應用也越來越廣泛。在汽車產(chǎn)品的研發(fā)過程中,CAE已經(jīng)成為設計鏈中必須的條件,沒有CAE分析的設計就不能進入下一個技術流程。新產(chǎn)品開涉及到的疲勞、壽命、振動、噪聲等強度和剛度問題,可成熟地在設計階段解決,這樣就可以大幅度提高設計質量,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,節(jié)省大量開發(fā)費用。本文通過對有限元分析在汽車工程方面的應用的描述和分析,闡述了以有限元分析為代表的CAE技術在汽車工程的重要作用和影響,得出了CAE在汽車工業(yè)發(fā)展更加重要,影響未來汽車的發(fā)展趨勢!

1.前言

在汽車發(fā)展歷史上,至今還沒有什么技術能與CAE技術相比,為汽車企業(yè)帶來巨大的回報。統(tǒng)計結果表明,應用CAE 技術后,新車開發(fā)期的費用占開發(fā)成本的比例從80%~90%下降到8%~12%。例如:美國福特汽車公司2000年應用CAE后,其新車型開發(fā)周期從36個月降低到12~18個月;開發(fā)后期設計修改率減少50%;原型車制造和試驗成本減少50%;投資收益提高50%。汽車行業(yè)是一個高速發(fā)展的行業(yè),其競爭也日趨激烈,在這種情況下,新產(chǎn)品推出的速度也越來越快,這也對行業(yè)的CAE應用提出了越來越高的要求。CAE技術為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價值地位的技術保障,可以為企業(yè)帶來巨大的技術經(jīng)濟效益。

2.正文

汽車工業(yè)代表著一個國家制造業(yè)發(fā)展的水平,它不僅是帶動面最廣泛的工業(yè),而且是高新技術的最大載體,一般航空、航天領域的高精尖技術只有通過汽車工業(yè)才能轉化為規(guī)模產(chǎn)業(yè),所以汽車工業(yè)是或曾是幾乎所有發(fā)達國家的支柱產(chǎn)業(yè)。作為制造業(yè)的中堅,汽車工業(yè)一直是CAE應用的先鋒。CAE技術的應用,有效地推動了汽車制造業(yè)的前進;汽車業(yè)的需求也極大地帶動了CAE。多年來,汽車業(yè)的選型趨向一直是CAE技術發(fā)展的晴雨表,也是業(yè)內(nèi)人士關注的焦點。CAE分析貫穿了汽車開發(fā)的全過程,小到螺栓預緊力分析,大到整車碰撞模擬和整車NVH(噪聲、振動和聲振粗糙度)分析,CAE分析都發(fā)揮了無可替代的優(yōu)勢和作用。CAE分析范圍覆蓋了結構、流體力學、多體動力學、被動安全、工藝、整機合整車性能等方方面面。概括起來,目前汽車開發(fā)過程中的CAE分析主要包括以下幾個方面。

2.1結構強度、剛度和模態(tài)分析及結構優(yōu)化設計

車身是轎車的關鍵總成,車身結構必須有足夠的強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,同時應有合理的動態(tài)特性達到控制振動與噪聲的目的。有限元分析的方法能夠有效地滿足上述車身設計的要求。汽車結構有限元分析的應用體現(xiàn)于:一是在汽車設計中對所有的結構件、主要機械零部件的剛度、強度和穩(wěn)定性進行分析;二是在汽車的計算機輔助設計和優(yōu)化設計中,用有限元法作為結構分析的工具; 三是在汽車結構分析中普遍采用有限元法來進行各構件的模態(tài)分析,同時在計算機屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構件的振動模態(tài),進一步計算出各構件的動態(tài)響應,較真實地描繪出動態(tài)過程,為結構的動態(tài)設計了提供方便。有限元分析在汽車結構上的應用實踐證明可以從根本上提到車身設計水平,并降低研制周期和成本。[3]

2.2噪聲、振動與不平順性(NVH)的有限元分析

NVH是評價車輛舒適性的重要指標,直接關系到產(chǎn)品的市場形象。NVH分析有助于匹配產(chǎn)品結構重各子系統(tǒng)的振動頻率特性,以消除振動過程中耦合現(xiàn)象,從而改善產(chǎn)品的振動特性。噪音、振動分析包括動力總成的缸體模態(tài)、點的傳遞函數(shù)、靜負荷強度及動態(tài)響應、BIW動態(tài)穩(wěn)定性、整車各子系統(tǒng)的剛度頻率匹配等。雖然NVH的CAE技術起步較晚,NVH的建模方法以及計算還處在摸索階段。但隨著計算機的能力及容量的越來越強大,計算結果的精度越來越準確,計算方法越來越科學性,CAE在汽車的NVH開發(fā)設計當中所發(fā)揮的作用也越來越大。在汽車開發(fā)設計的初期,就以及開始了NVH的各項規(guī)劃,甚至在樣車完成之前或設計圖紙完成之前,通過對現(xiàn)有車型的對比,就可以預先得到新開發(fā)車型的NVH性能指標,并在此基礎上,對設計及制造的各個環(huán)節(jié)加以優(yōu)化及完善。無論是從設計成本上,還是從開發(fā)周期上考慮,都為車廠更快、更好地開發(fā)出新一代車型來提供了強有力的保障。可以預測,NVH的CAE技術,在汽車設計開發(fā)及改進領域內(nèi)的應用會越來越廣泛,而其本身也會越來越成熟,成為人們進行汽車設計開發(fā)所不可或缺的工具。[4]

2.3碰撞與安全性分析

私家汽車給人們帶來了便利,讓人們更充分的享受生活。隨著全世界汽車數(shù)量的迅速增加,汽車質量、駕駛技術問題及道路狀況等多種因素合力作用結果,汽車交通事故已成為嚴重問題。聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織(WHO)提交的最新報告顯示:近幾年全球每年因交通事故造成死亡的人數(shù)多達約120萬,另外還有數(shù)百萬人在汽車事故中受傷致殘。面對這個嚴重的問題,各國的工程技術人員都在不遺余力的提高汽車的安全性能。

早期的被動安全性研究主要是通過大量的試驗來進行,采用同樣的碰撞過程反復進行,收集數(shù)據(jù)。這樣的試驗方法需要相當長的時間。發(fā)達國家每次汽車安全性能的試驗都需要手工打造幾十輛新車,人力、物力、財力都需要很大的消耗。伴隨著計算機技術的發(fā)展,原來不可能完成的大量參數(shù)有限元計算成為可能。有限元計算分析方法運用到汽車的碰撞模擬仿真中,極大地降低了汽車的設計成本和研發(fā)周期,并且獲得更為精確的數(shù)據(jù)對汽車結構進行下一步優(yōu)化。

汽車模擬碰撞分析的目的就是為了提高汽車被動安全性能。對于汽車被動安全性能的要求,一是在碰撞時,車身結構、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,確保車內(nèi)乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對乘員的保護功能,以保證乘員安全并在碰撞后容易進行車外救助和脫險。在汽車碰撞發(fā)生的極短時間內(nèi),車身發(fā)生巨大的形變。這種形變伴隨著大位移、大轉動所引起的幾何非線性,又有各種材料發(fā)生大應變時所表現(xiàn)的物理非線性(材料非線性)。所以很難通過常規(guī)的數(shù)學方法對其進行求解,進行實體碰撞試驗的數(shù)據(jù)很難進行采集。本文論述了采用拉格朗日描述對物體的移動建立數(shù)學模型。通過有限元方法將整車按區(qū)域進行建模。并且將建立的整車有限元模型進行整車偏置碰撞的模擬仿真,模擬了碰撞過程后車身的變形結果,得到了碰撞過程中模型的能量與速度變化曲線。從而直觀地掌握了汽車在碰撞過程中能量等參數(shù)的變化情況。將有限元方法運用在汽車碰撞問題的分析中,對汽車結構安全性的改進有一定指導意義。

2.4整車性能的分析評價與預測(黑體小4#)

在IDEASCAE模塊中建立整車模型,通過強度、剛度計算,可以發(fā)現(xiàn)各個部件之間、各個系統(tǒng)的力的傳動關系,檢驗與設計目標是否相符;通過模態(tài)分析,可以發(fā)現(xiàn)各個系統(tǒng)之間的頻率分布,指導NVH設計。結合Nastran SOL200 可以同時考慮模態(tài)、整體剛度、關鍵部位強度對各個部件的設計靈敏度等進行計算,在保證強度的前提下,進行減重設計、部件優(yōu)化。

2.5結論

至今為止,世界上許多大的汽車公司都采用了CAE技術。通過在開發(fā)過程中開展CAE工作,提高了產(chǎn)品開發(fā)質量、縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)費。概括起來,采用CAE的優(yōu)點如下:

1、采用計算機輔助工程(CAE)手段,可以在樣品、樣車之前,模擬零部件甚至整車的性能和工作狀況,避免傳統(tǒng)上的設計-試制-測試-改進設計-再試制的重復過程。減少了時間上的浪費、縮短了開發(fā)周期,減少了人力、物力和財力上的消耗而減低開發(fā)費用。

2、國內(nèi)設計部門隨著三維設計的普及,為開展CAE工作奠定了基礎,使開展同時工程成為可能;同時,在開發(fā)過程中應用CAE技術,也改變了CAD在開發(fā)中只進行幾何模型定義,在開發(fā)同時進行功能設計、性能設計。

3、在產(chǎn)品開發(fā)過程中開展CAE工作,改變了傳統(tǒng)設計中的依靠經(jīng)驗進行定性分析、缺少定量數(shù)據(jù)的設計方法,使產(chǎn)品減重、性能優(yōu)化成為可能;同時,采用CAE計算能在短時間內(nèi)嘗試和比較更多的設計方案,因而有可能獲得較佳甚至最優(yōu)的設計而提高開發(fā)質量

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