（车辆工程专业论文）汽车车身有限元分析与研究.pdf

摘要 车身是汽车的三大总成之一，它不仅要有漂亮的整体视觉效果、足够的空间、 流畅的外形曲线，更重要的是要有足够的强度、刚度和优越的动力学性能。因此， 车身结构的设计与改进在汽车的设计中占有很重要的地位。有限元法是关于连续体 ( 连续结构) 的一种离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它 在车身结构分析中发挥着重要的作用。 本论文利用数值分析和优化设计等先进技术，以某汽车车身( 驾驶室) 为研究 对象，建立了汽车车身详细有限元模型，并进行了几种典型工况下的强度分析、刚 度分析、模态分析和结构优化，其主要内容包括： 1 根据u g 零件数模，经过曲线修正、曲面重构等几何表面清理，以壳单元为 主，建立了某汽车车身详细的有限元模型，共包含三十多力单元，其模型的规模和 建模精度为国内同行业领先水平。 2 研究了有限元模型建立过程中所应考虑的主要问题，包括结构的简化、单元 类型的选取、单元数量的控制、单元质量的检查、网格的布局、载荷和约束的模拟 等。特别是对连接方式的模拟进行了详细的研究，如钢板弹簧的模拟、驾驶室前后 悬置的模拟和单扭杆系统的模拟等。 3 根据汽车车身几种典型工况的模拟和计算结果，找出车身在实际工况中的危 险部位和应力及变形分布趋势，对车身设计具有指导意义。 4 通过模态分析，获得了车身低价固有频率和振型，并找出了车身结构在动态 激励时的薄弱环节和影响车身模态的主要因素，根据计算结果，提出了改进设计建 议方案。 关键词：车身有限元分析优化设计 h i a b s t r a c t c a rb o d yi so n eo ft h et h r e ea s s e m b l i e so fv e h i c l e i ts h o u l db ef i n e r y ， w i d ee n o u g h ，c l i p p e r b u i i t t h em o r ei m p o r t a n ti st h a ti ts h o u l dh a v ee n o u g h s t r e n g t h 、s t i f f n e s sa n de x c e l l e n td y n a m i c a lp e r f o r m a n c e s ot h ei m p r o v e m e n t o fv e h i c l es t r u c t u r ed e s i g ni sv e r yi m p o r t a n t f i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa b o u t an u m e r i c a lv a l u er e c k o n i n gt h a tt h ec o n t i n u o u sb o d y ( c o n t i n u o u ss t r u c t u r e ) i ss c a t t e r e d i tb r i n g st h ei m p o r t a n te f f e c to nc a rb o d ys t r u c t u r a la n a l y s i s i nt h i sp a p e r ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc a rb o d y ( c a b ) i sc o m p l e t e d ， s t r e n g t h 、s t i f f n e s sa n dm o d a la r ea n a l y z e d ，a n do p t i m i z a t i o no fa s s e m b l y i sc o m p l e t e dt o o t h em a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 b a s e do nt h ec a dm o d e l ，t h ep a r t i c u l a rf i n i t ee l e m e n tm o d e l so fp a r t s a r ec r e a t e di nh y p e r m e s hb ym o d i f y i n go ft h ec u r v ea n ds u r f a c ee t c t h ed e g r e e o fe l e m e n tq u a n t i t yi sa b o v et h r e eh u n d r e dt h o u s a n d sw h i c hk e e pa h e a d n a t i v e l y 2 t h em a i np r o b l e mo fb u i l d i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lh a v eb e e ns t u d i e d ， i n c l u d i n gp r e d i g e s t i o no fs t r u c t u r e 、c h o i c eo fe l e m e n tt y p e 、c o n t r o l l i n go f e l e m e n tq u a n t i t y 、s i m u l a t i o no fl o a d i n ga n dc o n s t r a i n i n ga n ds oo n e s p e c i a l l yt h es i m u l a t i o no f1 i n k i n gw a y sh a v eb e e nr e s e a r c h e di nd e t a i l ， s u c ha ss p r i n g 、t h ef r o n t b a c kh a n go fd r i v e r sc a be t c 3 s o m et y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n so fb o d yi n w h i t es u c ha sb r a k i n g 、 s t e e r i n ga n ds u s p e n d i n ga r es i m u l a t e di nc o m p u t e ri nt h i sp a p e r ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fb o d ya r eg o t t h e s ec a ng u i d e t h ed e s i g no fa u t o m o t i v eb o d y 4 t h em o d a la n a l y s i so fb o d yi n - w h i t ei sm a d ei nh y p e r m e s h b yt h e r e s u l t so fm o d a la n a l y s i so ft h eb o d yi n w h i t e ，t h eb o d y sn a t u r a ld y n a m i c f e a t u r e sa r eg o t ，a n dl o c a t e ds o m ew e a k n e s so ft h es t r u c t u r e i nt h ep a p e r 。 i ta l s of i n dt h em a i ne f f e c to fb o d ym o d a la n dg i v ei m p r o v e ds u g g e s t i o no f b u sb o d yd e s i g n k e yw o r d s ：b o d y ；f e aa n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：理函，趣日期：趁z z 丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、， 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 汽车有限元分析研究的目的、意义 在汽车产品设计中，预先掌握所设计产品的强度、刚度和动态特性，使所设计 的产品满足使用要求，是非常重要的。本课题所研究的主要目的是了解产品可能发 生的潜在失效模式，对其结构强度、刚度和固有振型等有充分认识，针对分析结果， 提出改进设计建议方案。 在现代汽车工业领域，市场竞争日趋激烈，缩短新车型开发周期、降低成本和 提高乘坐舒适性成为适应市场发展趋势的必然要求。在国内，以运输载货为主要目 的的用户对汽车性能的要求己不再局限在载重量，动力性或超载能力上，他们对整 车的舒适性问题愈加关注和重视，对车辆的振动性能提出了较高要求。由于市场的 激烈竞争使得汽车的重量、价格等因素被严格约束，这就使得以改善汽车乘坐舒适 性为目的的汽车n v h 特性的研究变得更加重要。汽车n v h 特性的研究使有限元法在 工程分析中得到了广泛的应用。车身静动态特性研究是新车型开发中有限元法应用 的重要领域之一，是新产品开发中结构分析的重要内容，也是车身的振动分析中最 重要最基本的内容。尤其是车身结构的低阶弹性模态，它不仅反映了汽车车身的整 体刚度性能，而且是控制汽车常规振动的关键指标，应作为汽车新产品开发的强制 性考核内容。实践证明，用有限元法对车身进行静动态特性分析，可对其结构刚度、 固有振型等有充分认识，尽可能避免相关设计缺陷，及时修改和优化设计，使车身 结构具有足够的静刚度，以保证其装配和使用的要求，同时有合理的动态特性达到 控制振动与噪声的目的，使产品在设计阶段就可验证设计方案是否能满足使用要求， 从而缩短设计试验周期，节省大量的试验费用，是提高产品可靠性的有效方法。 1 2 国内外研究现状 1 9 7 0 年美国宇航局有限元结构程序n a s t r a n 的引入，标志着以有限元分析为基础 的汽车结构设计与分析的开始。随着计算机技术的迅猛发展，用于工程分析的软硬 件也有了很大的变化。目前在世界各大汽车公司广泛使用的f e m 分析软件有： n a s t r a n ，a n s y s ，d y n a ，a b a q u s ，s a p ，a d i n a 、h y p e r 哟r k s 等。经过三十多年的积 累和发展，国外各大汽车公司建立了高性能的计算机辅助工程分析系统，形成了完 整的设计、分析方法与试验程序，应用领域有：结构分析、整车及零部件的模态分 析、n v h 分析、车辆模拟碰撞分析、流体分析、优化分析等。工程分析贯穿车身结构 设计的全过程，对应于车身结构设计的概念设计阶段，结构设计阶段及不同的分析 武汉理工大学硕士学位论文 目的，选用不同的单元，不同的模型规模进行车身结构分析。 为获得更加准确的模拟计算结果，目前国外用来进行静态分析及静态特性优化 的轿车车身有限元模型单元、碰撞和噪声分析的模型单元高达几十万。 软硬件实力雄厚，二次开发能力强。国外各大公司不仅拥有世界上最先进的工 程分析软件，而且还能充分利用现有的软件，结合各自的c a e 系统进行开发，达到前 后处理与分析的高度自动化。如德国b m w 公司在利用i - d e a s 作为前处理软件的同时又 自行开发了n a s l n v ，n a s n e t ，f r p o s t ，e g l i s t 等软件可实现将大型的模型文件自动 转换为n a s t r a n 格式，频率响应后处理分析，以及将零部件的能量分布上用直方图显 示等功能，在硬件方面采用超大型计算机使得运算速度高达每秒上亿次。“”“1 目前，国外新车型开发周期已经缩短到2 4 至3 6 个月，这与采用现代车身结构设 计方法是分不开的。现代车身结构设计由经验、类比、静态设计，向建模、静动态 分析、动态优化及虚拟现实设计转变。现代车身结构设计方法有以下几个明显的特 点”：设计与分析平行；结构优化的思想被应用在设计的各个阶段；大量的虚拟试 验取代实物试验。 我国于七十年代末八十年代初在高校和有关研究所开始从事有限元法的研究和 应用，如长春汽研所的谷安涛等人建立了车架的有限模型，并进行了分析计算。当 时汽车行业研究工作主要集中在车架分析以及用梁单元来模拟大客车骨架等方面的 工作彻。 九十年代以来，随着微机的发展和普及以及大型有限元分析程序微机的问世， 有限元分析法迅速地被应用到实际汽车零部件结构的分析中去。 例如，吉林工业大学的乔淑平等人采用板壳单元对某款轿车白车身进行了有限 元建模，并计算了主要零部件对车身扭转和弯曲刚度的影响，提出了提高车身扭转 和弯曲刚度的最优方法，并提出了简化车身有限元模型时应注意的原则”1 。 郑州工业大学的秦东晨等人利用梁单元和板壳单元建立了轻型货车的驾驶室有 限元模型，以车身的长宽高，前围、地板、顶盖的厚度为设计交量，以车身重量为 目标函数，考虑了性能、频率、位移等约束条件，对车身进行了优化分析卿。 贵州工业大学的楚甲良等人对某厂轻型客车采用三维弹性梁单元进行了有限元 建模。并进行了车身可靠性分析一，。 清华大学的马幼鸣等人用超参数厚壳单元对某轻型越野车车身骨架建立了有限 元模型并进行了静态工况分析，并用刚度敏感尺寸法对车身骨架结构进行了优化“”。 国内各大汽车公司已逐步将有限元分析应用到实际的汽车设计中。如东风汽车 公司引进了专门进行整车动态、静态分析的软件，将有限元分析技术运用到汽车设 计中：长春第一汽车厂将所有主要的零部件都用有限元进行校核；上海大众与同济 2 武汉理工大学硕士学位论文 大学合作建立了桑塔纳车身有限元模型，进行了车身静态扭转计算。 国内对车身进行的分析一般仅限于强度和剐度的静态分析，在动态分析上起步 较晚。目前，国内利用各种有限元分析软件对车身进行结构分析方面已经取得了不 少成果，但与国外的车身结构分析相比明显存在着许多不足，这些差距主要表现在： ( 1 ) 车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口结构进行参照性设计，设计 与分析未能真正做到并行。 ( 2 ) 由于软硬件对计算模型规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度、 强度分析的结构还比较粗略，计算结果多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的 要求还有相当大的差距。 ( 3 ) 有限元分析主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动噪声、外 流方面的模拟计算还不成熟，结构分析的数据积累工作还不够完善。 总的来说，随着计算机软、硬件技术的发展，特别是微机性能大幅度地提高与 普及，使得有限元技术逐步在汽车结构分析中得到推广和应用。在微机上进行有限 元分析不再是个很困难的问题，也使有限元分析的应用向广度和深度发展，对路面 谱及汽车输入谱的研究得以继续开展。c a e 在汽车等机械产品的开发应用非常广泛， 如采用有限元法( f e m ) 计算机械零部件的应力和变形分析；采用多体运动学方法进行 汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性的动态仿真分析；采用有限元进行汽车碰撞分 析；采用有限元法和边界法( b e m ) 分析汽车的噪声等等。 1 3 有限元概论1 1 3 1 有限元技术的发展简介 有限元法起源于上世纪四十年代初期。在1 9 4 3 年，当时的数学家r 库朗 ( r c o u r a n t ) 己明确提出过有限元的思想，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的 分片连续函数的最小位能原理求解s t v e n a n t 扭转问题然而，此方法发展很慢， 直到1 9 5 6 年t u r n e r 、c l o u g h ，m a r t i n 和t o p p 等人在他们的经典论文中第一次给出 了用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答。他们利用弹性理论的方程求出了 三角形单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。 他们的研究工作探讨了早期有限元法的理论，促成了有限元法的诞生，随当时出现 的数字计算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面，但由于当时的条件有限， 计算机刚出现，有限元法的基本思想一离散化的概念没有引起重视。后来，许多 数学家、物理学家由于各种原因都涉及过有限元的概念。但由于即使一个小规模的 工程问题，用有限元分析都会产生较大的工作量，所以直到1 9 6 0 年后，随着计算机 3 武汉理工大学硕士学位论文 技术的发展，有限元这门特别依赖数值计算的学科才真诈进入了飞速发展的阶段。 先是英国的航空学教授j h 阿吉罩斯( j h a r g y r i s ) 和他的同事运用网格思想成 功地进行了结构分析，他们的研究工作从复杂结构的分析中发展出了有限元的雏形。 美国的r w 克拉夫( r w c l o u g h ) 教授在1 9 6 0 年首次使用“有限元法( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) ”这一概念。6 0 年代中、后期，国外的数学家开始介入对有限元法的研究， 促使有限元法有了坚实的数学基础，他们对有限元法的发展做出了重要贡献1 9 6 5 年，英国的0 c 辛凯维奇( o c z i e n k i e w i c z ) 和同事y k c e u n g 宣布，有限元法 适用于所有能按编分形式进行计算的场问题，使有限元法获得了一个更为广泛的解 释，有限元法的应用也推广到更广阔的领域。有限元法从出现到发展，经历了从线 弹性到弹塑性到弹粘塑性，从解决小变形问题到大变形问题，从静力问题到复杂的 动力接触问题直至瞬态的碰撞响应问题的历程，应用范围也不断拓展，不断地走向 更为成熟的新阶段。 有限元技术所涉及的内容有：有限元法在数学和力学领域所依据的理论：单元 的划分原则，形状函数的选取及协调性；有限元法所涉及的各种数值计算方法及其 误差、收敛性和稳定性：计算机程序设计技术等。目前，作为利用计算机进行数值 模拟分析的方法，有限元法经过几十年的发展，在理论上已比较成熟，作为工程结 构静动力强度分析的有效工具，有限元法在工程技术领域中的应用越来越广泛，有 限元的计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据，成为最强有力的 数值分析方法之一。 1 3 2 有限元法的基本思想 有限元法是2 0 世纪6 0 年代逐渐发展起来的对连续体力学和物理问题的一种新的 数值求解方法，它是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，有着自己的理论 基础和解题方法。其一般做法是，对所要求解的力学或物理问题，通过有限元素的 划分将连续体的无限自由度离散为有限自由度，然后基于变分原理或用其它方法将 其归结为代数方程组求解。有限元法不仅具有理论完整可靠，形式单纯、规范，精 度和收敛性能得到保证等优点，而且可根据问题的性质构造适用的单元，从而具有 比其它数值解法更广的适用范围。随着计算机技术的发展，它己成为涉及力学的科 学研究和工程技术不可或缺的工具。对于工程技术人员来说，在求解工程技术领域 的实际问题时，建立基本方程和边界条件相对容易，但是由于其几何形状，材料特 性和外部载荷的不规则性，要求得解析解是很困难的。有限元法把求解区域看作由 许多小的在节点处相互连接的子域( 单元) 构成，其模型给出基本方程的分片( 子域) 近似解。由于单元( 子域) 可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好 4 武汉理工大学硕士学位论文 地适应复杂的几何形状、材料特性和边界条件。 由于有限元法在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性，再加上它有成熟 的大型软件系统支持，所以发展非常迅速。最初有限元法被用来研究飞机结构中的 应力问题，目前，其解题范围已经包括了各个领域( 固体力学、生物力学、流体场、 电磁场、温度场、声场等) 的数理方程，已经成为解数理方程的一种非常受欢迎的， 应用极广的数值计算方法。 有限元法的基本思想是将一个实际的结构( 弹性连续体) 划分为有限大小的，有 限个数的单元组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由 节点传递。这种把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单元划 分。有限个的单元称为有限单元，简称单元。 利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建立近似的力学模型， 对该模型进行数值计算，通过对这些单元分别进行分析，建立其位移与内力之间的 关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构，形成 整体结构的刚度方程： k u = q( 1 1 ) 式中：k 一结构的整体刚度矩阵； u 一节点位移列阵； 卜节点载荷列阵。 离散后单元节点的设置、性质和数目应根据问题的性质、描述变形形态的需要 和计算精度而定( 一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际 变形，但计算量也越大) ，所以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物， 而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样做的结果造成用有 限元分析计算所获得的结果只能是近似的，如果划分单元数目足够多两合理，则所 获得的结果就与实际情况相符合。 分析过程中首先从单元分析入手，确定单元内的位移、应变、应力模式，并确 定单元节点力与单元节点位移的关系，建立单元刚度矩阵根据离散化结构的联接 方式，将各个单元刚度矩阵进行组集，得到反映整体结构位移与载荷关系的总体刚 度方程。通过求解该刚度方程可以得出各个单元的位移，再利用单元分析得到的关 系可以求出单元应力及其应变。可见，有限元分析的主要内容是：单元离散化、单 元分析和整体分析。 有限元法与传统的力学方法有很大差别，正是这种差别，使得它能够把许多难 以求解的问题变的容易处理： ( 1 ) 由于可任选单元体的形状和尺寸，故可以“组拼”出形状复杂的机械零件。 5 武汉理工大学硕士学位论文 在作应力分析时，无需对零件的几何形状作过多的简化，从而提高了解题精度，扩 大了可解的范围： ( 2 ) 对于应力集中区可以减小单元体尺寸来细加考察： ( 3 ) 对于各种复杂类型的外载荷都可以采取适当的方法将其分配至节点来计算； ( 4 ) 易于解决有初应力、热应力的阀题； ( 5 ) 易于处理材料的不均匀性，对各向异性材料也可求解； ( 6 ) 可以解决材料的非线性和结构的非线性问题： ( 7 ) 采用大型的通用有限元程序，可一次计算大型复杂结构的应力、位移、振动 和稳定性。 由于计算机的求解方程组的能力非常强大，构造模型又非常准确，因而有限元 法在计算机上使用极为普遍。有限元方法计算精度高、速度快，可缩短设计试制周 期和降低成本。目前，优秀的绘图系统软件都配有有限元分析程序窗口，当图形绘 制完毕，可立即进行网格划分，并进行强度计算。通过不断修改图形和反复计算， 能够使设计质量大幅度提高。 有限元法可用于各种模拟和分析方法中，在固体力学、流体力学、机械工程、 土木工程、电气工程等领域得到了广泛应用。由于其所涉及问题和算法基本上都是 束源于工程实际，应用于工程中，其解决工程实际问题的能力愈来愈强在汽车领 域，有限元法可用于建立汽车结构系统的振动模型，还可以用于刚度与变形分析、 应力与疲劳分析、碰撞模拟和塑性变形分析等。 1 4 本文的主要研究内容 本课题研究的主要内容为分析某汽车车身的强度、刚度和模态，并在此基础上 进行优化设计，提出改进设计建议方案，具体包括： ( 1 ) 研究有限元、静态分析、模态分析理论以及所用软件基础。 ( 2 ) 研究建立有限元模型要考虑的问题，如结构简化、单元选取、单元数量的控 制、单元质量的检查、网格的布局和连接方式的模拟等。 ( 3 ) 研究几种典型的工况，如制动、转弯和悬空等工况，并研究影响有限元模 型分析结果的因素，如单元大小厚度、加强筋、焊点间距等。 ( 4 ) 根据计算结果提出改进设计建议方案。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章某汽车车身有限元建模 所谓有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 就是关于连续体( 连续结构) 的一种离散化 的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法。它的基本思路是：假想地将 连续体( 连续结构) 划分为有限个单元，这些单元都由具有一定自由度的节点相互连 接而成。这样，原来的连续体( 连续结构) 就变成为由有限个单元装配而成的离散结 构，原有连续体的无限个自由度的问题就变为离散结构的有限个自由度的问题“n 。 建立车身有限元模型，就是根据所研究问题的具体情况，选择合适的有限元单 元，对车身进行数学离散化，给这个模型赋予材料属性，进行边界条件的模拟，进 行模型的调试，最后得到一个具有可接受精度的车身结构的仿真模型的过程。有限 元模型的建立是采用有限元分析方法求解问题的先决条件，在整个求解过程中，它 通常具有最大的工作量。有限元模型建立的合理性对问题的求解规模和计算结果的 准确性有很大的影响。 建立车身结构的有限元模型基本上有两种情况：一类是车身结构的简化模型， 一类是车身结构的详细模型。简化模型是在车身构造选择和车身结构概念发展阶段 建立的有限元模型，而详细模型是在车身结构设计细化和车身结构设计验证阶段建 立的有限元模型。 这两类模型有着不同的特点，它们的差异主要表现在计算精度，计算速度和对 硬件的要求上。车身结构的详细模型可以给分析计算提供较高的精度，但是利用详 细模型进行计算对计算速度以及硬件的要求比较高。由于这次是针对某具体汽车车 身进行有限元模型的分析和研究，所以建立的模型是详细有限元模型。 2 1 建模软件 随着计算机技术的不断发展，其软硬件条件的不断改善，为有限元等数值计算 方法在计算机中的实现提供了条件。目前，能够实现大型结构三维实体精确建模和 有限元建模的软件己经很多。本文中分析所用的车身几何模型由某汽车公司直接提 供，该几何模型是用u g 软件建立的。作者进行有限元建模与分析采用h y p e r w o r k s 系列产品的h y p e r m e s h 、o p t i s t r u c t 和h y p e r s t u d y 。 h y p e t w o r k s “”是世界领先、功能强大的c a e 应用软件包之一，是美国a l t a i r 公 司的产品，可应用于造型、可视化、模拟、自动化和制造等领域。a l t a i r h y p e r w o r k s 系列产品众多，有h y p e r m e s h 、h y p e r v i e w 、h y p e r g r a p h 、h y p e r v i e w、player m o t i o n v i e w 、o p t i s t r u c t 、h y p e r s t u d y 、h y p e r f o r m 等其中，h y p e r m e s h 是a l t a i r 7 武汉理工大学硕士学位论文 公司现在的旗舰产品。 1 h y p e r m e s h 介绍 h y p e r m e s h 是一个高效的有限元前后处理器，能够建立各种复杂模型的有限元 和有限差分模型，与多种c a d 和c a e 软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能。 h y p e r m e s h 是一个针对有限元主流求解器的高性能有限元前后处理软件，工程设计 人员可以在一个极佳的交互式可视环境下对多种设计条件进行分析。h y p e r m e s h 的 图形用户界面易于学习，可以直接使用c a d 几何数据和现存的有限元模型，从而减 少附加的冗余数据。其先进的后处理工具可以很方便地显示复杂的模拟结果，并使 之易于理解。h y p e r m e s h 的速度、灵活性和用户化功能无与伦比 ( 1 ) h y p e r m e s h 的几何接口 h y p e r m e s h 通过输入输出功能，可以阅读各种业内主要的c a d 软件的数据格式， 以生成有限元模型。在h y p e r m e s h 中有一系列的工具，可用来对输入的几何实体进 行清理或修补。所输入的几何模型中含有面的信息，以及含有缝隙、重叠和不对齐 现象，这就会妨碍网格自动划分器生成高品质的网格。通过消除不对齐处及小孔， 通过对相邻面问的边界进行抑制，可以在模型更大、更广的区域划分网格，从而提 高整体网格划分的速度和质量。 a l t a i r 公司在世界范围内与先导的c a d c a m 软件供应商建立了紧密而重要的合 作关系，保证用户在同步的工程环境下从一个或多个c a d 系统中获取c a d 信息。 h y p e r m e s h 强大的几何输入功能支持多种格式的复杂装配几何模型的读入，如 c a t i a 、o g n x ，p r o e 、s t e p 、i g e s 、p d g s 、d x f 、s t l 、v d a f s 等格式，支持u g 动态 装配，并可设定几何容差，修复几何模型，同时支持i g e s 格式输出。模型浏览功能 有效管理复杂几何和有限元装配模型。方便灵活的几何清理功能支持多种自动化和 人工化的几何清理功能，各种缝隙缝合，复杂曲面修补，去除相贯倒角、孔洞等功 能，以及薄壳实体中面抽取功能。 ( 2 ) h y p e r m e s h 的求解器接口 h y p e r m e s h 支持多种求解器输入输出格式，与主流求解器无缝集成。现在可支 持l s d y n a 、a b a q u s 、o p t i s t r u c t 、r a d i o sb l 0 c k 、a n s y s 、p a m c r a s h 、n a s t r a n 、m a r c 、 m a d y m o 、c m o l d 、m o l d f l o w 等主流求解器。除此之外，还具有很强的灵活性，可通 过整套输出模板语言和c 语言库来开发输入数据转换器，从而可以支持其他求解 器。 h y p e r m e s h 为各个求解器定制专业界面，如a b a q u s ，l s d y n a 3 d ，a n s y s 接触向 导定义可针对汽车碰撞的安全带和气囊等专业模块。用户还可根据需要开发求解器 模板。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) h y p e r m e s h 的网格划分 h y p e r m e s h 为用户提供了一套完善而又易于使用的工具程序。用户可以使用各 种网格生成工具及h y p e r m e s h 网格自动划分模块来创建二维和三维有限元模型。 h y p e r m e s h 中具有几何型面的网格自动划分模块，为用户提供了一套可靠的网 格划分工具，并使用户能够对每个面( 或每个面的边缘) 进行网格参数调节，而且可 以调节单元密度、单元偏置梯度、网格划分算法等。 h y p e r m e s h 能够用一阶和二阶四面体单元对一段封闭区域自动划分出高品质的 单元，还提供了多种三维单元生成方式来构建高质量的四面体、六面体网格和c f d ( 计 算流体动力学) 网格。用户可以根据结构情况和c f d 模型的实际需要来控制单元的划 分、选择边界浮动的或固定边界的三角形单元重新对局部区域划分网格。h y p e r m e s h 提供多种形式的网格质量检查菜单，使用户可以实时控制单元质量，另外还提供了 多种网格质量修改工具。 h y p e r m e s h 提供了多种焊接单元生成方法。其中，利用c o n n e c t o r 进行大规模 自动化焊接单元转化，大大减少了手工单元生成的操作，同时各类焊接单元质量检 查工具可以让用户少犯错误。 h y p e r m e s h 支持由网格直接生成几何进行二次有限元建模。其中的m o r p h 功能 支持高质量的快速修改有限元模型，并且可以施加多种约束( 如对称) ，设定变形轨 迹( 如沿设定平面、半径、直线调整形状等) 。 ( 4 ) h y p e r m e s h 的后处理 h y p e r m e s h 提供了一整套后处理功能，能够使用户方便精确地理解和分析复杂 的模拟结果。 h y p e r m e s h 还提供了一整套可视化工具，使用等势面、变形结果、等高线、瞬 时结果、向量绘制以及用切割面轮廓线等方式对结果进行显示 h y p e r m e s h 还能将变形通过线性和模态方式动态显示。通过这些功能及友好的 用户界面，可以使用户能够迅速找出问题区域，缩短结果评估所花费的时间。 ( 5 ) h y p e r m e s h 的用户化设置 h y p e r m e s h 提供了多种开发工具，使用户能够将之很好地运用到现有的工程设 计工艺中，便于进行二次开发。 ( a ) 基本的宏命令：用户可以创建宏命令，使若干建模过程自动完成。 ( b ) 用户化定制工具：用户可以利用t c l t k 在h y p e r m e s h 中建立用户化定制方 案。 ( c ) 配置h y p e r m e s h 的界面：对h y p e r m e s h 的菜单系统进行重新布局定义，使 界面更易于使用。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( d ) 输出模板：通过用户输出模板，可以将h y p e r m e s h 数据库以其他求解器和 程序可以阅读的格式输出。 ( e ) 输入数据转化器：可以在h y p e r m e s h 中加入用户自己的输入数据翻译器， 扩充h y p e r m e s h 的接口支持功能，以解读不同的分析数据卡。 ( f ) 结果数据转化器：用户可以创建自己特定的结果翻译器，利用所提供的工 具将特定的分析结果转化成h y p e r m e s h 的结果格式。 2 o p t i s t r u c t 介绍 o p t i s t r u c t 是专门为产品的概念设计和精细设计开发的结构分析和优化工具， 是当今最成熟的也是应用最广泛的优化类软件，国外的汽车部件或整车大都使用该 软件进行优化o p t i s t r u c t 是以有限元方法为基础的最优化工具，凭借拓扑优化 ( t o p o l o g y ) 、形貌优化( t o p o g r a p h y ) 、形状优化( s h a p e ) 和尺寸优化( s i z e ) ， 可产生精确的设计概念或布局。其优秀的优化技术可以为产品的优化目标提供完整 可行的解决方案。o p t i s t r u c t 拥有快速精确的线性有限元求解器。工程师可以采用 其中的标准单元库和各种边界条件进行线性静态、自然频率、惯性释放和频率响应 分析。o p t i s t r u c t 与h y p e r m e s h 之间有无缝的接口，从而使用户可以快速地进行问 题设置、提交和后处理等一整套操作。 o p t i s t r u c t 拥有强大、高效的概念优化和细化优化能力，优化方法多种多样， 可以应用在设计的各个阶段，其优化过程可对静力、模态、屈曲分析进行优化。有 效的优化算法允许在大模型中存在上百个设计变量的响应，其特点如下： 包含多种设计变量及合并的设计变量。 强大的优化算法。 多种工况下合并优化。 多目标优化分析。 可设置临界约束，加快优化计算效率。 重启动功能，优化分析可从一个完整的周期开始而且继续下去 采用可调整的收敛精度。 稀疏矩阵求解器，速度快、所需磁盘空间小。 优化后模型可输出给c a d 软件进行二次设计。 模态跟踪。 多种制造加工约束定义。 自动报告生成功能。 ( 1 ) 响应类型响应类型包含位移、速度、加速度、应力、应变、特征值、 屈曲载荷因子、结构柔度等，也可以是各响应量的混合。设计变量可取任何单元的 l o 武汉理工大学硕士学位论文 密度、节点坐标、属性( 如厚度、形状尺寸、面积、二次惯性矩) 等，除此之外， 用户还可根据自己的设计要求和优化目标，在软件中方便地写入自编的公式进行优 化设计。 ( 2 )拓扑优化拓扑优化方法能够在给定的设计空间内寻求最佳的材料分 布，可采用壳单元或者实体单元来定义设计空间，并用h o m o g e n i z a t i n ( 均质化) 和 d e n s i t y ( 密度法) 方法来定义材料流动规律。通过o p t i s t r u c t 中先进的近似法和 可靠的优化方法，可以搜索得到最优的加载路径设计方案。此外，利用o p t i s t r u c t 软件包中的o s s m o o t h 工具，可以将拓扑优化结果生成为i g e s 等格式的文件，以便 在c a d 系统中进行方便地输入。 ( 3 )形貌优化形貌优化是一种形状最优化的方法，它可以用来设计薄壁结 构的强化压痕，来减轻结构的重量，同时又能满足强度、频率等要求。设定优化的 步骤非常简单，只需要定义一个设计区域、装饰条的最大深度和拉伸角即可。同时， 考虑到可加工性，软件还提供了多种压痕成型方式。优化后的结果还可以用0 s s m o o t h 工具产生的几何数据输入到c a d 软件中，来进行二次设计。 ( 4 ) 形状优化o p t i s t r u c t 还可以用来求解一般的形状优化问题，如边界移 动等。利用h y p e r m e s h 软件中的a u t o d v 和h y p e r m o r p h 来生成复杂形状的摄动向量， 将节点位置作为设计变量，通过结构外形的调整以改善结构特性，如降低应力、提 高频率等。形状优化后，结果可通过o s s m o o t h 生成几何数据输入到c a d 系统中。 ( 5 )尺寸优化通过参数调节，如改变壳的厚度、梁的横截面参数、弹性和 质量属性，从而改善结构的特性，如降低设计重量、减小应力、提高频率等。h y p e r m e s h 中有一个尺寸优化菜单，可以很方便地对尺寸优化问题进行设定。 ( 6 )有限元分析o p t i s t r u c t 是一个高效、精确、独立的有限元求解器，支 持在多c p u 计算机上进行并行运算。该求解器涵盖了标准的有限元类型，可用于进 行线性静态分析、模态分析、惯性释放、频率响应分析和屈曲分析。用户使用其中 的标准库和各种边界条件类型，可以进行线性静态和自然频率优化分析。h y p e r m e s h 与o p t i s t r u c t 的图形接口十分完善，用户可以快速便捷地进行建模、参数设置、作 业和后处理等一整套分析流程。 3 h y p e r s t u d y 介绍 h y p e r s t u d y 是h y p e r w o r k s 软件包中的一个新产品。它主要用于c a e 环境下试 验设计、优化和随机分析研究。h y p c r s t u d y 的前身是h y p e r w o r k s 系列产品中的 s t u d y w i z a r d 。h y p e r s t u d y 具有导向式结构，易于学习，适用于研究不同变化条件下 设计变量的特性，包括非线性特性，还能应用在合并不同类型分析的跨学科领域中， 且模型易于参数化除了传统意义上定义输入数据为设计变量，有限元的形状也 1 1 武汉理j 二大学硕士学位论文 能够被参数化。h y p e r s t u d y 具有良好的集成性，可以从h y p e r m e s h 、h y p e r f o r m 和 m o t i o n v i e w 软件中直接启动，同时获取设计参量等。 2 2 有限元分析的基本流程 利用有限元分析软件( 如n a s t r a n ，a n s y s ，h y p e r m e s h 等) 建立的有限元模型的 建模方法一般有两种。一是首先通过c a d 造型软件根据工程图或者实地测绘的尺寸 来建立结构的c a d 模型。这样的模型一般包括曲面、曲线、点的信息。然后，将单 个零件的c a d 文件( 通常为掌p a r t 文件) 转换为c a e 软件能够识别的一种文件格式， 如i g e s 、s t e p ，s t l 等。再将其导入c a e 软件中，经过适当的修正、网格划分，来 得到单个零件的c a e 模型，再通过总成装配来完成结构的c a e 建模。另一种方法是 利用c a e 软件中的建模功能，根据实际尺寸在软件中直接建立单个零件的c a e 模型， 然后用同样的方法处理，最后来得到整个结构的c a e 模型。 对于复杂曲面造型，使用c a d 造型软件相对于c a e 软件，在操作上要方便一些。 本文中所用模型采用第一种方法，其c a d 模型是用u g 软件建立的，由某汽车公司直 接提供。 进行有限元分析的基本流程如下图2 - i 所示： 图2 1 有限元分析的基本流程 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 建立车身有限元模型时考虑的主要问题 有限元模型是有限元分析的基础，有限元模型的质量直接影响到有限元分析结 果的准确性。进行有限元分析，由于建模的目的不同，建模时所需考虑的重点也不 同，但在建模过程中都会遇到一些共同的问题，如结构的简化、单元类型的选取、 单元数量的控制和连接方式的模拟等。 ( 1 ) 结构的简化“”“5 1 汽车车身主要由地板、前面板、侧围、后围、顶盖和立柱等薄板零件组成，其 零件结构复杂，建立车身的详细有限元模型并不意味着将整车结构原封不动的用有 限元单元进行离散，因为对未进行简化的几何模型进行有限元网格划分，由于细小 尺寸或尖角的存在会带来单元尺寸的急剧增多和单元质量的急剧恶化，而对结构的 细微环节进行适当简化对结构的整体性能影响i l l i , j , 。进行结构简化时应对所关心的 部位少简化或不简化，对远离所关心部位的区域，可在不影响所关心部位相应的条 件下作较大简化。 车身钣会件上孔的分布极广，主要满足工艺及装配要求。对于直径较小的孔