（车辆工程专业论文）基于发动机激励的客车动态分析.pdf

删删f f f j f | i r i l g ll i f t | 舢, i r ljillfj|11| y 18 8 6 5 2 7 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员签名( 工作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 呼毛景c 向巳互星奸撇夕 独创性声明 学位论文版权使用授权书 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝者铭菇船逮 签字日期：2 0 1 1 年铂伽 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名； 胁) 形 签字日期珈年铀伊 电话： 邮编。 基于发动机激励的客车动态分析 摘要 客车的动态特性是决定客车性能的主要因素，它不仅影响乘客的舒适性、 行驶安全性，还影响客车零部件的使用寿命。本文的主要工作是研究客车在发 动机的激励下，客车结构的动态响应特性。 本文通过建立客车有限元模型，对客车模型进行自由模态分析，利用有限 元模态计算结果对客车动态性能做出评价；对客车模型进行发动机激励下的谐 响应分析，根据谐响应计算结果，对发动机激励下的整车结构动态性能进行了 分析和了解；随后又对客车模型进行瞬态响应分析，模拟客车单个车轮通过正 弦波形路面的工况，观测客车的动态响应情况；最后对对该客车进行多工况整 车行驶振动试验，通过实验数据的分析后处理，找出引起客车振动的主要振源。 经过整车模型的模态分析、谐响应分析、瞬态分析以及整车道路振动测试 试验，全面了解了整车的动态特性，为整车结构的优化提供了参考。 关键词：动态特性；谐响应分析；瞬态分析；振动测试；车身结构 i i s t u d yo fc o a c hd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sb a s e do n e x c i t a t i o no fe n g i n e a b s t r a c t d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc o a c h e sa r et h em a i nf a c t o ro fd e t e r m i n i n gt h e q u a l i t yo fc o a c hp e r f o r m a n c e ，w h i c hn o to n l ya f f e c tt h ep a s s e n g e rr i d e ，d r i v i n g s a f e t y , b u ta l s oa f f e c tt h es e r v i c el i f eo ft h ec o m p o n e n t s t h em a i nw o r ko ft h i s p a p e rw a st os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fac o a c hu n d e re x c i t a t i o no f e n g i n e i nt h i sp a p e r ，b ye s t a b l i s h i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ec o a c hs t r u c t u r e ， m o d a la n a l y s i sf o rt h ew h o l eb u ss t r u c t u r ew a sc a r r i e do u t a n da c c o r d i n gt ot h e r e s u l t s ，s o m ee v a l u m i o n sw e r em a d eo nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ec o a c h a l s o ， h a r m o n i ca n a l y s i so ft h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ec o a c hu n d e re x c i t a t i o no fe n g i n e w a sc a r r i e do u t ，a n dt h r o u g ht h er e s u l t st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ec o a c h e x c i t e db ye n g i n ev i b r a t i o nw a sk n o w n a n dt h a nc a r r y i n go u tt h et r a n s i e n ta n a l y s i s f o rt h ec o a c hs t r u c t u r eb ys i m u l a t i n gt h ec o n d i t i o no ft h a tas i n g l ew h e e lt h r o u g h t h e s i n e - s h a p e d s u r f a c e r o a d ，t h ed y n a m i cr e s p o n s e o f c o a c h b o d y w a s o b s e r v e d f i n a l l y , m u l t i - s t a t ev i b r a t i o nt e s t i n go ft h ec o a c hw a sc a r r i e do u t ，t h r o u g h p o s t - p r o c e s s i n ga n a l y s i so ft h et e s td a t e ，f i n d i n g t h em a i ns o u r c eo ft h ec o a c h v i b r a t i o n t h r o u g hm o d a la n a l y s i s ，h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，t r a n s i e n ta n a l y s i sa n d v i b r a t i o nr o a dt e s tf o rt h ev e h i c l es t r u c t u r e ，t h ec o a c h sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s w a sc o m p r e h e n s i v e l yu n d e r s t o o d ，a n dt h e nt h ea n a l y z e dr e s u l tp r o v i d e st h e o r yf o r t h eo p t i m i z i n go ft h eb o d ys t r u c t u r ed e s i g n k e y w o r d s ：d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ； a n a l y s i s ；v i b r a t i o nt e s t ； h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ；t r a n s i e n t b o d ys t r u c t u r e i i i 致谢 本研究及学位论文是在我尊敬的导师一一张代胜教授的亲切关怀和悉心指 导下完成的。张老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风 以及独特的人格魅力深深地感染和激励着我。张老师宽以待人，严以律己的作 风和豁达的胸襟，是我今后工作和学习的楷模。张老师对我论文撰写工作自始 至终都倾注了大量的心血，对我论文的选题、试验、修改直至定稿都给予了精 心的指导。在此谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在完成论文和课题 期间，特别感谢陈朝阳教授与谭继锦教授在我做课题和论文期间给予的帮助。 在此，我还要感谢在一起愉快度过研究生生活的各位同门，正是由于你们 的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特 别感谢刘文彬、黄俊杰、汪小朋、邝坤阳、刘晨曦、王松、杨杨、徐爱琴等同 学对本人在学习、研究和生活上的帮助l 最后，我要向我的家人表示深深的谢意。你们的理解、支持、鼓励让我更 加上进，你们的情感永远都是催我上进的不竭的动力源泉! i v 作者：李振远 2 0 1 1 年0 4 月 目录 目勇乏。v 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 研究背景1 1 3 国内外的研究现状2 1 4 研究内容4 第二章有限元理论及客车模型的建立。5 2 1 有限元理论基础5 2 1 1 有限单元法的概念5 2 1 2 有限元法的应用一5 2 1 3 有限元技术简介6 2 1 4 汽车结构有限元分析的内容9 2 2 有限元模型的建立1 l 2 2 1 有限元模型的简化l l 2 2 2 有限元模型网格的划分1 1 2 2 3 单元类型的选择1 2 2 2 4 材料属性的确定1 2 2 2 5 建立车架有限元模型1 3 2 2 6 建立车身骨架有限元模型1 4 2 2 7 选用单元的介绍1 6 2 2 8 客车有限元模型的生成1 8 2 2 9 载荷的处理1 9 2 3 本章小结2 0 第三章客车有限元模型模态分析2 2 3 1 模态分析概述2 2 3 1 1 模态分析方法2 2 3 1 2 模态分析在工程上的应用2 2 3 1 3 模态分析理论基础2 3 3 1 4 模态提取方法2 5 3 2 客车模态计算及结果2 5 3 2 1 边界条件的确定2 5 3 2 2 计算结果的评价原则2 6 3 2 3 计算频率范围的选择2 6 3 2 3 客车模态计算2 7 v 3 3 模态分析结果数据分析2 9 3 4 本章小结2 9 第四章客车骨架的动态响应分析3 0 4 1 引言3 0 4 2 客车骨架的谐响应分析3 0 4 2 1 客车所受激励的振源确定3 0 4 2 2 发动机激励的确定3 l 4 2 3 发动机激振频率的确定3 3 4 2 4 谐响应分析3 4 4 2 5 谐响应分析计算及结果3 5 4 3 客车骨架的瞬态响应分析4 0 4 3 1 瞬态动力学分析概述4 0 4 3 2 客车受冲击载荷的瞬态响应分析4 1 4 3 3 计算结果分析4 2 4 4 本章小结4 4 第五章客车振动试验4 5 5 1 振动试验的目的和意义4 5 5 2 振动试验方法和内容4 5 5 3 常用传感器4 6 5 4 振动试验方案4 6 5 4 1 试验设备的选择4 6 5 4 2 测点选择。4 6 5 4 3 试验工况的选择4 8 5 5 测试结果4 9 5 5 1 测试结果记录如表5 - 4 所示：4 9 5 5 2 测试数据分析5 0 5 6 试验结果分析5 2 5 7 本章小结5 4 第六章总结与展望5 5 6 1 总结5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 7 硕士期间参与的科研项目5 9 硕士期间发表的论文。5 9 v i 插图清单 表2 1 有限元法的主要应用6 表2 2 单元类型的分类1 2 表2 3 材料参数1 3 表2 4 车身骨架理论加载载荷及加载形式2 0 表3 1 整车骨架固有频率2 7 表4 1 即为四缸和六缸直列发动机的平衡特性3 2 表4 2 谐响应分析方法3 5 表4 3 客车特征点位置3 6 表4 - 4 发动机频率转速对照3 8 表4 5 发动机转速与车速对照3 8 表4 6 特定频率下特征点位移峰值3 8 表4 7 位移载荷步及车轮约束4 1 表5 1 人体对于各频率段的反应4 5 表5 2 传感器的分类4 6 表5 3 测点位置4 7 表5 4 二挡下不同车速测试记录4 9 表5 5 三挡下不同车速测试记录4 9 表5 - 6 四挡下不同车速测试记录4 9 表5 7 五挡下不同车速测试记录4 9 表5 8 测点峰值对应频率5 3 v i i 表格清单 图1 1m a s s 2 l 模拟设备的质量3 图2 1有限元分析流程图9 图2 2车架u g 图和h y p e rm e s h 图1 3 图2 - 3车架a n s y s 有限元模型1 4 图2 4客车车身骨架模型1 5 图2 5模型采用的部分梁截面1 6 图2 6b e a m l8 8 示意图1 7 图2 - 7s h e l l 6 3 示意图1 7 图2 8m a s s 21 示意图1 8 图2 9c o m b i n l 4 示意图1 8 图2 1 0 客车有限元模型1 9 图2 - 1 1 模型的载荷形式2 0 图3 1整车振动的振源及传递过程2 6 图3 2 模态分析设置。2 7 图3 - 3模态振型图2 8 图4 1发动机振动机理3 1 图4 2四缸直列发动机布置图3 l 图4 3谐响应分析图3 4 图4 4谐响应分析参数设定3 6 图4 - 5中部地板与驾驶员座椅位移一频率曲线3 7 图4 - 6后门立柱与前门立柱位移一频率曲线3 7 图4 - 7后部顶盖和后部座椅位移一频率曲线3 7 图4 8车架后横梁和前横梁位移一频率曲线3 7 图4 - 9前四个特征点位移一频率曲线3 9 图4 - 1 0 后四个特征点位移一频率曲线4 0 图4 - 1 1 正弦波形路面简图4 l 图4 1 2 特征点位移一时间历程曲线。4 2 图4 1 3 特征点速度一时间历程曲线4 3 图5 - 1测点布置图4 7 图5 2传感器布置实图4 8 图5 3第一种工况下测点频谱图5 0 图5 4第二种工况下测点频谱图5 l 图5 5第三种工况下测点频谱图5 2 图5 - 6第四种工况下测点频谱图5 2 第一章绪论 1 1 引言 近年来，我国的交通事业发展迅猛，人们出行也越来越方便，作为主要交 通工具的客车在人们出行时起着不可或缺的作用。全球各大客车生产企业都在 致力于研发集舒适、环保、安全子一体的客车，其中良好的乘坐舒适性也一直 是研发所追求的目标。 客车行业是一个高速发展的行业，摆脱了传统的“靠经验造车 的模式， 国内新兴客车企业的产生，使得行业内部的竞争也日益激烈。激烈的市场竞争 就需要客车生产企业在保证整车质量的前提下，增快新车推出的速度。c a e 在 汽车工业中的应用使得汽车的研发时间大大缩短，研发经费大大降低，给企业 带来了巨大的技术和经济效益。未来的客车是向着安全、舒适、环保节能方向 发展，用户的需求也会越来越多样化，如何在产品设计之初就满足顾客的需求 显得尤为重要。 客车在公路上行驶，由于内在和外在共同激励的作用，客车的振动在所难 免，所以尽量减小客车振动，增加乘坐舒适性越来越成为客车所研究的重要课 题。汽车由多个具有固有振动特性的子系统组成，是一个复杂的多自由度“质 量一刚度一阻尼 振动系统【l 】。子系统的振动，包括动力系统、传动系统、悬 架系统等的振动，也包括汽车垂直振动及侧倾振动等，都是我们所要关注和研 究的问题。同时由于人体本身也是一个复杂的振动系统，这些不同的振动形式 相互耦合，直接影响汽车行驶平顺性、乘坐舒适性、安全性以及汽车零部件的 使用寿命。 所以，提高汽车的乘坐舒适性能，就必须对汽车振动特性进行深入研究。 掌握汽车的振源，从源头着手，减小振动激励，合理避开共振频率范围，从而 有效的解决客车振动问题。 1 2 研究背景 设计水平的高低决定了产品的性能优劣，只有一个好的设计才会生产出高 质量的产品。科技水平不断进步，人们的使用要求也在日益提高，设计方法和 设计手段在不断地改善，以经验和试制为主要研发手段的造车已经不能满足现 代产品的性能要求。计算机技术的应用，使得c a e 技术在汽车研发之初发挥了 重要的作用，数值仿真分析得到了广泛的应用。 近些年来，中国汽车行业蓬勃发展，整车的自主开发水平也在逐步提高， 经济的发展促进了中国车市的火爆，这给汽车行业发展带来了从未有过的机遇 和挑战。由于生活水平的提高，人们在享受汽车带来便捷性的同时，也对汽车 的舒适性，环保性，安全性等方面提出了更高的要求；可再生能源的紧张，以 及汽车生产成本的不断增加，汽车的低能耗备受关注，新能源在汽车行业开始 扮演越来越重要的角色。但是不论是传统的内燃机式汽车还是今后以电池技术 为主的新能源汽车，汽车的乘坐舒适性都不可避免的成为评价一辆汽车好坏的 重要标准，汽车振动直接影响了汽车的舒适性。一种是来自于路面的激励通过 悬架、车架传递到车身上，最终传递到乘客身上，振动过大，人的身体会感到 不适；另一种是发动机通过发动机支架传到车架，再传到车身引起振动。为了 防止振动的叠加，也就是我们所说的共振现象的产生，就要从模态分析入手， 掌握整车的固有频率和振型。得到整车结构的固有频率和振型有两种方法：一 种是通过样车试验，得到车身的各阶振动频率和振型；另一种是通过理论分析 计算，计算出整车的各阶振动频率和振型【2 】。目前为止，应用的最为广泛有效 地方法就是利用c a e 技术对整车进行模态分析p j 。 1 3 国内外的研究现状 汽车自从出现到现在已经有1 0 0 多年的历史，汽车的出现，扩大了人们的 生活半径，也加快了人们的生活节奏。在这一百年的时间里，科学技术在不断 地向前发展，汽车的设计制造水平也有了质的飞跃。特别是近些年，随着计算 机技术的运用，在设计之初就按照顾客的需求来进行，减少了试制的环节，通 过计算机仿真技术，可以对汽车设计上一些潜在的问题加以预测并得以解决。 中国的汽车工业起步较晚，但是作为新兴的汽车消费大国，能够生产出高性能 的汽车已经不只是一代人的梦想，从我国的解放牌汽车的下线，到现在全国各 地自主汽车企业的崛起，无一不证明了通过自主创新来发展汽车工业已经刻不 容缓，于是国内的整车技术研究开始新的起航。从7 0 年代开始，整车的动态研 究有了新的进展【4 】。在整车动态研究中，目前整车动态性能的研究方法主要有 两种：一是解析法，即理论计算。这种方法主要通过建立数学模型的运动微分 方程组，经过计算求解得到动力系统的响应，从而达到分析振动问题的目的， 另一种是采用工程测量的方法，即试验法。它主要是通过对系统进行激励使系 统产生振动响应，利用相关的仪器进行现场信号收集，测得系统的响应，最后 通过数据后处理软件进行试验数据的分析，得到系统响应参数，使振动问题得 到解决。 早期，汽车结构的动态性能分析研究主要是通过试验法来进行，通过多年 的研究发现，在整车的研发过程中，试验法具有一定的局限性：第一，试验法 必须要先试制出样车，这个样车试制的过程浪费了大量的财力物力；第二，开 发新车不是凭空想象，以前就是通过设计人员的经验来试制样车，样车具有很 多的不合理性，再进行重新设计试制，这就大大延长了整车的开发周期。解析 法的出现帮助设计人员解决了这个问题，也使得汽车工业有了很大的进步，设 计人员可以通过解析法在样车试制之前就准确的把握待研发车型的静动态性 2 能，方便合理的对新车进行设计，使得研发周期降低，研发成本也得到了有效 地控制。所以解析法对汽车工业的发展功不可没。但是，由于客车的结构比较 复杂，早期的计算设备不能满足大规模的系统方程组的求解，所以解析法在客 车中的应用一直受到限制。电子计算机让解析法应用于客车的研发设计之中成 为可能，这也促进了客车性能的提升。 图卜1m a s s 2 l 模拟设备的质量 国内的学者也开始运用有限元的方法对客车的整车结构进行分析。高速列 车研究中心鲁寨军通过研究车体结构振动分析，提出并且验证了在计算车体载 重状态下的模态时，采用质量单元m a s s 2 1 模拟设备的质量及其他车载重量具 有很好的效果，并且着重分析了两种不同的链接质量单元位置与支撑方式对分 析结果的影响，指出需要根据设备与车里链接的具体情况确定选择哪种方式， 具体模拟方式如图1 1 所示。在有限元在客车车身结构模态分析中的应用 中，作者通过建立动力学模型，采用有限元法对车身结构进行模态分析，从而 预测各工况下客车的振动特性及响应【5 】。在基于a n s y s 的客车车身结构的 有限元分析中，应用有限元方法建立了某城市公交车车身骨架结构的有限元 模型通过对几种不同典型载荷下车身结构的强度刚度校核及分析提出了对该客 车车身骨架进行结构设计的理论依据【6 】。在f e ms t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s o f t h eb o d ys t r u c t u r eo fs k 6 1 2 0l o wf l o o rc i t yb u s 中，作者通过对低地板城市公 交车有限元建模，对模型进行了扭转，急转弯，紧急制动等工况下的应力分析， 本论文提供了各种工况下的加载方法【_ 7 1 。在论文客车车身骨架结构有限元分 析与研究中，以客车车身骨架为主要研究对象，对采用有限元方法研究整车 动态性能作了初步探讨【8 】。动态分析部分结合承载式车身的实际特点，将车身 动态分析划分为车身骨架和轮胎悬架两部分分别进行谱分析，提高了使用有限 元分析大型复杂结构的效率。 就目前而言，关于客车有限元的分析研究中，大部分都集中在采用静态分 析和模态分析得到原结构的应力和变形分布、固有频率和振型情况，然后再利 用经验或优化设计进行局部的改进。相对来说，涉及到汽车受外界激振力而振 动的谐响应分析研究比较少。这其中，南京农业大学王晖云运用a n s y s 软件对 所建立的货车有限元模型进行谐响应分析，激励施加在前后轮位置，方向为竖 直向上，幅值为o 0 5 m ，相位角间隔3 0 度；南京理工大学韩鲁明以道路为激励， 对车架进行谐响应分析，在p o s t 2 6 后处理器中得到频响函数p j 。 相对而言，我国的客车有限元动态研究主要集中在高等院校和少数大型汽 车企业，与此同时，国外的汽车企业却已经将研究转向客车的安全碰撞分析、 零件冲压成型过程分析等领域。我国的客车有限元研究还有很长的路要走，借 鉴国外分析的经验，在有限元分析过程中使用的方法会更加广泛，包括模型的 自适应网格划分、子模型、拓扑优化等方法等。因此，我国要将有限元动态分 析的研究充分运用到产品设计过程之中，增加产学研合作力度，促进有限元动 态分析研究的发展。 1 4 研究内容 本文所研究的课题主要是通过动态分析对客车结构进行研究，找出客车在 道路上行驶振动的主要振源，因为客车所受外部激励主要为发动机和路面激励， 所以本文将研究作为主要振源之一的发动机对整车结构振动的贡献。首先文章 研讨了有限元模型的建立，对所建的客车模型进行模态分析，提取所需的模态 参数。对发动机激励，运用a n s y s 软件，对模型进行谐响应分析，并采用瞬 态分析的方法对客车左侧车轮通过凸出路面这一行驶工况进行仿真，绘制位移- 时间历程曲线。主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 简要的介绍有限元理论及a n s y s 有限元分析软件； ( 2 ) 通过综合运用h y p e rm e s h 和a n s y s 软件建立客车有限元模型，探讨了 客车在建模过程中的一些关键问题； ( 3 ) 详细研究了发动机激振力及其计算公式； ( 4 ) 通过采用谐响应分析方法对发动机激励下的整车模型进行振动分析， 通过观测计算结果对整车结构动态性能进行评价： ( 5 ) 通过采用瞬态分析方法对客车某一种行驶工况进行模拟，研究整车结 构的振动响应性能； ( 6 ) 合理布置测点，进行实车的路测试验，通过数据采集设备对试验数据 进行采集，并通过数据分析软件分析研究试验数据。 4 第二章有限元理论及客车模型的建立 2 1 有限元理论基础 2 1 1 有限单元法的概念 有限单元法( f e m f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，简称有限元法【l 引。它的理论基 础是力学，并在力学的基础上，将数学和计算机科学两者相融合而产生的，且 随着现在计算机科学技术的蓬勃发展和计算方法的更新，有限元法已经演变成 日趋完善的一种应用广泛的数值计算方法，主要应用在解决实际工程问题，并 逐渐的向其他领域延伸。经过大概6 0 多年的发展，有限元法的基本理论也逐渐 的变得成熟和完善，并且这种理论已经不仅仅停留在理论研究上，如今在软件 市场上可以找到许多以有限元理论为基础的分析软件，这更加推动了有限元理 论的传播应用和发展。随着互联网的广泛使用，学术交流变得越来越方便，许 多有限元研究的论文和文献也随着学术交流迅速的在学术界得到广泛的传播， 最终投入到实际的生产生活之中。如今，利用有限元理论在结构分析方面已经 独树一帜，成为了做结构分析最为方便有效，最为广泛和实用的重要分析手段。 正是因为有了有限元理论的发展和大量有限元分析软件的产生，许多工程领域 中的难点得以解决，许多大型的工程能够在开始施工建设之前就可以精确地进 行仿真设计。有限元理论已经遍布了工程领域的各个行业，作为与人民生活息 息相关的汽车领域也并不例外。 有限单元分析( f e a - f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) ，简称为有限元分析，是计算机 辅助工程( c a e c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 的重要组成部分j 。而实际上， c a e 的应用就起始于有限元分析，基于有限元分析技术的c a e 软件，现在不 论是在数量、规模、质量还是应用范围上都占据着优势，处于主导地位。 2 1 2 有限元法的应用 2 1 2 1 有限元法的优越性 有限元方法的理论基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思路是将整 体划分为有限个单元，这些单元不互相重合，并在较为适合的节点处插入求解 函数，将微分方程转化为线性表达式，对变化后的微分方程离散求解【l2 1 。基于 上述有限元法的特点，它的优越性主要表现在以下几个方面 1 3 1 ： ( 1 ) 能够分析形状复杂的结构 有限元法所划分的单元并不是大小均匀的规则网格，单元的形状可以根据 结构的不同自由划分，具有一定的随意性，单元的大小也有所区别，单元的边 界并不限制在直线或是平面，因此有限元法可以应用于形状复杂的结构分析， 可以是形状简单的杆件，也可以是形状复杂的实体或曲面。 ( 2 ) 能够处理复杂的边界条件 划分后的单元在计算中，由于有限元法的特点，在计算时，并不是每个单 元都需要计算。在求得整个系统后的方程之后，将相关矩阵进行特殊变换，在 内部和外部单元上采取一样的场变量函数。在求解计算时，只需要改变变量函 数，大大简化了边界条件。 ( 3 ) 能够保证规定的工程精度 根据工程精度的需要，可以控制网格密度或利用不同的插值函数来求解， 可以使得分析解能够作用于实用。 ( 4 ) 能够处理不同类型的材料 有限元法可以对很多类型的材料或由多种材料组成的结构进行分析，另外， 它还可以应用于处理随时间或温度变化的材料以及非均匀材料。 2 1 2 2 有限元法的应用范围 有限元法出现于2 0 世纪5 0 年代，刚开始是为解决固体力学问题，应用于 航空航天领域的刚度、强度分析计算【l4 1 。伴随着研究的深入，以及数值方法、 矩阵理论的深入发展，特别是计算机技术的突飞猛进，有限元法的应用得到了 很大的推动。目前，有限元法已经从它最初应用的固体力学领域，逐渐的推广 应用到温度场、电磁场、流体场、电场及其它连续介质领域。在固体力学领域， 有限元法既可用于线性静力分析，也可用于动态研究，还可以用于非线性，热 应力、蠕变、接触、断裂、碰撞模拟、加工模拟等特殊问题的研究。有限元法 已成为工程结构性能分析与结构仿真的一种行之有效的手段，也逐渐成为了现 代设计方法的一个重要组成部分。归纳起来，有限元法的主要应用如表2 1 【l 5 】： 表2 - 1 有限元法的主要应用 最常用的一种分析，主要计算在静力作用下，系统的应力和变形， 线性静力分析 检测结构的强度刚度。 计算结构的固有特性，及结构在外界激励下的响应情况。包括模 动态分析态分析、谐响应分析、瞬态响应分析、谱分析。动态分析也是本 论文研究的主要内容。 计算结构在热环境中的温度分布和热流，以及结构内部的应力和 热分析 变形。 流场分析计算流体场的速度，压力分布。 电磁场分析计算电磁场的电磁参数。 非线性分析分析机构的一些非线性现象。 有对一些物理过程进行仿真，比如金属切削、冲压成型、注射成 过程仿真 型、碰撞过程等。 2 1 3 有限元技术简介 2 1 3 1 有限元法概述【1 6 1 8 】 6 有限元法出现于2 0 世纪5 0 年代，针对连续体力学和物理问题，从2 0 世纪 6 0 年代开始逐渐发展，成为一种全新的数值求解方法。它是力学、数值计算方 法和计算机三者相结合的产物，拥有自己特有的理论基础和解题方法。其一般 解题思路为：根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程 初边值问题等价的积分表达式；对区域单元进行剖分，根据区域的实际情况和 物理特点，将区域划分为相互连接，互不重叠的若干单元；根据单元节点的数 目和结果求解精度的要求，选择满足条件的差值函数作单元基函数；进行单元 积分，得到单元有限方程，将区域内的单元有限方程按照一定的法则进行合成； 采用本质边界条件( 狄里克雷边界条件) 、自然边界条件( 黎曼边界条件) 、混合边 界条件( 柯西边界条件) 三种形式对边界进行处理；最后求解有限元方程，可求 得各节点的函数值【1 9 】 2 1 3 2 有限元法的基本思想 有限元法是一种近似求解一般连续问题的数值方法。有限元法作为结构分 析的计算方法，从数学角度来看，它的基本思想是通过离散化手段，将偏微分 方程或变分方程变换成为代数方程然后求解；从力学角度来看，它的基本思想 是通过离散化手段，将连续体划分成为有限个小单元体，并且使它们在有限个 节点上互相连接。 有限元法的基本思想是将一个实际的弹性连续体划分为有限个大小的、有 限个数的单元组合进行研究【2 0 1 。单元之间靠节点进行连接，节点传递单元之间 的各种载荷。有限元利用离散而形成有限个单元的集合体代替原来的弹性连续 体，对有限个单元进行分析计算，以变分原理为工具，将微分方程变化为代数 方程。再将有限个单元组装成整体，形成整体的刚度方程。理论上，单元划分 的越细，有限个单元形成的集合体就越接近原来的实际弹性体，如果划分单元 数目足够多并且比较合理，那么有限元分析的结果就与原来的实际情况相符合。 2 1 3 3 有限元法的基本理论与方法 有限元法( 特别是有限元位移法) 是在杆、梁类结构( 杆系结构) 分析的矩阵位 移法基础上发展起来的。矩阵位移法的基本思路是：将要分析的刚架拆成一个 个杆件，逐个进行单独分析，然后再把这些杆件综合成整个刚架。在化整为零 又积零为整的过程中把复杂刚架的计算问题转化为简单杆件的分析与综合问题 【2 。有限元法的思路和矩阵位移法类似，但应用范围远远大于原来的矩阵位移 法，其中最大进步是将应用范围扩大到应用于连续介质的范围。其基本思想是 将一个实际的弹性连续体划分为有限个大小的、有限个数的单元组合进行研究。 单元之间靠节点进行连接，节点传递单元之间的各种载荷。有限元利用离散而 成个有限个单元的集合体代替原来的弹性连续体，对有限个单元进行分析计算， 以变分原理为工具，将微分方程变化为代数方程。再将有限个单元组装成整体， 形成整体的刚度方程。理论上，单元划分的越细，有限个单元形成的集合体就 7 越接近原来的实际弹性体，如果划分单元数目足够多并且比较合理，那么有限 元分析的结果就与原来的实际情况相符合。有限元法所用的力学基础包括弹性 静力学、动力学、弹朔性力学、接触理论、疲劳与断裂力学、流体力学等。但 是随着有限元法本身的发展，计算机技术的进步，有限元应用的范围也在不断 扩大，建筑、电子、生物等领域也引入了有限元法。虽然有限元法涉及众多方 面的分析问题，但是弹性力学依然是其最基本的力学基础【2 2 1 。 2 1 3 4 有限元分析中注意的几个重要问题 利用有限元法对汽车结构进行分析时，应该注意以下几个重要问题 2 3 1 ： ( 1 ) 精确建模 精确建模就是要从实际结构中准确提炼出力学模型，并且将复杂问题简单 化，使得有限元模型与原结构等效，选择恰当单元，合理划分网格，算法参数 控制得当，使所建立的模型符合实际工程结构，因为有限元模型的精确度将会 直接影响计算结果的误差和结论分析的正确性。 ( 2 ) 准确加载 准确加载就是要对所研究的结构，无论是零部件、各总成或是整车，要从 分析、计算及试验等多个方面确定载荷位置、大小、工况加载方式和载荷验证 等，确保所加载载荷值可靠。 ( 3 ) 正确约束 正确约束就是全面地理解结构边界条件和各部件之间相互的约束关系，确 定决定连接性质的主要因素，找到约束替换的等效方式，确定连接关系的合理 方案，保证计算模型的边界条件和连接关系与实际结构相符合。 ( 4 ) 明确分析 明确分析就是要制定合理的分析方案、控制模型的运算误差，具备模型检 验与模型验证的能力、评价计算结果的能力和研究工程问题的能力；帮助并指 导产品结构设计的能力。 2 1 3 5 有限元分析的基本流程 有限元法的基本研究思路为结构离散单元分析整体求解，有限元软件 进行分析的过程也相应划分为前处理中处理后处理三个阶段。有限元分析 的前处理阶段的工作主要是建立有限元模型，进行单元网格划分；中处理阶段 主要是构建刚度矩阵、进行分析计算；后处理阶段是对分析与计算的结果进行 处理，对所分析的结构做出评价。 简要的说，有限元分析过程可以归纳为以下几步1 2 4 脚】： ( 1 ) 首先将连续体划分成有限大小的区域，这些小区域即为有限单元，各个 单元之间通过节点相互连接。 ( 2 ) 选择节点的物理量( 如位移或温度) 作为未知量，把每一单元假设为一个 简单的连续位移函数( 插值函数) 来模拟其位移分布规律，从而可以对单元内任 一点的物理量用节点物理量来进行表述。 ( 3 ) 利用有限单元法的不同求解方法，例如根据虚功原理可以建立每个单元 的平衡方程，也就是建立各单元节点力与位移之间的关系，形成单元性质的矩 阵方程。 ( 4 ) 将各单元再重新组装成原来的整体区域，建立整个计算模型的平衡方程 组，形成整体刚度矩阵。 ( 5 ) 引入边界条件( 约束处理) ，求解节点上的未知量。其他参数( 如应力、应 变等) 亦可依次求出。 图2 - 1有限元分析流程图 2 1 4 汽车结构有限元分析的内容 汽车工业在不断发展，消费者的要求也越来越高，在激烈的市场竞争环境 中，要求汽车的品质有保障，就需要在汽车的设计之初把握整车的性能，在制 造阶段保证加工的精确性。新上市的汽车要符合质量的要求，也要满足消费者 的审美需求，符合潮流的汽车才会得到消费这的认可。这就需要整车的研发周 期不能太长，在以往，由于反复进行试制，试验，整车研发周期都比较长，有 限元分析大大缩短了产品的开发周期，为产品赢得了时间。在汽车开发过程中， 有限元分析渗透到很多方面，设计到的对象有零部件、各总成、操控系统、内 外饰等多个部分。分析内容主要包括整车多体动力学、整车性能、结构强度刚 度、模态分析、结构疲劳以及可靠性分析、振动噪声( n v h ) 分析、结构部件动 9 力学分析、汽车碰撞安全分析、部件冲压成型分析、结构热耦合分析、流体力 学分析等。通过合理运用c a e 技术，不必制造大量试验样车，降低了原型车的 制造和试验成本，降低汽车及零部件开发费用。 汽车设计的目的是提高汽车的安全性、舒适性、可靠性、经济性、环保性、 高载重和轻量化等，而要实现以上研制目标，要解决的技术关键和首要问题就 是汽车强度刚度问题，汽车结构的力学特性在很大程度上也决定了整车的品质。 在保证拥有必要的强度储备和满足一定的刚度标准条件下，既需要保证其疲劳 寿命、保证其装配和使用性能要求，同时也应最大限度的减轻汽车结构的自身 重量，达到节省材料降低油耗的目的。随着汽车向高速度和轻量化方向发展， 振动噪声的控制已经日益成为汽车设计的一项关键技术。n v h 控制技术，已经 成为汽车工业发展的决定性技术。可以通过对整车动态特性的研究和分析来达 到控制振动噪声的目的，另外还需要考虑汽车安全性、经济型、舒适性等指标 的要求，所以这一切都使汽车研发设计更富有挑战性，同时也为有限元分析技 术在汽车研发中的应用提供了广阔天地。 有限元分析已经广泛的应用于汽车研发初期，在汽车实车试制之前采用有 限元法