汽车车门有限元分析设计

毕业设计报告( 论文)报告(论文) 题目： 汽车车门有限元分析 作者所在系部： 机电工程学院 作者所在专业： 机械设计制造及其自动化 作者所在班级作 者 姓 名 ：作 者 学 号 ：指导教师姓名完 成 时 间 ：I摘 要有限元分析伴随着计算机技术的发展而走入人们的视野，有限元分析主要利用了近似模拟实际的数学方法对一个复杂的物理系统中微小的子集进行模拟，用有限数量的未知数去无限得贴近无限未知数的真实系统。根据以上原理，本文针对车门下垂刚度以及模态问题，先对汽车车门进行三维建模，后续导入hypermesh 软件，利用有限元技术划分网格，再施加载荷以及边界条件之后计算出模拟网格中受力危险点以及振动危险点。通过对原零件的对比，修正原设计中不合理的部分，提高优化设计的目的性。本课题介绍了 hypermesh 软件在汽车车门设计中的运用，分析了汽车车门形状对外载荷的反应情况，还包括了汽车车门的有限元网格建模过程，模态仿真计算，静力学仿真计算等等过程。对汽车车门的优化设计有着较为重要的实际意义。关键词：汽车车门 有限元 模态分析 下垂刚度IIAbstractThe finite element analysis is based on the development of computer technology, and the finite element analysis mainly uses the approximate mathematical method to simulate a small subset of a complex physical system with a finite number of unknowns Close to the infinite number of real systems. According to the above principles, this paper aims at three-dimensional modeling of the car door, followed by the introduction of hypermesh software, the use of finite element technology to divide the grid, and then load the load and the boundary conditions to calculate the simulated grid The point of danger and the risk of vibration. Through the comparison of the original parts, modify the original design of the unreasonable part, to improve the purpose of optimizing the design. This paper introduces the use of hypermesh software in the design of automobile door, analyzes the reaction of the external load of the car door, and also includes the finite element grid modeling process, the simulation of the simulation, the static simulation and so on process. The optimization of the design of the car door has a more important practical significance.Keywords：Finite element analysis 、cae、 automotive industry目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 前言 .11.2 计算机辅助技术在汽车领域中的应用 .11.3 有限元分析软件介绍 .3第 2 章 有限元分析历史、原理分析过程 .52.1 有限元分析历史 .52.2 有限元分析法的通俗原理 .52.3 有限元分析法的详细步骤 .5第 3 章 汽车后门的有限元分析 .73.1 汽车车门有限元分析流程 .83.2前处理（17）详细流程 .93.2.1 抽取中面 .93.2.2 几何清理 .103.2.3 网格划分 .113.2.4 包边 .123.2.5 点焊 .133.2.6 材料以及属性的创建及赋予 .143.2 自由模态分析步骤 .163.2.1 模态的介绍 .163.2.2 模态分析的介绍 .163.2.3 边界条件以及载荷输入 .173.2.4 计算 .183.2.5 分析结果 .183.2.6 云图展示 .193.3 车门下垂刚度有限元分析 .203.3.1 刚度的介绍 .203.3.2 刚度分析的介绍 .203.3.3 边界条件与载荷的创建与输入 .213.3.4 模拟计算 .223.3.5 分析结果 .23第 4 章 结论 .25致 谢 .26参考文献 .271第 1 章 绪论1.1 前言我国人口占世界比例较大，故汽车的消费也占据了世界较大的比例，随着科技的发展，越来越多型号及功能的汽车慢慢的走进千家万户。虽然在世界级别中，汽车已经是一种发展较为成熟的交通工具，但是我国的制造业暂时达不到世界顶尖级别，所以对于汽车结构优化，动力优化，清洁能源等领域还是有很大的发展探索空间。汽车领域的发展还能带动其他工业的发展，贯彻了可持续发展道路。总而言之，现阶段的中国制造业对汽车各方面的研究就非常具有现实意义。有限元分析法是电脑发展历史中的一个必然产物，利用了电脑高效的计算能力，模拟被研究物体在各个情况下的实时状态，是现代电脑辅助工程中重要的理论基础。不仅在现代汽车设计中被利用，而是被广泛利用在了整个制造业之后，毫不夸张的说，有设计的地方就有有限元 。应用有限元分析（cae）方法可以在汽车的设计阶段利用汽车零件三维模型作为基础，划分出近似的网格代替原模型进行各种模拟计算，类似于刚度模拟计算，模态计算，疲劳计算等等 。再根据计算结果 决定优化改良方案。这种方式最大的有点就是可以大大增加设计产品的可靠性，缩短设计周期，降低设计成本 1。本文将会简单介绍有限元分析法的起源，发展历程，以及现代国际上该方法的发展现状。亦会细述本人课题中详细的划分过程以及分析过程，并且对有限元分析对于机械设计的实际意义做出详细总结 。本人会根据有限元分析原理，利用三维制图软件（ug 8.0），有限元前处理以及分析软件（hypermesh 10.0），后处理软件（altair hyperview）对汽车后车门的下垂刚度以及自由模态做出分析并得到应力云图以及频率云图 。根据云图中显示的变形最大点，位移最大点，振动最大点等危险信息，设计人员可以对这些危险点进行改进，最大限度的提高设计产品的可靠性以及安全性。1.2 计算机辅助技术在汽车领域中的应用从人力轿子，到马车再到蒸汽机车再到燃油机车，人类代步工具历史总是伴随着灵感与无数次试验，代步工具的发展也展示着人类无穷无尽的智慧。在当代汽车行业中更注重高效，迅速，稳定的设计过程，在计算机不发达的年代中，只能通过不断的制造成品，不断得实体试验才能缓慢的优化产品而且具有较大的误差和不稳定性，极大的加大了设计成本以及时间 。而随着科技发展，尤其是计算机发展，几乎可以说是必然的趋势，计算机辅助技术应势而生。制2造业中较为普遍，广为人知的三种计算机辅助技术为 cae 技术，cam 技术，cad技术。其中 cad 技术着重于零件整体的零件图绘制，形状模拟，装配模拟等等，cam 技术着重于零件制造质量，cae 技术着重于零件整体的性能优化，可以说cae 技术是科技进步最大的助力。例如保险杠的碰撞 cae 模拟分析，可以有效的体现保险杠在碰撞刚性墙体时出现的变形以及最大应力点（危险点），这可以让设计人员更为注意危险点的优化设计，使保险杠整体的抗撞击能力得到一个提升，使保护能力提高。计算机辅助技术对整个制造业的零件开发以及设计过程具有以下三个重要作用。缩短产品设计周期 ：cad 技术更为真实的模拟了零件的建模，装配等设计流程，大大缩短了早起计算机技术发达年代时设计零件的时间。可以更为有效直观的观察以及变更设计方案。为后续产品设计优化提供了坚实的基础。降低产品设计成本：cae 技术客观的显示了零件在预定载荷以及各种边界条件下的危险受力点，最大振动点等等物理数据，为后续的优化设计做出了可靠的依据。在计算机上模拟优化结果可以减少实物试验的次数，大大降低了产品设计成本。Cam 技术为零件制造提供了模拟途径，可以客观模拟产品制造过程中的各种情况，有效的降低零件制造中废品的产生，大大降低了废品率。这两种技术为企业盈利提供了坚实的技术支持 2。提高产品优化效果：相比起早起的实物试验，不仅仅浪费大量人力物力，试验结果还不能非常准确的显示出产品初设计的不足，cae 技术利用计算机强大的计算能力以及相关数学物理公式可以较为准确的推断出零件危险点，为后续准确的优化设计提供准确数据基础。计算机辅助工程的目的在于提高设计效率，提高优化精度，减少盲目设计 。主要用来模拟零件刚度，强度，疲劳，振动，寿命等等设计必要数据。计算机辅助工程大致分为三个流程 ，第一是被分析件的三维成型，第二是计算机对零件进行分析，第三是分析计算结果，验算分析结果并且确立优化方案 。其最大优点便是可以高效准确得模拟实际情况，拥有较高的可信度以及可用度。为产品设计提供有效的指导方针以及优化方向，是整个制造业中十分有帮助的辅助方式。计算机辅助工程不仅在汽车行业十分流行，甚至在整个制造业中的应用非常广泛，上至航天领域，下至儿童玩具都能看见他的身影。可以说是有制造业就有计算机模拟工程。但是由于篇幅问题，本文暂且只介绍 cae 分析对于汽车行业的应用。在汽车行业中，汽车每个零部件都可以说会经过有限元分析。刚度强度分析 ：例如 车门、车保险杠的碰撞有限元分析，这一类零件在汽车这个整体中起到保护驾驶员的功能。所以这一类零件的刚度强度是优化设3计的首选属性。故这一类分析主要是为了找出零件的危险界面以及位移最大点坐标以便更好的优化其保护功能。模态分析：例如 车架，车门，车整体 。当一个产品由较多零件构成时，振动就是设计师需要着重考虑的事情。当两个物理的振动频率相近时就会产生共振现象，会从环境中吸收更多的能量。共振现象不仅仅在汽车行业中是极其危险，在土木建工行业中也是要被严格杜绝的。模态分析的意义就是要避免产品中各个微小零件发生共振现象。热分析：例如车前盖，发动机，油箱等等零件，该类零件由于靠近能量源，更容易吸收来自能量源散播出来额外的能量而产生热应力，最终导致零件寿命降低甚至开裂报废，严重时甚至可以造成爆炸。热分析的目的就是降低该类事故的发生率。疲劳分析：例如车锁，螺栓等等零件，该类零件由于长时间接触应力，在外载荷撤出时容易在零件内部产生内应力影响零件寿命，故该分析的目的就是预算零件的使用寿命，以便判断零件的报废标准以及寿命延长优化设计。虽然在我国大部分国民的观点都是机械已经是夕阳产业，但是一个大国想要发展，注定需要依靠实体经济来拉动，国家并没有忽视机械这一伟大行业，中国所提出的工业 4.0 便是证据。在未来制造业必定走向一个高效，轻便，低噪，全自动的行业趋势，避免早起制造业中死板单一的制造模式，更倾向于一个多品种，高精度，高技术，低成本的制造模式，而计算机辅助工程则是我国发展制造业不可或缺的一个环节。但是在海外发达国家制造业已经远超我国现有技术，甚至现在所有市面上的有限元分析软件没有一款是我国开发的，有限元行业也仅仅存在一些较大企业中。所以我国依然有很长的发展道路要走 3。1.3 有限元分析软件介绍本文主要使用了 ug 三维成型软件以及 hypermesh 有限元分析软件，本文对这两个软件做出一些基本介绍。Ug：大家较为熟悉的三维成型的软件，ug 的全名是 unigraphics NX ，是Siemens plm software 公司撰写并出品的一款用于提高设计过程中造型构成的效率的一款软件。它包含了上文提到的 cad/cam 计算机辅助设计及制造工程，是现代制造业中必不可少的一款软件，也是应用最广泛的一款软件。Hypermesh：hypermesh 软件是由 altair 公司撰写并开发的一款 cae 软件，在 cae 行业领域中，hypermesh 的计算能力虽然比不上一些较为高级的 cae 软件例如 ansys，abaqus 等，但是真正让它广受青睐的则是他的强大的模型前处理以及网格划分方式。在 cae 工程师的让我中，大量耗费工程师时间的便是构4造模拟网格以及几何清理等工作，模拟计算任务是交给计算机完成的。故hypermesh 支持直接输入已有三维几何模型，并且输入完整性高，错误少的特点就大大降低了工程师前处理的工作量，便于工程师把时间投入更为重要的工作中去 4。5第 2 章 有限元分析历史、原理分析过程2.1 有限元分析历史 有限元是指那些能够形成连续域的离散型单元，有限元的历史可以追溯到好几个世纪之前，曾经的古人利用无限小段的直线无限得去逼近圆弧线段长度便是有限元应用的最早实例。随着时代发展，能直接计算的学术问题越来越少，越来越多的科技问题偏向了这种无法直接计算，具有 n 个未知数的高难度计算。及时在电脑非常发达的今天，较多连续性工程问题亦是没办法直接在电脑上直接计算，因为计算机的基本数据不能是连续数值，例如当一个无理数输入电脑时，他只会给你输入小数点后较多位数来无限逼近真实数值，但是肯定有一个位数极限。所以想要计算机可以计算连续度非常高的高等数学问题时，人们便想到了曾经古人计算圆周长度的方法，利用离散性的思维和方法去模拟模型的实际情况，从而诞生了有限元分析的雏形。因有限元广泛的应用领域和高效的分析计算，他很快渗透进所有物理技术领域，成为了现代发展必不可少的一个助力。有限元分析最初应用可以追溯到十八世纪，著名科学家欧拉利用了细化求和的方法求解细杆件的受力平衡问题，这里面的核心概念便是有限元分析。在二十世纪中叶，物理学家克拉夫教授首次提出了有限元分析理论在物理结构方面上的应用以及有限元的概念，也可以说是开辟了有限元分析初始的篇章。随着计算机软件的发展，有限元技术得到了质一般的飞跃，由只能靠人力解决较为复杂的任务到了可以计算极其庞大的工程问题 5。2.2 有限元分析法的通俗原理 导入三维零件之后，利用虚拟单元划分物体，这些单元被视为刚性单元（不可变形）并且单元与单元之间有节点相连用于传递能量。根据能量原理建立各种单元矩阵，在输入外力约束，载荷以及单元属性，材料属性等等条件之后，利用计算机高效的计算能力可以得到不同的分析结果 6。2.3 有限元分析法的详细步骤连续体离散化：所谓连续体简单点来讲就是被分析件本身，可以是片体亦可以是实体但是要求是为连续体，所谓连续体离散化就是利用虚拟网格代替实体本身进行模拟计算，也可以称为网格化。各个网格之间由节点相连用于传递能量，后续的载荷施加，约束施加也只能施加在节点上然后传递到整个物体。6网格质量决定了整个分析结果的好坏，有限元前处理软件为了尽可能绘制出贴合模型本身的网格，会根据载入的三维模型上的特征曲线来划分网格。理论上来说网格越小越细密越能贴合零件表面，但是网格的数目和计算量成正比，所以设计人员会删除一些不想关的特征曲线以及确定网格大小数目等方式，在尽可能降低计算量的情况下 保证网格质量。这也是网格前处理的意义 7。网格分为 1d 单元（例如焊点单元） 2d 单元 （壳单元）3d 单元（实体单元）。划分网格需注意事项：1.分析零件的结构特点，再决定其网格种类例 。如钣金件可以用 2d 网格划分，但是某些实体件必须用 3d 网格划分。2. 因导入文件时容易产生零件导入过多，不完整，多余特征线以及表面。导入零件模型之后应先处理多余的硬点，自由边，多余表面等。3. 根据实际要求设定网格大小，受力多的地方可以用较细网格绘制。4. 单元数量越多，计算量越大，在保证单元质量和计算量的情况下 尽量减少单元数量 5 . 绘制完网格之后，需要检查网格连续性，单一件的所有网格必须节点重合才能达到模拟实体的效果。6. 所有网格节点重合之后，要检查网格质量，对不合格单元进行重新划分。单元分析：网格划分完毕之后，我们需要对单个网格进行细致的分析以便创建计算函数以及单元刚度矩阵。根据材料力学中的理论可知，若一个具有弹性，可以传递能量的连续体在受到外力变形时，他的变形量，受力量等等物理量都可以用他某一个微小集的位移来表示，这一个微小集我们用一个单一网格来模拟。所以只要知道了这个单元的位移量，我们就可以得出其他重要的物理量 。所以我们拟定的这个计算函数目的就是用来模拟一个单一单元的位移量。选定计算函数之后，我们接下来需要做的就是创建刚度矩阵。上文所知单元传递能量最要是靠周边的节点来传递，但是现实状态下不可能刚刚好将外载荷加载到一个网格的节点上，亦有可能加载在网格中心处。故我们需要将网格周边的外载荷等效同化到周边的节点上，然后在利用相关的物理知识建立单元的受力平衡方程，最后得出单元位移量和单元受力大小的关系矩阵，这就是刚度矩阵 8。整体分析：当单元组成了整体，我们需要将单元位移与外载荷和约束再进行关联。全部单个单元分析完毕之后，将其合并为一个组集，推导出各个节点刚度矩阵叠加成整体刚度矩阵公式，然后通过雷士矩阵位移的方法求目标未知量。确定约束条件：上述确定的平衡方程需要根据实际约束情况来更新修改其计算方程，来更为贴近现实的模拟整体情况。故约束条件也是非常重要的一环，这里包括了约束力的位置，约束的自由度以及零件本身材料的各种物理属性，材料的形状等。7方程求解：由方程计算出单个单元位移量从而推算出该单元所受应力，应变等等物理量。结果分析：验算云图数据以及构造新的优化设计方案。8第三章 汽车后门的有限元分析车门是汽车不可或缺的一个部件，除了外形美观大气，还需要保证一定的可靠性与安全度。例如若车门的刚度不够，那么就非常容易产生变形甚至影响车门正常使用。本文将对一个汽车后门三维零件进行必要的有限元分析，展示其在约束状态下的车门下坠刚度分析以及自由模态分析，得出其振动云图以及应力云图并提出优化意见 9。3.1 汽车车门有限元分析流程中面抽取：在汽车行业中，较大部分的汽车零件都为钣金件，钣金件是六毫米以下厚度的金属薄板经过综合冷加工工艺，包括剪、冲/切/复合、折、焊接、铆接、拼接、成型（如汽车车身）而产生的零件。其显著的特征就是同一零件厚度一致。而在有限元分析中，这一类的零件可以通过抽取中面得到片体再在卡片属性中赋予厚度来达到模拟钣金件的效果。所以在导入零件模型之后利用 geom midsurface 命令抽取中面，若导入零件之后零件有较多重复面或者较多自由边，可以在 geom-quickedit 中先进行一次几何清理，但是抽取完中面之后必须再进行几何清理。几何清理 ：在有限元软件将零件离散化之前，我们需要对零件本身（或中面）进行几何清理，利用 toggle 消除不必要特征线，利用 delete surface 或者 filler surface 删除多余表面或者填补缺失表面。利用 add/clear point 删除或者添加硬点，将过小的圆角或者斜倒角变为直角。以上操作便于我们绘制网格。几何清理的命令在 geom-quickedit 中可以实现。网格划分：在 hypermesh 中生成网格，命令可在 2d automesh 中实现大部分功能。Automesh 中可以对已划分平面进行网格划分，亦也可以对已有网格进行重新划分，在操作界面中可以设置网格大小密度来达到划分目的。Automesh 中有两种常用划分风格，一种是 size and bias ，这一种划分方式注重贴合几何表面，尽可能的完整得用网格模拟出几何表面，但是其网格质量并不算高，这种方式较为合适细密的网格。第二种 qi optimize 划分方式更注重网格质量，但是以牺牲网格贴合性作为代价，这种方式较为适合于那些细微特征较为不重要或者不受力的零件划分。2d 选项中还有很多 2d 网格划分方式，这里暂不赘述。包边：在汽车车门零件中，外板与内板的链接方式为包边链接，但是由于包边其厚度过小不满足我们划分网格时需要的尺寸，若划分则会产生失败单元，故我们先删除了外板零件的包边实体，再把内板的外围网格通过 tool- project 投影到外板实体，根据投影的 node 来划分外板的网格，再通过9replace 将上下板网格统一，多余的网格则放入一个新的 component，谨记之后属性赋予时要将其厚度设置为外板加内板厚度。胶粘链接：部分零件需要胶粘链接，将需要胶粘链接的部分 2d 单元网格投影到另一块被连接件上，将两排 node 生成实体网格模拟胶粘链接。本文中零件不涉及胶粘链接，故不多加介绍。点焊：整体车门零件绝大部分部件依靠点焊链接，在 1d rigids 命令中可以实现点焊，点焊命令的实质是在 node 之间创建 1d 刚性单元来模拟焊接时的情况，注意该 1d 单元没有质量，没有属性故后续赋予属性时记得摈除在外。零件与零件之间的点焊，先找到两零件连接处，找到各自最外层的一层单元两两链接，若零件过大，则可以每隔五个单元格长度焊一次。焊点的好坏直接影响零件后续各自模拟计算，应慎重对待。属性以及材料的创建与赋予：创建完单元之后，我们需要创建相对应的材料属性。创建材料之前我们需要了解零件整体材料的相关数据，若整体零件由不同材料，不同厚度的部件组成，那么我们在设置材料的时候也需要一一对应设置不同的材料 component，对于材料来说最重要的数据则是弹性模量，泊松比和密度（部分静力学分析不涉及密度可忽略），故在查阅书籍时应该较为重视。边界条件与载荷的载入：在该文章中，我们只对车门零件进行自由模态分析以及门下垂刚度分析，故自由模态分析时，我们不需要加入载荷与边界条件。而在门下垂刚度分析中，我们应该给予整个零件一个基于 z 轴负方向的重力加速度，若要模拟颠簸状态下则需要加多倍的重力加速度。然后将车门中两处铰链连接处限制其所有自由度来模拟车门锁紧的情况。计算：设置 loadstep，载入 hypermesh 中进行计算观察计算结果3.2 前处理（17）详细流程3.2.1 抽取中面将 igs 文件导入 hypermesh 之后，先删除多余的重复零件 component。之后再进行抽取中面。抽取中面的命令在 1d-midsurface 中，选中所有表面即可简单的抽取中面，如图 3-1 所示。10但是若是遇见导入错误产生许多错误表面的零件就需要先做几何清理删除多余表面或者填补缺失面之后才能正常的抽取中面否则会产生错误例如图 3-2。绿色特征线表示两个面的连接处，红色表示一个面的边界（自由边），黄色代表三个面的连接处，一般情况下黄色边是正常的情况，但是该图中很明显是载入了多余面导致了出现黄色面，这里需要先进入 geom quickedit 中先删除黄色多余面。完成之后删除一些多余特征线以及额外加载进来的line，point 即可以进行抽取中面命令。由于抽取的中面是一个片体，所以边缘处是红色自由边，这里显示了中面以及原零件，如图 3-3 所示，其他零件抽取中面过程于上述一致，这里不再赘述。3.2.2 几何清理图 3-1图 3-2图 3-311抽取完所有零件中面之后，下一步要进行几何清理的过程。根据上文所知，电脑会根据几何上绿色特征线来制定划分计划，特征线的好坏多少直接影响了后续的网格绘制，所以我们要删除一些多余的特征线。几何清理的命令可以在geom quickedit 中完成，如图 3-4 所示。在几何清理中，我们用的最多的就是 toggle edge（删除绿色特征线），但是几何清理并不是简单的删除线，很多情况下我们需要添加特定特征线来人为的影响网格绘制过程，在 hypermesh 中，我们要尽量得把单元绘制成四边形网格，三角形网格由于过硬在该行业中是属于一种劣质单元，有严格的百分比要求。例如以下图片，若根据已有特征线必定会产生三角形单元，故我们进行人为的修补，来减少三角形单元的产生。如图 3-5、图 3-6 所示。所有零件的几何清理根据上述过程进行，这里不再一 一举例。3.2.3 网格划分对所有片体零件几何清理完毕之后，则可以开始进行 2d 网格划分，常用的2d 网格划分命令在 2d automesh 中，当然 2d 命令栏中还有很多 2d 网格绘制命令，这里不加介绍。该命令可以对表面进行划分，亦可以对已有单元进行重新划分。在该命令中有两种常用划分风格。一个是 size and bias 和 qi optimize ，前者注重贴合几何体，更真实模拟几何外形，但是网格质量不高，适合于细密网格。后者牺牲了贴合度更注重网格质量，适合稍大网格。我们采图 3-4图 3-5 图 3-612用了 10mm 的网格大小，故我们选择了 qi optimize 划分方式，如图 3-7 所示。当我们选中所有表面划分完网格之后，我们需要做的就是查看网格连续性，上述所知，网格节点是用来传递能量，若网格节点不能连续，则无法传递能量影响分析结果。进入 tool edge 面板，输入百分之 10 网格尺寸的容差，这里选择 1，然后点击 find edge，未连续的部分会以红色线条显示，这时候点击preview equiv，再点击 equivalence 可以合并节点，如图 3-8 所示。若网格节点相差略大，电脑无法自动合并，可以进入快捷键 f3 中利用replace 进行。再检测完连续性之后，我们需要查看网格质量，检查命令在 2d quality index，如图 3-9 所示。本分析中，失败单元的失败率在百分之 5 以下，而且失败单元不能位于受力点。红色黄色网格表示不合格，天蓝色和无色表示合格，失败单元可以利用右方 element optimize 来进行优化，若电脑无法自动优化，就必须退回至 2d网格绘制命令面板进行部分失败网格重新划分，若依然达不到要求，可以退回几何清理命令面板，通过添加 point 来影响绘制结果，若产生大面积失败单元，可以点击 save failed 来保存失败单元利用更细的网格进行划分。（由于特殊需要，外板的网格暂时不绘制。）3.2.4 包边图 3-7图 3-8图 3-913当我们绘制完所有网格并且检查合格之后，我们需要进行包边的组合。上述文章所知汽车车门的内外板是通过包边的方式进行链接的，所以我们要先将汽车内板网格最靠边缘的那一排网格（不是边缘网格）上的所有网格投影到外板上，然后再进入几何清理用特征线将其一一连接起来，然后删去外板外多余的一圈表面，如图 3-10 所示。就会出现该图的情况，这时候再绘制外板网格，再将最外层网格节点利用replace 命令同步到黄色投影 node 上，如图 3-11 所示。此时再将外板的边缘网格与内板最靠边缘的网格节点合并，并将内板多出来的最外层网格（该图肉色网格）放入一个单独的 component 以便后续输入厚度，如图 3-12 所示。图 3-10图 3-11图 3-12143.2.5 点焊汽车车门零件大部分利用点焊链接，故该车件所有部件也需要利用焊点进行链接。焊点命令在 1d rigids 中可以实现，可以在两个 node 之间创建一个没有材料没有属性，不会变形的刚性单元。命令如图 3-13 所示焊接时，我们找到两个零件最靠近的部位将其一层网格两边的 node 两两链接。因本文零件过大，故采用隔三四个单元格焊接一次。如图 3-14 所示，黄色为外板，绿色为外板加强板，红色为焊点。在焊接过程中主要焊点不能重复焊接，否则会导致计算错误。3.2.6 材料以及属性的创建及赋予本文车件材料同一使用钢为原材料，钢的材料属性为其中弹性模量E=2.0710 5 MPa，材料泊松比 =0.3，密度 =7.810 -9 T/mm 3 。点击material 按键，进入材料创建界面，name 栏输入 steel（钢），type 栏输入all，card image 输入 MAT1（各向同性材料）随便选择一个颜色之后点击图 3-13图 3-14图 3-1515creat/edit 进入材料详细数据创建，将上述弹性模量、泊松比、密度等数据输入对应栏中，如图 3-15 所示。虽然车件每一个部分的材料相同，但是每个车件的厚度不一样，所以后续输入属性时候，需要创建多个属性的 component 详细厚度见图 3-16。了解详细厚度之后，点击 property 按键创建属性，根据不同部分零件设置不同的属性 id，type 设置为 2d，card image 设置为 pshell（壳单元），material 选中上述设置完的材料 steel，然后点击 creat/diet，在弹出的界面t 栏中输入不同的厚度，点击 return，如图 3-17 所示，至此所有的属性设置完成。所有属性设置完成之后，我们需要将其赋予给 component，点击 component按键，进入 update 更新界面，选中我们需要赋予相应属性的 component，card image 选择 no card image，属性选择之前设置的相应属性，点击 update 就可以完成更新，详细命令见图 3-18。这时候我们需要检查是否所有的 component 都赋予的属性材料，若有遗漏则会影响后续计算结果，找到左边选项栏，带蓝色方块图标的按键。点击之后可以显示当前所有 component 所被赋予的材料属性，如图 3-19 所示。检查完毕之后，至此所有网格前处理步骤完成。图 3-16图 3-17图 3-18163.2 自由模态分析步骤3.2.1 模态的介绍每个零件本身都会有自己本身的属性，而模态就是一种概念来概括这种属性。在学术中模态被成为零件本身的固有振动属性。这种振动属性包括了振动固有频率，阻尼比等科学数据。3.2.2 模态分析的介绍模态分析的目的是分析零件结构动态特性，在振动领域中应用广泛，包括了航天领域，建筑领域，船舶领域等等。模态的概念是指零件机械结构的固有振动频率、阻尼比等科学数值，而我们采用了有限元分析软件分析其固有频率，了解了结构发生共振的频率段以及位置，从而在设计过程中尽可能避开该频率达到优化设计的目的。根据振动理论，多自由度系统以某个固有频率振动时所呈现出的振动形态称为模态，此时系统各点位移存在一定的比例关系，称固有振型。不论何种阻尼情况，机械结构上各点对外力的响应都可以表示成由固有频率、阻尼比和振型等模态参数组成的各阶振型模态的叠加。模态分析的核心内容是确定描述结构系动统态特性的参数。对于一个 N 自由度线性系统，其运动微分方程为:Equation Chapter 2 Section 2 ()MXCKFt（4-1）式中 M质量矩阵；K刚度矩阵；X位移向量；()Ft作用力向量当 0时，忽略阻尼 C影响，方程变为 0MXK（4-2）图 3-1917自由振动时，结构上各点作简谐振动，各节点位移 jtXe（4-3） 由式(4-2)和(4-3)得 20KM（4-4）求出特征值 2和特征值 ，又因为 2f，求得系统各阶固有频率即模态频率，固有振型即模态振型。3.2.3 边界条件以及载荷输入 边界条件意为约束条件，我们需要在网格中确定几个 node 作为限制点，限制其 1 个或者多个自由度从而达到限制整个零件的作用。载荷亦为同理，需要选中部分 node 施加作用力，作用力通过节点到达整个零件达到影响效果。本文中的模态分析为自由模态分析，是一种不加任何约束以及载荷的自由状态，故边界条件以及载荷的创建与输入在此不加以说明，会在后续静力学分析中详细解释添加步骤。虽然没有载荷及约束，我们也需要一个载荷集来输入工步中，所以我们点击 laod collectors 创建一个 frequency（频率）的载荷集，随便挑选一个颜色之后将 card image 设置为 EIGRL，详细见图 3-20。然后点击 creat/edit ，在弹出界面设置频率分析各个选项。V1 和 V2 为固有频率的显示范围，这里选择 1200，ND 为固有频率的阶数，这里选择前 10 阶固有频率，详细见图 3-21 所示。完成该步骤之后，我们需要建立一个工况 load step，计算机分析时会按照这个工况步骤来计算所需结果。进入 analysis load step 命令界面，输入一个 name 之后，选中 tpye，在扩展栏中找到 normal modes（模态分析），勾选 method struct 再在后续扩展栏中选中之前创造的 frequency，点击 creat就完成了创建工步的步骤，详细见图 3-22 所示。图 3-20图 3-21183.2.4 计算 进入 analysis optistruct 命令界面，在 input file（输入文件）中选择你要保存计算结果的文件位置，谨记不能有中文路径。Export option（输出选项）选择 all，run option（运行选项）输入 analysis（分析），memory option（记忆选项）选择 memory default（默认），随后点击 optistruct 即可开始分析流程。3.2.5 分析结果若之前的步骤完全没有错误。则计算完成时则会提示 analysis completed（计算完成），若遇到错误，则会提示 the processing meet error（过程遇到错误），若遇到错误，可以去之前设置保存文件的位置到后缀为 out 的文件，用记事本打开之后可以看到错误报告。完成计算之后，关掉计算页面并并进入 post deformed 命令界面，界面如图 3-23 所示。Simulation（模拟）中可以选择频率阶数，该零件从第七阶开始分析故选择七阶。Date type （数据类型）选择 eigen vector（特征向量），model untis（模型单元）选择 10，点击 contour 再点击 liner，则会显示计算结果。本文中计算了 10 阶振动频率，前六阶为刚体模态，故这里选用后四阶频率。后四阶振动最大频率用图表 3-24 显示。图 3-22图 3-2319图 3-25 图 3-26图 3-27 图 3-28模态阶数 振动类型 固有频率7 阶 弯曲振动 29.3 赫兹8 阶 扭转振动 33.3 赫兹9 阶 扭转振动 43.9 赫兹10 阶 弯曲振动 56.9 赫兹3.2.6 云图展示7 阶振动频率为 29.3 赫兹时，车门振动主要是弯曲振动，意为达到 7 阶频率时，车门产生了弯曲变形，称为七阶变形，如图 3-25，图 3-26 所示。左图为变形云图，红色为变形部位，灰色为原零件。从图可以看出虽然整个车框都有产生变形，但是车门中央部位变形最为严重，非常契合右图应变云图中的结果。8 阶振动频率为 33.3 赫兹，车门主要为扭转变形。附应力变型图。如 图 3-27、图 3-28 所示。图表 3-24209 阶振动频率为 43.9 赫兹，车门主要为扭转变形，附应力、变形云图，如图 3-28、图 3-29 所示。10 阶振动频率为 56.9 赫兹，车门主要为弯曲变形，附应力、变形云图，如图 3-30、图 3-31 所示。3.3 车门下垂刚度有限元分析3.3.1 刚度的介绍所谓刚度就是机构或者材料在受力时抵抗变形的能力，是一种衡量材料受力变形的难易度的一个物理量，也是材料在静力学分析中最重要的一个物理量。在静载荷下抵抗变形的能力为静刚度，反之在动载荷下抵抗变形的能力为动刚度。3.3.2 刚度分析的介绍刚度分析在汽车件中非常常见，比如保险杠的刚度分析，当我们约束住零件连接处或者接触处的自由度并且给予零件一个外力之后，输入计算步骤边可以客观的显示出被分析件在承受力时产生的变形和最大应力，可以成为优化设计可靠的数据依据。图 3-28 图 3-29图 3-30 图 3-31213.3.3 边界条件与载荷的创建与输入边界条件意为约束条件，我们需要在网格中确定几个 node 作为限制点，限制其 1 个或者多个自由度从而达到限制整个零件的作用。载荷亦为同理，需要选中部分 node 施加作用力，作用力通过节点到达整个零件达到影响效果。我们点击 load collector 按键，进入界面之后，在 name 处输入 spc（约束），card image 选择 no card image，点击创建。之后我们把 spc 层设为当前层。完成之后我们点击 analysis constraints，进入操作界面，操作界面如下图 3-32 所示。利用 shift 加鼠标左键框选我们需要约束的点之后，我们可以在操作界面的右边进行约束操作。dof1、dof2、dof3、 dof4、dof 5、do6 分别对应了 x轴移动自由度、y 轴移动自由度、z 轴移动自由度、x 轴旋转自由度、y 轴旋转自由度、z 轴旋转自由度，勾选表示限制该自由度。Size 栏表示显示该约束的比例大小，左下方的复选栏表示持续不断的量。如果间歇约束的施加可以更改选项。而本文所分析零件车门是通过铰链与车锁进行链接的，故我们先用刚性单元模拟出铰链链接。在快捷键 f4 中点击 three node 栏，再选中铰链孔一周的三个网格点击 circle center（圆中心）之后可以在圆心处添加临时 node，再通过 tool translate 功能，将圆心 node 平移出网格，再在 1d rigids 中将圆中心 node 与铰链圆外围的一圈 node 做刚性单元链接，再在中心node 上限制其六个自由度如下图 3-33 所示。本文中铰链 z 方向的转动自由度放开，而车锁亦是全约束。自此边界条件创建完成。由于我们是研究车门下垂刚度分析，故我们不能简简单单得在图 3-32图 3-3322analysis force 中随意的在所有 node 上施加一个垂直向下的力。我们需要创建一个重力场来模拟重力下垂。首先我们选择 load collectoer 按键，进入界面之后在 name 栏输入 gravity（重力），随意选择一个颜色之后在后方 card image 中选择 GRAV（重力英文缩写）点击 creat/edit ，此时弹出的操作界面如下图 3-34 所示。其中 g 选择 9800，因为 HM 中加速度 G 对应的的单位是 T（吨）不是 KG,故在数值上要大 1000 倍 ， n1 代表 x 方向， n2 代表 y 方向，n3 代表 z 方向，这里我们输入 0,0,-1 代表在 z 的负方向上添加一个 1g 的重力加速度，但是若我们要模拟车身颠簸情况下车门下垂模拟时，我们应该添加大于 1 倍的重力，这时候只要把 n3 由-1 改成- 2 （两倍重力）就能达到预设效果。完成重力场和约束的加载之后，我们需要设置工步（load step）来让系统进行计算，进入 analysis load step 命令界面，在 name 输入名称之后，在后方的分析类型中选择 linear static（线性分析），在 spc 扩选栏中选中我们的