有限元基础及在汽车中的应用 课件 第二章 汽车有限元分析的主要研究内容

有限元法基础及在汽车中的应用第2章汽车有限元分析的主要研究内容2.1汽车设计中的有限元分析2.2汽车零部件刚度强度校核2.3汽车NVH特性分析目

录CONTENTS2.4汽车风洞流场分析2.5汽车碰撞安全分析123汽车设计中的有限元分析汽车风洞流场分析汽车NVH特性分析内容导航图4汽车零部件刚度强度校核5汽车碰撞安全分析123了解汽车CAE相关的基本概念。掌握汽车的三大实验的实验目的及实验方法。理解汽车的三大实验数值方仿真的难点。学习目标2.1汽车设计中的有限元分析2.1.1有限元法在CAE中的应用概述CAE(ComputerAidedEngineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了50多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要环节。2.1.2有限元分析在汽车设计中的作用有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）技术可以在提高产品质量和开发能力方面对汽车企业提供极大帮助。在汽车产品研发的整个过程中，有限元分析可以对汽车结构的强度、刚度、车辆的振动和噪声、舒适性（平顺性）、耐久性、碰撞、乘员的安全性和动力总成（发动机和变速器）的性能等方面进行分析，判断设计的合理性，对结构进行优化。此外，用有限元分析还可以对冲压成形、铸造和锻造的工艺过程进行模拟，解决产品的制造质量问题。因此，有限元分析技术的应用贯穿于汽车新产品开发的始终，对于新产品的造型、性能乃至销售等各方面都有非常重要的影响。2.1.2有限元分析在汽车设计中的作用1.提升汽车产品开发的速度2.1.2有限元分析在汽车设计中的作用2.概念设计阶段的FEA应用概念设计阶段确定汽车产品的目标定位，确定整车、各大总成（如车身、发动机、底盘、控制系统等)的性能参数，制定各大总成设计任务，规定设计控制数据，完成可行性研究报告。概念设计阶决定了车辆整体的结构性能，要求设计人员具有丰富的设计和制造经验。单纯依靠经验和样车试验，无法形成完整科学的设计控制指标。采用FEA技术驱动汽车结构设计的方法，在详细的CAD设计之前介人对各种方案的粗略分析，定量地分配强度、刚度、质量等设计控制指标，并设置碰撞安全性目标和NVH性能等目标，明确车辆动态性能的设计要求。2.1.2有限元分析在汽车设计中的作用3.详细设计阶段的FEA应用详细设计阶段的FEA技术具有传统的应用，它能保证设计满足强度、刚度、疲劳寿命、振动、噪声要求和设计质量控制目标，达到优化设计的目的。这一阶段的工作取决于汽车的性能目标，关键在于建立完善的分析方法和评价策略，主要包括以下的分析内容。（1）碰撞分析（2）NVH性能（3）车辆的多体动力学分析（4）流体分析（5）汽车的疲劳寿命分析（6）冲压成形仿真2.1.2有限元分析在汽车设计中的作用4.工程样车验证阶段在汽车产品定型之前，工程样车可用来验证整车性能是否达到设计目标，继而进一步制定修改方案。采用FEA技术有助于汽车的轻量化及制造成本的控制，并大量减少修改次数，降低试验成本。通过标定后的FEA模型可以寻找影响特定性能的关键敏感因素，并针对具体问题提出切实有效的解决方案。2.1.3有限元分析效率的提升策略3.详细设计阶段的FEA应用首先，考虑从设计到FEA的“自动建模”阶段，如图2-5所示。其次，分析从设计到FEA的“设计优化”阶段，如图2-6所示。2.2汽车零部件刚度强度校核2.2.1汽车零部件设计要求刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。零件的刚度（或称刚性）常用单位变形所需的力或力矩来表示，刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类（即材料的弹性模量）。刚度要求对于某些弹性变形量超过一定数值后，会影响机器工作质量的零件尤为重要，如汽车主轴、前桥、机床的主轴、导轨、丝杠等。强度是指表示工程材料抵抗断裂和过度变形的力学性能之一。常用的强度性能指标有拉伸强度和屈服强度（或屈服点）。铸铁、无机材料没有屈服现象，故只用拉伸强度来衡量其强度性能。高分子材料也采用拉伸强度。承受弯曲载荷、压缩载荷或扭转载荷时则应以材料的弯曲强度、压缩强度及剪切强度来表示材料的强度性能。2.2.1汽车零部件设计要求强度通常的判断是根据四大强度理论，它指的是最大拉应力理论、最大伸长线应变理论、最大切应力理论、形状改变比能理论这四个与强度有关的理论。最大拉应力理论（第一强度理论），这一理论认为引起材料脆性断裂破坏的因素是最大拉应力，无论什么应力状态，只要构件内一点处的最大拉应力达到单向应力状态下的极限应力，材料就要发生脆性断裂。最大伸长线应变理论（第二强度理论），这一理论认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素，无论什么应力状态，只要最大伸长线应变达到单向应力状态下的极限值，材料就要发生脆性断裂破坏。最大切应力理论（第三强度理论），这一理论认为最大切应力是引起屈服的主要因素，无论什么应力状态，只要最大切应力达到单向应力状态下的极限切应力，材料就要发生屈服破坏。形状改变比能理论（第四强度理论），这一理论认为形状改变比能是引起材料屈服破坏的主要因素，无论什么应力状态，只要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值，材料就要发生屈服破坏。2.2.2汽车零部件的优化设计优化设计是以最优化数值计算方法为基础，借助计算机等先进的技术工具和手段，来求得工程设计中的最优化设计方案的一种先进设计方法。最优方案，就是使某一项指标达到最小(如重量)或最大(如效率)，一般来说优化应该包括设计变量、约束条件、优化目标这三个要素。汽车零部件设计的问题一般都较复杂，求最小值或最大值的问题并不是用微分方法求极值就能简单地予以解决的。数学领域的分支——数学规划理论，提供了很多求优的数值方法，这些方法都以在计算机上进行的大量的数值迭代计算为基础。为了采用这些优化方法，就需要将具体设计问题的物理模型转化为一个数学模型。对于汽车零部件的优化设计涉及参数优化和拓扑优化。参数优化是达到设计目标的一种方法，通过将设计目标参数化，采用优化方法，不断的调整设计变量，使得设计结果不断接近参数化的目标值。拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种，连续体拓扑优化方法主要有均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法水平集方法等，离散结构拓扑优化主要是在基结构方法基础上采用不同的优化策略（算法）进行求解。2.3汽车NVH特性分析2.3.1汽车NVH特性简介汽车NVH特性包括：N——Noise（噪声），噪声是NVH问题中最主要的部分，汽车上的噪声主要包括车身壁板振动产生的噪声、空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源(如发动机、制动器等)传入的噪声，汽车噪声是城市环境主要的噪声源，车内噪声会影响乘员的语言交流，损害驾驶员的听力；V——Vibration（振动）汽车的振动主要包括由路面不平度引起的车身垂直方向振动、发动机不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮受地面冲击和自身摇摆振动、传动系传动过程的扭转振动等，一般来说，对人体舒适性影响较大的振动主要是座椅、地板对人体的低频振动。此外，转向盘、仪表板等部件的抖动也会对人体舒适性产生较大的影响；H——Harshness（声振粗糙度）声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉的，不能直接用客观测量方法来度量，由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此有人称Harshness为不平顺性。又因为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也有人称Harshness为冲击特性。2.3.2振动噪声的来源2.3.3汽车NVH特性的研究方法2.4汽车风洞流场分析2.4.1汽车风洞实验的重要性和发展简况汽车风洞是一种用来研究汽车空气动力学的大型试验设施。风洞是一条大型隧道或管道，里面有一个巨型扇叶，能产生一股强劲气流。气流经过一些风格栅，减少涡流产生后才进入试验室。风洞的最大作用是用来测量汽车的风阻。风阻的大小用风阻系数表示，风阻系数越小，说明它受空气阻力影响越小。当然，除了用来测量风阻外，风洞还可以用来研究气流绕过车身时所产生的效应，如升力、下压力。过去风洞试验中车轮是不转的，实际上转动的车轮对空气阻力系数也有一定影响。因此，为测量正确，现在风洞一般要安装转鼓以便能更好地模拟行驶状态。带有转鼓测功器的全天候整车风洞功能较多，它除可对汽车的空气动力学性能进行评价外，还可对严寒、高温、潮湿等条件下的汽车性能进行测定。风洞实验室可以模拟不同的气候环境，这样工程师们可以知道汽车在不同环境下的工作情况，特别是冷却水箱散热、制动器散热等问题。新车在造型设计阶段，必须将汽车制成风洞试验模型进行风洞试验，以便改进汽车的形状，提高空气动力性能。2.4.2汽车风洞试验的主要内容汽车风洞实验不只是测阻力系数，其实还有很多测试内容，具体如下：（1）气动力与稳定性测试。（2）流谱分析。（3）环境模拟。（4）内流空气动力学的测试。（5）刮雨器的测试。（6）气动噪声测试。（7）其他测试。2.4.3风洞分类根据风洞的构造可以分为：（1）开路式风洞（直流式风洞）直接从大气中吸入空气，经过试验段后又排入大气，如图2-10所示。其优点是：构造简单、成本低占地少、不需抽吸发动机的废气装置；其缺点是：流场的品质相对较差、噪声大、能量消耗大、易受天气的影响，易混入尘土和其他污染物，如昆虫、飞鸟等、运行成本高。（2）回路式风洞（回流式风洞）气流在洞体形成的封闭回路中运行，如图2-11所示。其优点是：噪声小、能耗小、不受外界的影响、流场品质好、运行成本低；其缺点是：结构复杂、制造成本高、占地面积大、运行时间长时有温升。2.4.3风洞分类根据风洞的测试内容和规模可以分为：（1）大型1:1风洞规模：试验段截面积36m2以上。用途：实车或者1:1模型试验，校核小型风洞的试验结果。优点：很好的考核外形对气动力的影响，堵塞比小，不必进行修正。缺点：试验运行成本高，建设费用高。（2）小型1:1风洞规模：试验段截面积10m2左右。用途：1:1模型或者缩比模型。优点：试验条件设定较好的情况下，可以得到与大型风洞同样精度的结果，运行成本低。缺点：洞壁干扰必须进行修正，必须考虑雷诺数的问题。2.4.3风洞分类根据风洞的测试内容和规模可以分为：（3）模型风洞规模：试验段截面积1～几个m2。用途：模型试验。优点：在汽车设计阶段必不可少，使用方便、费用低。缺点：结果必须进行修正。（4）气候风洞规模：试验段截面积10～12m2。用途：汽车的散热通风试验，动力学试验等。优点：可以调节温度。缺点：结果必须修正和校正。（5）气候空调室规模：试验段截面积5m2左右。用途：汽车空调方面的试验。优点：可以调节温度和湿度。缺点：结果需要进行修正。2.4.3风洞分类2.5汽车碰撞安全分析2.5.1汽车碰撞安全性要求NCAP（NewCarAssessmentProgram）新车评价程序最早始于美国，在1978年USNCAP提出5星评价方法用于在正面碰撞中评价汽车保护车内乘员的性能。全球NCAP评价程序包括，ANCAP（澳大利亚）、EuroNCAP（欧洲）、USNCAP（美国）、IIHS（美国保险组织）、CNCAP（中国）、JNCAP（日本）、KNCAP（韩国）、LATINNCAP（拉丁美洲）、ASEANNCAP（东南亚）。在所有的NCAP机构中，EuroNCAP影响力较大。它创始于1997年，其核心成员单位包括ADAC（全德汽车俱乐部，国内某些厂商可能对它恨之入骨，但这个机构在欧洲可是深受消费者欢迎，并拥有广泛群众基础和非常高的公信力）、英国运输部、英国FIA基金会、德国运输部等等。儿童保护的最高评级也是5星，但这一桂冠，截止2018年10月却无人可以认领；行人保护的最高评级是4星，但不幸的是大多数车的成绩只有1～2星，能取得3星的已经是凤毛麟角。2.5.1汽车碰撞安全性要求碰撞测试成绩则由星级（★）表示，共有五个星级，星级越高表示该车的碰撞安全性能越好。其具体内容大约包括两个方面，正面和侧面碰撞。碰撞测试的内容各个国家标准不同，美国40%ODB正面碰撞速度为64公里/小时，侧面碰撞速度为50公里/小时，我国正面100%刚性壁碰撞速度为50公里/时，40%ODB正面碰撞速度为64公里/时，侧碰速度为50公里每小时。碰撞测试成绩则由星级（★）表示，共有五个星级，星级越高表示该车的碰撞安全性能越好。NCAP汽车碰撞测试NCAP的星级包括成人保护、儿童保护、行人保护三部分。根据CNCAP2012规程，成人保护一项得分在52分（含52）以上的可获5星，44（含44）～52分（不含52）的可获4星，36（含36）～44分（不含44）的可获3星……实际的星级评定并不是完全按分数换算的，比如某车型虽然整体得分较低，但假人没有受致命伤，其星级可以上浮，同理，某车型虽然分数不算低，但假人受到了致命创伤，其星级可能会下浮。另外，在国内备受争议的加分在欧洲NCAP中也有,比如有提醒后排乘客系安全带功能一般会加2分。成人保护的最高评级是5星，很多主流厂商的行政级和家用级轿车都达到了5星标准，虽然一些最新的紧凑型甚至微型车也撞出了5星，但整体上，大型车的安全水平高于小型车仍然是不争的事实。跑车的动力性能相对较好，安全性也应该更高才