汽车结构有限元分析 授课对象:工学硕士 学科专业:车辆工程 作者:马力 主讲:马力 单位:武汉理工大学汽车学院 电话:027-87870519(H) 027-87658368(0) 13037150076
汽车结构有限元分析 授课对象：工学硕士 学科专业：车辆工程 作 者：马 力 主 讲：马 力 单 位：武汉理工大学汽车学院 电 话：027 – 87870519(H) 027 – 87658368(O) 13037150076
主要参考资料 [1]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].清华大学出版社, 2001 [2]周中坚,卢耀祖.机械与汽车结构的有限元分析[M].同济大学 出版社,1997 [3]朱伯芳有限单元原理及其应用.中国水利水电出版社,1998 [4]钱伟长,叶开沅.弹性力学.科学出版社,198003 [5]杨橙,马力,王仲范复合材料储能飞轮临界转速与极限转速硏究[J] 中国机械工程,2003(18) [6]廖芳,马力,杨橙,何耀华客车骨架强度失效分析[J].客车技术与硏 究,2003(4) 7]唐少雄,马力,杨代华,柴苍修内燃机凸轮机构摩擦学仿真设计建模研 究[J].内燃机工程,2002(6) [8]柴苍修,马力,王元良,李春光农用运输车车架有限元强度分析 [J].拖拉机与农用运输车,2002(1)
主要参考资料 ［1］王勖成，邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法［M］. 清华大学出版社, 2001 ［2］周中坚，卢耀祖. 机械与汽车结构的有限元分析［M］. 同济大学 出版社，1997 ［3］朱伯芳. 有限单元原理及其应用. 中国水利水电出版社，1998 ［4］钱伟长，叶开沅. 弹性力学. 科学出版社，1980.03 ［5］杨橙，马力，王仲范.复合材料储能飞轮临界转速与极限转速研究［J］. 中国机械工程 ，2003（18） ［6］廖芳，马力，杨橙，何耀华.客车骨架强度失效分析 ［J］.客车技术与研 究 ，2003（4） ［7］唐少雄，马力，杨代华，柴苍修.内燃机凸轮机构摩擦学仿真设计建模研 究 ［J］. 内燃机工程，2002（6） ［8］柴苍修，马力，王元良，李春光. 农用运输车车架有限元强度分析 ［J］. 拖拉机与农用运输车，2002（1）
主要讲述内容 有限元法概述 ·弹性力学简介 平面问题有限元法 ANSYS的应用简介 ·轴对称问题有限元法 板壳问题有限元法 实体问题有限元法 组合结构有限元法 有限元模态分析 ·有限元疲劳分析 汽车结构有限元分析实例
主要讲述内容 • 有限元法概述 • 弹性力学简介 • 平面问题有限元法 • ANSYS的应用简介 • 轴对称问题有限元法 • 板壳问题有限元法 • 实体问题有限元法 • 组合结构有限元法 • 有限元模态分析 • 有限元疲劳分析 • 汽车结构有限元分析实例
概述 前言 关于有限元法 英文缩写FEM( Finite element method) 应用中习惯称有限元分析 是一种连续结构离散化数值计算方法 上世纪五十年代由美国飞机工程师提出(1956年, Turner FEM与cAE CAE-计算机辅助工程( Computer Aided Engineering) CAE范围更广,还包含其它工程分析方法
• 前言 – 关于有限元法 • 英文缩写FEM（Finite Element Method） • 应用中习惯称有限元分析 • 是一种连续结构离散化数值计算方法 • 上世纪五十年代由美国飞机工程师提出（1956年，Turner） – FEM与CAE • CAE－计算机辅助工程（Computer Aided Engineering） • CAE范围更广，还包含其它工程分析方法 概 述
国内外发展应用简介 ·方法提出后吸引大量数学力学家进行研究,至今理论相当成熟 ·目前应用非常广泛 国外 发达国家有限元分析软件相当完善,商业化程度很高 应用意愿和应用水平很高 国内 发展相对较晚 研究应用水平发展很快 没有公认的、广为流行的高水平的、功能强大的商业化分析系统 就全国范围来讲,汽车行业主动应用意愿与国外相比差距较大
– 国内外发展应用简介 • 方法提出后吸引大量数学力学家进行研究，至今理论相当成熟 • 目前应用非常广泛 • 国外 – 发达国家有限元分析软件相当完善，商业化程度很高 – 应用意愿和应用水平很高 • 国内 – 发展相对较晚 – 研究应用水平发展很快 – 没有公认的、广为流行的、高水平的、功能强大的商业化分析系统 – 就全国范围来讲，汽车行业主动应用意愿与国外相比差距较大
车辆工程中有限元主要应用范围 按学科分类 弹性力学 断裂力学 ·塑性力学 几乎覆盖车辆工程 结构分析动力学 中的各个学科,如果 流体力学 包含交叉学科和边缘 学科,范围则更广 热力学 电磁学 声学
• 车辆工程中有限元主要应用范围 – 按学科分类 • 弹性力学 • 断裂力学 • 塑性力学 • 结构分析动力学 • 流体力学 • 热力学 • 电磁学 • 声学 几乎覆盖车辆工程 中的各个学科，如果 包含交叉学科和边缘 学科，范围则更广
按汽车结构分析分类 ·汽车结构强度和刚度分析 静强度失效 载荷产生超过屈服极限或度极限的应力 静强度失效 》载荷可是真的静载,也可为动载峰值 结构变形 》影响运动关系 常见汽车零 疲劳失效 》检查运动干涉 部件失效 》变形过大失效问题 》世界著名案例:日本车制动油管 共振原因失效
– 按汽车结构分析分类 • 汽车结构强度和刚度分析 – 静强度失效 »载荷产生超过屈服极限或强度极限的应力 »载荷可是真的静载，也可为动载峰值 – 结构变形 »影响运动关系 »检查运动干涉 »变形过大失效问题 »世界著名案例：日本车制动油管 常见汽车零 部件失效 静强度失效 疲劳失效 共振原因失效
汽车结构模态分析 -属动力学分析领域 分析结构的固有特征 》固有频率 》固有振型 》模态阻尼 》模态刚度 广范用于汽车结构动态特性设计 广泛用于解决汽车结构振动噪声问题 x(t) 系统固有特性 -y(t) 输入 输出 (激励) (响应)
• 汽车结构模态分析 – 属动力学分析领域 – 分析结构的固有特征 »固有频率 »固有振型 »模态阻尼 »模态刚度 – 广范用于汽车结构动态特性设计 – 广泛用于解决汽车结构振动噪声问题 系统固有特性 输入 （激励） x(t) 输出 （响应） y(t)
响应分析 时间响应分析 》通常在时域内求系统的时间相应 》常用于疲劳分析、平顺性分析等 频率响应和响应谱分析 》多用于随机振动 x(t) 常参数线性系统 X(O 脉冲响应函数(t) X(S) 频率响应函数f(o) Y(S) 输入 传递函数H(S) 输出 (激励) (响应)
• 响应分析 – 时间响应分析 »通常在时域内求系统的时间相应 »常用于疲劳分析、平顺性分析等 – 频率响应和响应谱分析 »多用于随机振动 常参数线性系统 脉冲响应函数 频率响应函数 输入 传递函数 （激励） X () 输出 （响应） Y() h(t) H() H(s) x(t) X (s) Y(s) y(t)
温度场计算 包括对流、传导和辐射 发动机温度场计算及散热问题 你家新房空调放在 保温车(冷藏车)隔热计算 什么地方最省电? 热应力分析 噪声振动分析 声场分析 能否实现在车内后排两老板 (或情侣 一空腔共鸣 说话司机不易听见 制动噪声 而司机说话前者容易听见 部件机械振动噪声 汽车空气动力学分析 降低空气阻尼、升力等 现在最 通风换气 高的汽车车速是多少? 改善车身表面流场 发动机进气及排放
• 温度场计算 – 包括对流、传导和辐射 – 发动机温度场计算及散热问题 – 保温车（冷藏车）隔热计算 – 热应力分析 • 噪声振动分析 – 声场分析 – 空腔共鸣 – 制动噪声 – 部件机械振动噪声 • 汽车空气动力学分析 – 降低空气阻尼、升力等 – 通风换气 – 改善车身表面流场 – 发动机进气及排放 现在最 高的汽车车速是多少？ 你家新房空调放在 什么地方最省电？ 能否实现在车内后排两老板 （或情侣） 说话司机不易听见 而司机说话前者容易听见