汽车人最爱的CAE分析应用实例

CAE技术的应用概况

1970年，NASA 引入NASTRAN ，标志着以有限元分析为基础的结构设计与分析的开始。经过近四十年的发展，现在其应用领域主要有：工程数值分析 、结构优化设计 、运动学/动力学仿真等。



CAE分析在汽车设计中的应用

以有限元分析方法为代表的CAE技术已应用于对车辆的各种模拟和分析之中，从汽车结构的强度分析，设计的刚度与变形分析到声场分析等等，使我们在汽车还未制造出来之前就对整车的特性有了一个详细的了解。

传统的CAE主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行状态进行模拟。现如今，汽车结构CAE分析的发展己经分工十分精细，包括汽车结构的静态和动态特性，NVH特性，碰撞特性等。



HYPERMESH应用实例

在CAE领域, Hypermesh最著名的特点是它强大的有限元前后处理功能。一般来说，CAE分析工程师80％的时间都花费在有限元模型的建立和修改上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上的。

所以采用一个功能强大，使用灵活，并能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。

• 几何处理

① 面的处理：删除重合的面和线以及线上所包含的多余的点；缝合没有公共边的相邻曲面。

② 细小特征处理：删除细小几何特征（如挂钩、门锁装置、小孔、圆角），以提高计算经济性。

③划分网格特征线：根据曲面几何特征的不同，用几何特征线划分成不同的区域，分别对不同的区域进行网格处理。

• 网格划分

① 网格大小的确立：兼顾精度和效率。

② 网格划分标准的确立：单元最小长度、单元最大长度、长宽比、翘曲度、雅戈比、三角形百分比等 。

③连接部位的处理：焊点、MPC，节点相连等。



网格大小：12mm

共包含212607个壳单元，其中有四边形单元204964个，三角形单元4925个，占全部单元的2.3%。还有2367个焊点,351个MPC单元 。

模态分析实例

模态分析简介

模态是结构的固有振动特性。用于反映模态特征的参数称为模态参数，包括固有频率、阻尼和振型等。

模态分析过程如果是利用解析法来得到模态参数，则称为计算模态分析；如果是通过试验法获得模态参数，则称为试验模态分析。

通过计算模态分析得到的模态参数与通过试验模态分析得到的模态参数进行对比，就可以验证有限元模型是否正确，从而保证刚度、强度的计算结果能够反映真实情况。

通过计算模态分析还可以得到试验模态分析中无法得到的模态参数，从而更准确的了解结构的振动特性，为结构改进提供依据。

例：某驾驶室的自由模态分析

将驾驶室有限元模型导入MSC.Patran进行前处理，设置计算类型、输出文件格式、计算频率范围等，再提交Nastran计算，得到驾驶室的自由模态参数。




驾驶室一阶计算模态振型图
YZ平面的一阶扭转



驾驶室四阶计算模态振型图
Z向，上下反向一阶弯曲



驾驶室五阶计算模态振型图
Z向，上下同向一阶弯曲



驾驶室六阶计算模态振型图
弯扭结合，XY平面扭转和YZ平面弯曲

静力分析实例

刚度是指弹性体抵抗变形（弯曲、拉伸、压缩等）的能力。

强度是指机械零件在工作时抵抗破坏，包括结构断裂、塑性变形、表面损坏的能力。

各部件必须有足够的静刚度和静强度以保证其装配和使用的要求。

某驾驶室的弯曲工况

在Hypermesh中设置好约束和载荷条件后导出驾驶室弯曲工况有限元模型，利用MSC.Patran载入该模型并提交MSC.Nastran进行计算。

驾驶室的约束和载荷条件如下：

约束条件：释放前悬置点X轴平动和Y轴的转动。
释放后悬置点Y轴的转动。

载荷条件：在座椅处施加垂直向下，大小为784N的力。



弯曲工况下驾驶室的变形云图

地板中间位置变形量最大，为0.261mm。

计算得其弯曲刚度为6.01kN/mm。



弯曲工况下驾驶室的应力云图

应力主要集中在地板上加载位置周围以及地板边梁上。

最大应力出现在驾驶员座椅的右后固定位置处，为25.3MPa。

材料的许用应力为156.7MPa ，大于其最大应力，因此在此工况下，驾驶室不会发生破坏。

疲劳分析实例

疲劳分析简介

疲劳是指材料在循环应力和应变作用下，在一处或者几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或者忽然发生完全断裂的过程 。

名义应力法(S-N法)是最早形成的抗疲劳设计方法，它以材料或零件的S-N曲线为基础，对照结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳积累损伤理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命。

此方法广泛应用于外加应力名义上在材料的弹性范围内，而且材料的失效循环次数很高时，即高周疲劳区。

MSC.Fatigue是在MSC.Software公司与英国nCode国际公司紧密合作的基础上发展起来的疲劳仿真分析软件系统。

可用于结构的初始裂纹分析、裂纹扩展分析、应力寿命分析、焊接寿命分析、整体寿命预估分析、疲劳优化设计、振动疲劳分析、多轴疲劳分析、点焊疲劳分析及数据采集等各种分析，同时该软件还拥有丰富的疲劳断裂相关材料库、疲劳载荷和时间历程库等，能够可视化疲劳分析的各类损伤、寿命结果。



Fatigue分析流程

例：驾驶室的扭转工况
首先进行扭转强度分析，得到其应力分布情况作为载荷条件。

扭转约束及载荷情况：

约束条件：释放后悬置点X轴的转动。

载荷条件：座椅处施加垂直向下，大小为784N的力。左右前悬置点施加方向相反，大小为1000N垂直载荷。



驾驶室扭转工况应力云图

应力主要集中在后悬置点、车窗窗框、前围、驾驶室地板大梁附近等处。

最大应力出现在驾驶室右后悬置点处，大小为94.9MPa 。

在Fatigue中设置其载荷条件、材料属性等。



载荷曲线为峰值为1，周期为2s的sin函数



材料的S-N曲线抗拉强度为375MP弹性模量为2.06E11 N/m2



驾驶室疲劳寿命云图



驾驶室疲劳危险点云图

驾驶室最小寿命为3.47×106次。

疲劳危险点出现在后悬置点、车窗窗框附近。



碰撞分析实例
碰撞分析简介

随着我国汽车保有量的不断增加, 交通事故呈上升趋势, 汽车的被动安全性问题是汽车研究和设计人员必须面对的新课题, 所开发车型的耐撞性能最终要通过实车碰撞试验来检验。

但是碰撞试验对车辆进行的是破坏性试验, 为了检验一项设计目标往往需要反复的碰撞试验, 试验费用相当昂贵。

通过模拟仿真计算, 可以在汽车设计和改进的过程中经济有效的提供一些基本规律和指导方向, 减少试验次数, 避免大量尝试性工作, 这样既能减少研发成本, 也能缩短开发周期。

LS-DYNA 是以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题。

LS-DYNA的前后处理非常多，例如ANSYS、PATRAN、TrueGrid、INGRID、HYPERMESH，后处理软件为LS-POST和LS-PREPOST。

例：某座椅头枕碰撞



将设置好的座椅头枕碰撞模型导入LS-DYNA 中计算，可得到碰撞过程的动画。



也可在LS-DYNA的后处理软件LS-prepost中提取节点上的加速度曲线、速度曲线等特征值。



座椅前方碰撞加速度曲线



座椅后方碰撞加速度曲线

结语
有限元法在车辆行业中的运用还有很多，比如：声场分析、热场分析等等。随着分析软件的完善和计算机技术的发展，CAE技术的运用将更加广泛。