汽车结构的常规有限元分析

本文介绍了与产品研发同步的5个有限元分析阶段，阐述了有限元模型建立过程中应注意的问题，简单介绍了汽车产品的4种常规分析方法，建立汽车设计标准的方法，以及3个强度分析范例。范例1说明了有限元分析应注意的内容，范例2和3介绍了“应力幅值法”在解决汽车车轮轮辐开裂和汽车发动机汽缸体水套底板开裂问题的应用。

汽车是艺术和技术的结合。一辆好车的主要特点是造型美观、有时代感、结构设计合理、轻量化、材料利用率高，车辆性能先进并且满足国家法规、标准和环保的要求，质量可靠、保养方便、低成本、用户满意、满足市场需求等。在竞争日益激烈的汽车市场，汽车性价比已经成为市场竞争的焦点。采用有限元的常规分析技术，用计算机辅助设计代替经验设计，预测结构性能、实现结构优化，提高产品研发水平、降低产品成本，加快新产品上市。

1. 与产品研发同步的5个有限元分析阶段

在汽车产品研发流程中，一般有如下5个同步的有限元分析阶段：

第0阶段：对样车进行试验和分析；

第1阶段：概念设计阶段的分析；

第2阶段：详细设计阶段的分析；

第3阶段：确认设计阶段的分析；

第4阶段：产品批量生产后改进设计的分析。

有限元分析在产品研发的不同阶段有不同的分析目的和分析内容。有限元分析和试验分析是互相结合和验证的。在详细设计阶段，有些汽车公司对白车身和成品车车身都进行有限元分析，有些汽车公司只对白车身进行有限元分析。

2. 有限元分析的关键环节建立合理的有限元模型

有限元模型的建立是有限元分析的关键环节。通过力学分析，把实际工程问题简化为有限元分析的问题，提出建立有限元模型的具体意见和方法，确定载荷和位移边界条件，使得有限元分析有较好的模拟（仿真）效果。

前处理自动生成的网格可能存在问题。建立有限元模型的好坏直接影响计算结果的误差和分析结论的正确性。在结构的几何图形上，划分有限元网格是建立有限元模型的主要内容之一。在用有限元分析的前处理自动生成网格时，特别是用常应变单元自动生成有限元网格时要非常注意，有可能存在问题，应引起注意，必要时加以改进。要想用有限元分析前处理自动生成出好的有限元网格也要付出辛勤地劳动。即使在方案比较的情况下，应力和变形的分布规律也不能离谱，计算结果的误差也应在给定的范围之内，建立好的有限元模型与分析经验有关。

在没有有限元分析指南的情况下，用力学分析和试验结果对有限元模型的确认和对计算结果的验证是非常重要的，以避免不正确的有限元分析结果误导设计。

3. 汽车结构的常规分析

汽车结构的常规分析包括强度分析、刚度分析、NH分析、设计优化分析等内容。

强度分析

强度的概念是结构在正常工作时能承受的载荷，一般用工作应力的峰值来表示结构强度的水平。

在解决实际工程问题时，要根据分析目的和分析对象的受力状态，选择描述（评价）分析对象力学性能的物理量，并用这个物理量进行强度分析，这是一个非常重要的问题。指导原则是有限元分析输出的物理量应与试验分析时测试的物理量相同，以便于试验验证。

刚度分析

刚度的概念是结构在正常工作时的许可变形，用刚度表示结构抵抗结构变形的能力, 刚度是结构在外力作用下发生单位变形所需要的力。

评价一辆车的好坏，主要看车身。一般车身结构（如商用车的驾驶室)设计的主要问题是刚度问题,其次是强度问题。如果车身结构的刚度已满足要求,则车身结构的强度基本能满足要求。

NH分析

汽车在外载荷（路面激励、发动机的怠速和工作转速的激励）的作用下发生振动，用有限元分析的方法识别汽车结构的模态参数（振型、频率和阻尼），对汽车结构的振动噪声和舒适性（NH）进行分析。

设计优化分析

设计优化分析意味着在满足约束的前提下产生最佳设计的可能性。汽车结构的设计优化分析一般是以轻量化为设计目标，以强度（应力）和刚度（变形）为约束条件，改变设计的形状和尺寸（以设计的形状和尺寸为设计变量），进行多方案比较（拓扑优化），选择较优的设计方案。分析人员在设计优化有了初步结果之后，一定要用力学分析和设计的经验进行合理地解释，进一步确认设计优化结果的正确性。

4. 制定设计标准

在产品的研发中，应制定设计标准、试验规范和有限元分析指南。

以竞争对手的整车、系统、总成和零部件的性能参数为研发车辆性能的参考依据。在产品研发中，将车辆水平的指标分解成车身、底盘（车架）、动力总成等主要总成和系统的指标，总成和系统的指标又进一步分解为零部件与子系统的指标，为研发部门提供依据。

5. 强度分析的3个范例

汽车车身（车架）的强度分析

在汽车车身（车架）强度的有限元分析时，用.Mises 应力σe分析车身在复杂应力状态下变形能量的分布规律和水平，是可行的。但有些分析人员在车架的分析时，也用当量的.Mises 应力σe研究车架的应力分布规律和应力水平，笔者认为欠妥，有误导设计的可能性。

主要原因是：由于.Mises应力σe是永远大于零的数，用.Mises应力σe不能够清楚地表示车架的应力（拉应力和压应力）分布规律和应力水平。建议用最大主应力σmax 表示车架的应力（拉应力和压应力）分布规律和应力水平，用最大主应力σmax 控制车架的应力水平。最大主应力σmax的计算结果还可以与试验分析时测试的最大主应力σmax相比较。

汽车车轮轮辐的强度分析

车轮在路面滚动时，车轮轮辐在路面弯矩载荷作用下产生的应力是变化的。因此，在车轮轮辐强度的有限元分析中，描述车轮轮辐在路面弯矩载荷作用下的应力分布规律和应力水平，就不能简单用车轮在某个载荷工况下的最大主应力σmax和.Mises应力σe表示，而用汽车车轮滚动试验时车轮轮辐强度分析的物理量－应力幅值σa表示。有限元分析中轮辐应力幅值σa的计算结果可以用试验分析时应变片测量的轮辐应力幅值σa验证。

如何计算车轮轮辐在路面弯矩载荷作用下的应力幅值σa，也是非常重要的。几十年来，国内外一些汽车公司用有限元分析的方法对汽车车轮进行应力分析，试图计算车轮轮辐在路面弯矩载荷作用的应力幅值σa都没有成功。分析困难的原因之一是车轮是转动的，分析困难的另外一个原因是车轮的受力分析难度大，轮辐、轮毂和车轮螺栓之间的载荷传递不容易确定。一些汽车公司主要还用实际样品的试验分析解决问题，没有发挥有限元分析的作用。1987年，笔者在国际上首次提出“应力幅值法”——通过有限元分析技术，模拟试验分析，在周期性的外载荷作用下计算结构应力幅值的方法。有限元分析和“应力幅值法”相结合，解决了汽车车轮受力分析的问题，能够计算车轮轮辐在路面弯矩载荷作用下产生交变应力的应力幅值σa。用“应力幅值法”计算车轮轮辐的应力幅值σa误差小、精度高，可以代替汽车车轮的滚动试验装置研究车轮轮辐应力幅值σa的应力分布规律和应力水平，优化车轮轮辐设计。

应用“应力幅值法”，对某些商用车和乘用车的车轮轮辐的强度进行有限元分析，成功解决了这些车轮轮辐的开裂问题，为车轮轮毂和轮辐的优化设计提供了依据。

汽车发动机气缸体的强度分析

本范例的汽车发动机气缸体强度的有限元分析，用发动机气缸体强度试验分析时所使用的物理量——应力幅值σa，分析汽车发动机气缸体在曲轴旋转不平衡惯性力作用下产生交变应力的应力分布规律和应力水平，有限元分析中应力幅值σa的计算结果可以用试验分析时应变片测量的应力幅值σa验证。应用“应力幅值法”，对汽车发动机气缸体强度进行有限元分析，成功解决了某型号发动机汽缸体水套底板开裂问题，通过增加曲轴平衡块，可降低水套底板应力幅值的1/3