汽車結構分析的案例
關于汽車結構有限元分析清單
–強度：裂紋、疲勞斷裂
5、車身骨架設計除考慮剛度與強度，還應注意：–不能破壞造型設計–骨架里板應考慮內護板緊固
–用最佳截面形狀獲得最大的截面系數–滿足相鄰部件的性能要求
6、汽車結構分析分類：
1）汽車結構強度和剛度分析
靜強度失效：載荷產生超過屈服極限或強度極限的應力、載荷可是真的靜載，也可為動載峰值
結構變形：影響運動關系、檢查運動干涉、變形過大失效問題、世界著名案例：日本車制動油管
2）汽車結構模態分析：
屬動力學分析領域
分析結構的固有特征：固有頻率、固有振型、模態阻尼、模態剛度
廣范用于汽車結構動態特性設計
廣泛用于解決汽車結構振動噪聲問題
3）響應分析
時間響應分析：通常在時域內求系統的時間相應、常用于疲勞分析、平順性分析等
頻率響應和響應譜分析：多用于隨機振動
4）溫度場計算：包括對流、傳導和輻射、發動機溫度場計算及散熱問題、保溫車（冷藏車）隔熱計算、熱應力分析
噪聲振動分析：聲場分析、空腔共鳴、制動噪聲、部件機械振動噪聲
汽車空氣動力學分析：降低空氣阻尼升力等、通風換氣、改善車身表面流場、發動機進氣及排放
5）汽車結構碰撞、沖擊分析：碰撞安全性問題、車身安全性設計、碰撞事故模擬再現
汽車零部件沖壓成形：成形部件設計、模具設計、分析開裂、起皺、回彈等問題
（液）流場分析：液化石油氣罐車、汽車結構可靠性分析、汽車結構優化設計
7、汽車結構分析的力學特征分類：
線性問題計算分析
非線性問題的計算分析：幾何非線性、材料非線性、狀態非線性（接觸問題）
8、同一載荷作用下的結構，所給材料的彈性模量越大則變形值越小
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–強度：裂紋、疲勞斷裂
5、車身骨架設計除考慮剛度與強度，還應注意：–不能破壞造型設計–骨架里板應考慮內護板緊固
–用最佳截面形狀獲得最大的截面系數–滿足相鄰部件的性能要求
6、汽車結構分析分類：
1）汽車結構強度和剛度分析
靜強度失效：載荷產生超過屈服極限或強度極限的應力、載荷可是真的靜載，也可為動載峰值
結構變形：影響運動關系、檢查運動干涉、變形過大失效問題、世界著名案例：日本車制動油管
2）汽車結構模態分析：
屬動力學分析領域
分析結構的固有特征：固有頻率、固有振型、模態阻尼、模態剛度
廣范用于汽車結構動態特性設計
廣泛用于解決汽車結構振動噪聲問題
3）響應分析
時間響應分析：通常在時域內求系統的時間相應、常用于疲勞分析、平順性分析等
頻率響應和響應譜分析：多用于隨機振動
4）溫度場計算：包括對流、傳導和輻射、發動機溫度場計算及散熱問題、保溫車（冷藏車）隔熱計算、熱應力分析
噪聲振動分析：聲場分析、空腔共鳴、制動噪聲、部件機械振動噪聲
汽車空氣動力學分析：降低空氣阻尼升力等、通風換氣、改善車身表面流場、發動機進氣及排放
5）汽車結構碰撞、沖擊分析：碰撞安全性問題、車身安全性設計、碰撞事故模擬再現
汽車零部件沖壓成形：成形部件設計、模具設計、分析開裂、起皺、回彈等問題
（液）流場分析：液化石油氣罐車、汽車結構可靠性分析、汽車結構優化設計
7、汽車結構分析的力學特征分類：
線性問題計算分析
非線性問題的計算分析：幾何非線性、材料非線性、狀態非線性（接觸問題）
8、同一載荷作用下的結構，所給材料的彈性模量越大則變形值越小
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展開 汽車結構分析與CAE
CAE技術在汽車設計制造中所能產生的巨大效益正逐漸被中國的汽車企業所認識，特別是中國
加入WTO以后，要求汽車產品有較高的市場競爭力和較快的市場反應能力，這既給CAE技術提供
了更為廣闊的應用空間，同時也對CAE技術本身提出了更高的要求。如何使汽車CAE技術智能化、
工程化和實用化，并成為汽車創新設計和知識獲取的有效手段是本研究方向要解決的關鍵問題。本
方向主要研究內容包括如下幾個方面：
1) 汽車結構實時分析理論和方法：現代汽車的設計涉及到的參數越來越多，參數之間關系也越
來越復雜，而且優化向多目標發展，這就需要研究和開發一整套新的快速計算仿真方法，使優化設
計能真正有效地應用到實際產品的設計中去。本方向將研究適用于汽車結構分析的“縮小參數基空
間法”（Reduced basis method，RBM），以及大幅度地縮小離散系統方程的個數達到快速甚
至是實計算的目的。研究RBM方法所需解決的理論上和技術上的關鍵問題，包括參數空間的優化選
取、穩定的參數空間的采樣方法、非仿映射等問題的建模、誤差估計和控制以及適用于非線性問題
的RBM理論與方法，并建立各種汽車車身部件的RBM參數設計空間。
2) 汽車優化設計前沿理論與方法：在已有研究的基礎上，提出更有效的解決實際汽車設計中的
接觸碰撞問題的計算理論與方法；建立系統的反問題理論體系和有效的適用于復雜工程系統的多目
標優化方法和不確定優化方法；研究并行計算中計算任務的動態分配方法和各CPU之間的數據通訊
理論與方法，以實現并行優化設計。
3) 汽車CAE軟件系統開發：開發新一代汽車CAE軟件系統，為快速進行汽車力學性能設計、輕
量化設計、舒適性設計、成型工藝設計、碰撞安全性設計、汽車空氣動力學仿真與車身形狀優化設
計等提供有力的手段和有效的工具。
展開 直播預告 | 非線性在汽車結構仿真中的典型應用
精彩直播預告
汽車CAE仿真是利用計算機軟件對汽車整車或零部件進行數字化虛擬建模和模擬測試的技術。通過構建高精度的數字化模型，工程師可以在虛擬環境中評估汽車性能、檢測設計缺陷、優化部件結構等，從而大幅縮短實體樣機制造和測試的時間。其中，涉及到汽車結構的仿真分析工況復雜，常常關系到材料、邊界條件和幾何特性的變化。
在汽車結構仿真分析中，有一些特殊場景需要用到非線性有限元分析，對車身、底盤等結構件進行靜力學、動力學、振動等模擬，從而優化設計，確保結構安全性。
本期海克斯康直播講堂請到了我們結構仿真高級工程師陳建中為我們簡要介紹汽車結構分析中需要采用非線性仿真的場景，以及如何提升這些非線性仿真的精度和效率，趕快報名吧！
12月13日 14:00
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立即預定
直播內容聚焦
?? 汽車CAE仿真的主要應用領域和優勢
?? 汽車結構分析中用到非線性仿真的場景
?? 如何在這些場景中提高仿真精度和效率
陳建中
海克斯康結構仿真高級工程師
海克斯康結構仿真高級工程師，具有多年的整車工程仿真應用經驗。在高度非線性、強度耐久、及NVH舒適性分析方面有多年豐富的工程和咨詢項目經驗。
展開 
《汽車結構剛強度及疲勞分析》專業教材
本教程包含了結構分析的相關知識要點，從網格劃分開始，到線性分析、非線性分析、疲勞分析等。前處理使用了ANSA(僅網格劃分)、HyperWorks(網格劃分、NASTRAN、ABQUS)、ABAQUS、nCode相關CAE分析軟件。其中針對汽車CAE結構開發中的分析要求進行了匯總整理，隨著時間推移其中一些分析方法有可能已更新，但還是有參考價值。雖然使用HyperWorks中的ABAQUS能夠解決汽車結構分析的很多問題，但是直接使用ABAQUSCAE能夠更明確其中的原理，建議在HyperMesh完成前處理，在ABAQUSCAE中完成分析模型搭建。僅僅完成分析是不夠的，同時需要具備堅實的理論基礎和試驗經驗。本教程的首要目的是積累學習過程中的知識點，方便于后續查閱，其次幫助自己梳理知識架構，能夠對整體進行把控，最后是讓自己養成一個習慣。以上也是每個人學習過程中都要經歷的過程，單純看看或者是隨手記一下，均有可能會遺忘、丟失。所以系統的歸納是必須的。本教程能夠讓剛入門的工程師快速進入到結構分析工作中，雖然試驗是必要的，但是對于CAE從業人員來說，快速掌握CAE分析技術、技巧也是頭等大事。
大概的目錄請見下文，了解內容詳情和詳細目錄請加VX。注：無法開發票，介意者就不要考慮了；因為無法開發票要求便宜點的，也不要考慮了；我是學生要求便宜點的，也不要考慮了，我被坑了幾次了。畢竟積累這些知識是需要大量的時間的，所以也請尊重知識付費。
紙質版定價：￥5000
購買方式：+VX：18677213804，付款后，如果有現貨則直接發貨，若無貨序打印后(約3-5天)再發貨。
展開 汽車結構的常規有限元分析
在結構的幾何圖形上，劃分有限元網格是建立有限元模型的主要內容之一。在用有限元分析的前處理自動生成網格時，特別是用常應變單元自動生成有限元網格時要非常注意，有可能存在問題，應引起注意，必要時加以改進。要想用有限元分析前處理自動生成出好的有限元網格也要付出辛勤地勞動。即使在方案比較的情況下，應力和變形的分布規律也不能離譜，計算結果的誤差也應在給定的范圍之內，建立好的有限元模型與分析經驗有關。
在沒有有限元分析指南的情況下，用力學分析和試驗結果對有限元模型的確認和對計算結果的驗證是非常重要的，以避免不正確的有限元分析結果誤導設計。
3. 汽車結構的常規分析
汽車結構的常規分析包括強度分析、剛度分析、NH分析、設計優化分析等內容。
強度分析
強度的概念是結構在正常工作時能承受的載荷，一般用工作應力的峰值來表示結構強度的水平。
在解決實際工程問題時，要根據分析目的和分析對象的受力狀態，選擇描述（評價）分析對象力學性能的物理量，并用這個物理量進行強度分析，這是一個非常重要的問題。指導原則是有限元分析輸出的物理量應與試驗分析時測試的物理量相同，以便于試驗驗證。
剛度分析
剛度的概念是結構在正常工作時的許可變形，用剛度表示結構抵抗結構變形的能力, 剛度是結構在外力作用下發生單位變形所需要的力。
評價一輛車的好壞，主要看車身。一般車身結構（如商用車的駕駛室)設計的主要問題是剛度問題,其次是強度問題。如果車身結構的剛度已滿足要求,則車身結構的強度基本能滿足要求。
NH分析
汽車在外載荷（路面激勵、發動機的怠速和工作轉速的激勵）的作用下發生振動，用有限元分析的方法識別汽車結構的模態參數（振型、頻率和阻尼），對汽車結構的振動噪聲和舒適性（NH）進行分析。
設計優化分析
設計優化分析意味著在滿足約束的前提下產生最佳設計的可能性。
展開 汽車結構的常規有限元分析
在結構的幾何圖形上，劃分有限元網格是建立有限元模型的主要內容之一。在用有限元分析的前處理自動生成網格時，特別是用常應變單元自動生成有限元網格時要非常注意，有可能存在問題，應引起注意，必要時加以改進。要想用有限元分析前處理自動生成出好的有限元網格也要付出辛勤地勞動。即使在方案比較的情況下，應力和變形的分布規律也不能離譜，計算結果的誤差也應在給定的范圍之內，建立好的有限元模型與分析經驗有關。
在沒有有限元分析指南的情況下，用力學分析和試驗結果對有限元模型的確認和對計算結果的驗證是非常重要的，以避免不正確的有限元分析結果誤導設計。
3. 汽車結構的常規分析
汽車結構的常規分析包括強度分析、剛度分析、NH分析、設計優化分析等內容。
強度分析
強度的概念是結構在正常工作時能承受的載荷，一般用工作應力的峰值來表示結構強度的水平。
在解決實際工程問題時，要根據分析目的和分析對象的受力狀態，選擇描述（評價）分析對象力學性能的物理量，并用這個物理量進行強度分析，這是一個非常重要的問題。指導原則是有限元分析輸出的物理量應與試驗分析時測試的物理量相同，以便于試驗驗證。
剛度分析
剛度的概念是結構在正常工作時的許可變形，用剛度表示結構抵抗結構變形的能力, 剛度是結構在外力作用下發生單位變形所需要的力。
評價一輛車的好壞，主要看車身。一般車身結構（如商用車的駕駛室)設計的主要問題是剛度問題,其次是強度問題。如果車身結構的剛度已滿足要求,則車身結構的強度基本能滿足要求。
NH分析
汽車在外載荷（路面激勵、發動機的怠速和工作轉速的激勵）的作用下發生振動，用有限元分析的方法識別汽車結構的模態參數（振型、頻率和阻尼），對汽車結構的振動噪聲和舒適性（NH）進行分析。
設計優化分析
設計優化分析意味著在滿足約束的前提下產生最佳設計的可能性。
展開 Abaqus在汽車支架結構分析中的應用實例
Abaqus在汽車支架結構分析中的應用實例
前言：
汽車支架結構強度是汽車行業在可靠性設計中所關心的最基本的問題，通過CAE仿真指出支架在不同工況下受到的最大應力等，為進一步改進結構設計提供了理論依據，為汽車行業在提高可靠性、降低產品的損壞率、壓縮成本方面起到了顯著的作用。
概述：
針對某款支架的結構強度分析，旨在確保產品在不同工況下不會受到破壞，確保安全。在分析過程中，發現加載300N的力后，最大應力大于抗拉強度，支架會發生破壞，本著讓產品更加優秀的原則，我司對產品進行的優化設計并再次分析，結果小于其抗拉強度，使其破壞風險降低。
使用軟件：
Hypermsh,Abaqus/standard
分析結果：
修改前的應力云圖：
加載300N，最大應力達到80Mpa，大于抗拉強度，支架會發生斷裂。斷裂位置為支架上部分與下部分連接處。
最大總體位移13.42mm。
優化后的分析結果：
加載300N，最大應力61.85Mpa，小于其抗拉強度80Mpa，破壞風險低。最大應力位于背部加強筋處。
最大總體位移8.923mm。
結論：
修改后最大應力61.85Mpa，小于其抗拉強度。修改后模型強度較改前好。修改后總體位移8.923mm，其剛度較修改前好。
歡迎關注微信公眾號：有限元科技
展開 直播預告-汽車增強塑料結構多尺度分析及輕量化仿真技術
龔慧靈
海克斯康工業軟件材料仿真技術專家
在航空復合材料結構、汽車輕量化結構分析領域工程具有豐富經驗，支持&參與的項目涵蓋：航空復合材料結構失效分析、CFRP結構固化回彈評估、SFRP部件沖擊失效及NVH分析等。
汽車底盤件結構耐久自動分析系統研究
來源 | 期刊-《重慶理工大學學報（自然科學）》
摘 要：針對汽車底盤件結構耐久分析中存在的效率低、一致性差的問題，建立了分析流程自動化系統。在載荷分解方面，基于多體動力學、統計學等原理，開發了載荷快速轉化、結果自動校核等算法，建立了載荷求解及結果后處理的自動化系統。在有限元分析方面，基于二次開發技術、視圖變換等原理，提出了自動建模、批量后處理等算法，建立了有限元分析全流程的自動化系統。基于流程自動化系統進行底盤件分析時，載荷分解效率提高了91%，有限元平均分析效率提高47%，在大幅縮短工作周期的同時規避了人為錯誤的影響，使分析結果的一致性得到充分保證。利用該系統進行某車型動力總成懸置支架的優化，在10 d時間內完成7版數據的優化迭代，使問題得到快速整改，驗證了所開發系統的高效性和實用性。
關 鍵 詞：載荷分解；結構耐久分析；流程自動化；懸置支架優化
以有限元理論為基礎的CAE仿真技術在汽車結構耐久性能開發過程中發揮了重要作用，但一款車型的開發往往需要4～5輪分析才能達到設計目標，且單輪分析一般會包含幾百個分析子項。據統計，在設計方案的分析、優化過程中，工程師平均要花費約80%的時間用于建模、求解、后處理和撰寫分析報告等多個操作步驟，真正用于產品改進的時間只占整個研發周期的20%左右。這種情況一方面會降低分析效率、增加人為錯誤；另一方面，參數設置難以統一，不同工程師得出的分析結果的一致性難以保證［1］。
目前，將分析流程固化、開發有限元分析流程的自動化系統已經成為解決上述問題的主要途徑，這也是CAE領域的重要發展方向之一。
展開 案例分享 | 汽車內飾件結構分析中的微觀結構考量——用 Digimat-RP 優化工作流程
目前已成為德國一級汽車供應商，而且正致力于將業務拓展至其他地區。我們專注于汽車內飾設計和相關設備，旨在實現創新、質量及美學的統一。我們主要關注四個領域——汽車內飾系統、空調控制系統、內飾表面處理及車內部件。我們的工程專業知識涵蓋工具制造、設備制造、注塑技術、涂裝技術及裝配技術。對我們來說，聚合物和塑料也是非常重要的一塊業務。優質產品和卓越工程是我們的靈魂。
在生產聚合物產品時，我們所面臨的一大挑戰是要建立起制造工藝與結構分析仿真之間的聯系。我們需要將生產工藝涉及到的產品屬性作為汽車計算機輔助工程（CAE）仿真的標準。在應用過程中，必須通過試驗來證明有限元分析（FEA）仿真的準確性。因此我們選擇 MSC 軟件的 Digimat 對纖維增強塑料（FRP）進行仿真。但是，要想獲得非常準確的有限元分析預測，就需要細致的聚合物材料模型，尤其是在無法從供應商處獲得確切的材料數據時。這正是 Digimat 在制造塑料零件方面大顯身手之處。通過案例研究，我們將展示自己的 CAE 建模團隊如何利用來自國際數據庫的標準塑料材料輸入對 FRP 汽車內飾件進行仿真：首先采用商用有限元分析解算器，然后采用 Digimat 的結構分析求解器和集成材料數據庫（見圖1）。我們確定了作用在零件（需要在Digimat 中進行檢查）上的兩種分別為 140N 的負載情況（圖 2）。我們指定了兩個場景，分別稱之為“過去”（利用可以從標準文本和數據庫中獲得的材料屬性進行有限元分析仿真）和“現在”（利用從 Digimat 及其微觀結構材料數據庫獲得的材料屬性進行有限元分析仿真）。
圖 1.纖維增強塑料零件的幾何形狀
圖 2.FRP 零件有關的兩種負載情況
圖 3 所示為采用 Durethan 制造的 FRP 零件的材料屬性，我們首先利用國際塑料數據庫的力學屬性用商業有限元分析代碼進行仿真。
展開 
汽車結構有限元分析實例
素材來源 | 網絡
編輯整理及圖片 | AEE汽車工程會議
CAE在汽車結構及材料優化中的仿真分析與應用
在汽車行業，從最初的線彈性部件分析到汽車結構中大量的非線性問題分析，到現在汽車疲勞壽命分析、NVH分析、碰撞模擬等，有限元科技CAE應用項目幾乎可以涵蓋所有環節。
今天和大家分享的是：汽車設計中的結構/材料優化分析。
結構/材料優化
優化設計包括尺寸優化、形狀優化、形貌優化和拓撲優化，而表現在汽車設計中則有輕量化、材料節能環保、提高動力性能等。在維持汽車重要區域原結構、車身模態和剛度性能等基本不變的基礎上，對于其他部位進行優化從而達到輕量化、新型材料應用等。基于CAE分析的優化設計也常用于新車型的開發。
近年來，隨著對汽車本身的安全性要求不斷攀升，對汽車車身結構安全部件材料的優化設計就顯得異常重要！
針對此材料和厚度的交互性問題，推出其匹配優化的設計方式。首先主要通過傳力路徑和能量分析的方式初步選取相應設計部件。然后由此進行敏感性的分析，這樣才能更準確的找出最受影響的安全部件作為設計的對象，從而真正解決難以選取設計對象的問題。
同時可針對所選取的設計對象，采用優選近似模型和多目標優化的方式對其厚度和材料實施匹配和優化，這樣就充分的利用了兩者的交互性，真正實現材料和厚度的變量混合。
一、汽車安全部件的選定分析
（一）分析汽車傳力路徑
主要針對其正碰當中的流動應力進行分析，可通過明確其車應力變化和部件截面展開分析。其傳力路徑具體表現在以下幾點：
車輛本身和剛性壁障產生碰撞時，一旦其前保險杠產生變形，會將力直接傳遞至上縱梁，然后通過上縱梁傳遞至A柱上端位置，最后直接向后傳遞。
當車輛和剛性壁障產生碰撞時，一旦其前保險杠產生扭曲，會直接將沖撞力轉移至前縱梁，然后直接傳輸至A柱下端、門檻梁以及底板縱梁等位置，最后向后傳遞。
展開 汽車正碰結構分析
汽車正碰結構分析
汽車副儀表板模結構設計分析
汽車副儀表板產品斷面分析
汽車副儀表板翻邊區域方案分析
方案一：副儀表板整體倒扣區域強脫
汽車副儀表板核心結構剖析
由于副儀表臺兩側翻邊太高，只是單一的強制脫模，底部拉變形頂出時對上端部區域不起作用，強脫倒扣量大。因此只能依靠產品向外側變形一定角度后，使內側倒扣脫離動模仁。由于產品材料為PP-TD20，材料本身具有良好的彈性，因此考慮到產品的材料與結構具有一定的變形能力，利用兩側大滑塊拉動產品向外側變形，從而實現所需要的變形脫模。綜上所述，副儀表采用方案一。
汽車副儀表板模具結構圖
1.定模固定板;2.熱流道框板；3.定模板；4.斜導柱固定塊；5.滑塊；6.動模鑲件；7.斜導柱；8.動模板；9.導套；10.方鐵；11.動模固定板；12.導柱；13.推件固定板；14.滑塊擋銷;15.塞打螺絲；16.彈簧；17.內滑塊；18.滑塊；19.熱流道板；20.一級熱射嘴；21.二級針閥式熱嘴；22.直推塊；23.滑塊；24.斜導柱固定塊；25.斜導柱；26.滑塊限位夾；27.頂出油缸；28.直推桿；29.限位柱；30.推桿；31.滑塊固定座；32.導向塊；33.油缸；34.滑塊；35.斜推塊；36.斜推桿；37.萬向滑座；38.復位桿；39.導柱；40.導套；41.回復塊；42.滑塊彈簧
結束語
模具合理地設計了汽車內飾件副儀表注塑模具，根據塑件的結構與塑件材料性能，設計了合理的大滑塊拉變形后強制脫模的脫模機構，實現了塑件兩側翻邊區域整體變形脫模，取得了10度左右的變形值，該結構穩定可靠，塑件取得了滿意的質量。
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