汽車結(jié)構(gòu)有限元分析

前言

　　我國汽車工業(yè)經(jīng)過近20年的高速發(fā)展，正面臨著國內(nèi)外的激烈競爭，這種競爭表面上是質(zhì)量和設(shè)計理念的競爭，但實質(zhì)上，技術(shù)創(chuàng)新才是這種競爭的核心力量，也是贏得市場競爭的關(guān)鍵?！　∮邢拊治龇椒ㄗ鳛槠嚁?shù)字化設(shè)計的一項核心技術(shù)，不僅可以帶來產(chǎn)品競爭力的提升，而且也為企業(yè)的自主創(chuàng)新帶來了新的契機。隨著以有限元法為代表的cAE技術(shù)越來越快地融入汽車整個設(shè)計流程，各企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計流程中明確規(guī)定了分析環(huán)節(jié)，規(guī)定沒有分析的設(shè)計不能進(jìn)入到下一個技術(shù)環(huán)節(jié)，從而真正做到基于分析的設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新。目前有限元法正向著流程化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；⒓苫较虬l(fā)展，分析功能日益全面，應(yīng)用范圍不斷擴大?！　D書本身需要不斷更新，以反映本領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，適應(yīng)汽車工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學(xué)需求。以有限元技術(shù)為代表的現(xiàn)代設(shè)計理論與方法已經(jīng)對產(chǎn)品研發(fā)產(chǎn)生了巨大的影響，為了使讀者能夠?qū)W好、用好這一技術(shù)，本書比較系統(tǒng)地介紹了有限元基礎(chǔ)理論，重點突出在單元分析與有限元法的實現(xiàn)過程上。本書以汽車結(jié)構(gòu)為研究對象，系統(tǒng)闡述了汽車結(jié)構(gòu)有限元分析流程、分析內(nèi)容與分析實例，重點突出在結(jié)構(gòu)建模方面。本書給出了汽車結(jié)構(gòu)分析指南，為分析設(shè)計提供了思路和方法，指出了分析中應(yīng)注意的問題，強調(diào)理論學(xué)習(xí)、程序運用與工程實踐應(yīng)緊密結(jié)合?！　”緯帉懙闹笇?dǎo)思想與追求的目標(biāo)是：力求既包含理論知識又具有工程指導(dǎo)意義；既可作為教材，又可作為設(shè)計分析的參考書。但是有限元分析的內(nèi)容十分廣泛，本書仍然在許多方面沒有論述到，而只重點討論了結(jié)構(gòu)方面的問題。有限元法具有嚴(yán)密的力學(xué)理論基礎(chǔ)和可靠的工程應(yīng)用背景，已經(jīng)形成了龐大的理論與應(yīng)用體系，各種著作、教材、文章以及程序難以計數(shù)。為了盡量保證本書的系統(tǒng)完整及知識覆蓋面，本書參考了大量文獻(xiàn)資料，吸收了許多研究成果，有些資料直接索引自網(wǎng)絡(luò)，在此對這些作者表示衷心感謝，參考文獻(xiàn)可能會有所遺漏，在此也表示誠摯的歉意。　　如何由傳統(tǒng)的依賴于經(jīng)驗設(shè)計的簡化分析方法過渡到以有限元分析為基礎(chǔ)的優(yōu)化方法，如何做好有限元分析，如何實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新。回答這些問題首先要從觀念上解決是先做還是先算的理念。有限元分析入門容易，學(xué)精很難，而準(zhǔn)確分析并指導(dǎo)設(shè)計則更需要掌握一定的理論基礎(chǔ)與實踐經(jīng)驗。學(xué)好有限元分析，一半在理論，另一半在實踐。建議有限元分析人員要掌握力學(xué)分析及有限元法的基本理論，結(jié)合所學(xué)專業(yè)，在利用程序進(jìn)行分析計算時，要勤于思考、善于思考，對分析的每個環(huán)節(jié)、對處理的每個數(shù)據(jù)仔細(xì)核對，認(rèn)真負(fù)責(zé)。通過本書的學(xué)習(xí)，可以了解有限元理論，掌握有限元方法。

內(nèi)容概要

本書比較系統(tǒng)地介紹了有限元法的基礎(chǔ)理論和基本方法，介紹了單元分析以及結(jié)構(gòu)分析有限元法的實現(xiàn)，闡述了汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的內(nèi)容、流程及方法，論述了汽車結(jié)構(gòu)模型的建立原則、模型驗證方法以及結(jié)構(gòu)分析指南，講述了汽車結(jié)構(gòu)分析的各種實例。本書面向汽車工程，注重理論與實踐。    全書共分9章，內(nèi)容系統(tǒng)完整，以車輛工程等工科專業(yè)本科生與研究生為讀者對象，亦可供汽車行業(yè)從事結(jié)構(gòu)分析的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章　緒論　1.1　有限單元法的概念　1.2　汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的內(nèi)容　1.3　汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的流程　1.4　汽車結(jié)構(gòu)有限元分析實例　思考題第2章　有限元分析的基礎(chǔ)理論　2.1　有限元分析的彈性力學(xué)基礎(chǔ)　　2.1.1　空間問題　　2.1.2　平面問題　　2.1.3　彈性力學(xué)問題經(jīng)典解法　　2.1.4　彈性接觸問題　　2.1.5　有限元法的變分原理基礎(chǔ)　2.2　彈性小撓度薄板彎曲基本理論　2.3　動力學(xué)問題基本方程　2.4　塑性力學(xué)基礎(chǔ)　思考題　練習(xí)題第3章　平面結(jié)構(gòu)問題的有限單元法　3.1　平面三角形常應(yīng)變單元位移模式　3.2　單元應(yīng)變和應(yīng)力　3.3　單元平衡方程與單元剛度矩陣　3.4　單元等效節(jié)點力　3.5　整體平衡方程與總剛度矩陣　3.6　邊界條件處理　3.7　解題步驟與算例　3.8　計算結(jié)果分析　思考題　練習(xí)題第4章　單元類型及單元分析　4.1　一維單元分析　　4.1.1　桿單元　　4.1.2　梁單元　4.2　二維單元分析　　4.2.1　三角形六節(jié)點單元　　4.2.2　矩形四節(jié)點單元　　4.2.3　曲邊等參數(shù)單元　4.3　三維單元分析　　　4.3.1　四節(jié)點四面體單元　　4.3.2　八節(jié)點六面體單元　　4.3.3　20節(jié)點六面體等參元　　4.3.4　空間軸對稱環(huán)形單元　4.4　板殼單元　　4.4.1　薄板矩形單元　　4.4.2　三角形薄板單元　　4.4.3　矩形平板殼單元　　4.4.4　三角形平板殼單元　4.5　單元測試與單元精度比較　4.6　其他各種單元簡介　思考題　練習(xí)題第5章　非線性問題的有限單元法　5.1　概述　5.2　彈塑性增量有限元分析　5.3　幾何非線性問題的有限元法　5.4　接觸問題的有限元法　5.5　非線性問題的基本算法　思考題第6章　動力學(xué)問題的有限單元法　6.1　動力學(xué)有限元分析的基本方程　　　6.1.1　一致質(zhì)量矩陣　　6.1.2　集中質(zhì)量矩陣　　6.1.3　阻尼矩陣　6.2　結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型　6.3　結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)　　6.3.1　直接積分法　　6.3.2　振型疊加法　　6.3.3　非線性動力分析的若干問題　思考題　練習(xí)題第7章　結(jié)構(gòu)分析有限元法的實現(xiàn)第8章　汽車結(jié)構(gòu)有限元分析指南第9章　汽車結(jié)構(gòu)有限元分析實例參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　證有限元分析的精度和可靠性對汽車工程應(yīng)用至關(guān)重要。這其中很大程度上依賴于有限元模型建立的精準(zhǔn)度。學(xué)習(xí)并掌握有限元法可以按照如下十六字訣去把握：即“精確建模、準(zhǔn)確加載、正確約束與明確分析”?！　【_建模就是要能夠從實際問題提煉出力學(xué)模型，并且將復(fù)雜問題簡化，保證有限元模型與原結(jié)構(gòu)等效，單元選用恰當(dāng)，網(wǎng)格劃分合理，算法參數(shù)控制得當(dāng)，從而使所建模型符合工程結(jié)構(gòu)實際，有限元模型的好壞直接影響計算結(jié)果的誤差和分析結(jié)論的正確性?！　?zhǔn)確加載就是要對所研究的對象，無論是零部件、分總成、大總成或者整車，要千方百計地從分析、計算、試驗，多方面確定載荷分布、載荷大小、載荷位置、載荷工況、載荷驗證等，確保載荷值可靠。　　正確約束就是要完整地理解結(jié)構(gòu)邊界條件及各部件之問的約束關(guān)系，明確決定連接性質(zhì)的主要因素，找出約束替換的等效方式，確定連接關(guān)系的合理判據(jù)，保證計算模型中的邊界條件和連接關(guān)系與實際結(jié)構(gòu)相符?！　∶鞔_分析就是要具備分析方案的制定能力、運算誤差的控制能力、模型檢驗與驗證的能力、計算結(jié)果的評價能力以及工程問題的研究能力，幫助指導(dǎo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計?！　∩鲜鏊膫€方面相互關(guān)聯(lián)，精確建模依賴于對汽車結(jié)構(gòu)特性全面信息的掌握程度，這就包括了模型幾何信息、載荷數(shù)據(jù)、約束條件以及檢驗和驗證有限元模型的技術(shù)。有限元模型的建立是有限元分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過力學(xué)分析，把實際工程問題簡化為有限元分析的問題，提出建立有限元模型的策略，確定載荷和位移邊界條件，使得有限元分析有較好的模擬結(jié)果。需要強調(diào)的是模型驗證是整個分析工作中一個非常重要的環(huán)節(jié)，需要借助各種方法，從多個方面對所建立的模型加以全面細(xì)致的檢驗，不但要檢驗分析模型，還要檢驗分析結(jié)果，只有這樣才能確保結(jié)構(gòu)分析的可靠性和可用性，才能真正做好結(jié)構(gòu)分析工作?！　?.2汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的內(nèi)容　　隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，設(shè)計與制造能力的不斷提升，對縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低整車開發(fā)成本、提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量有著越來越高的要求。在提升汽車研發(fā)能力的眾多因素中，CAE技術(shù)是汽車數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)過程中極為重要的技術(shù)手段。CAE技術(shù)，是一項涉及面廣、集多種學(xué)科與工程技術(shù)于一體的綜合性、知識密集型技術(shù)，這其中有限元法占據(jù)重要地位。汽車設(shè)計開發(fā)過程中的CAE分析是多學(xué)科、多方位、多層次、多角度的，分析的對象涉及零部件、總成、系統(tǒng)和整車，主要包括整車多體動力學(xué)分析，整車性能分析，結(jié)構(gòu)強度、剛度、模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)疲勞及可靠性分析，振動噪聲（NVH）分析，結(jié)構(gòu)部件動力學(xué)分析，汽車碰撞安全性分析，部件沖壓成形分析，熱結(jié)構(gòu)耦合分析，流體力學(xué)分析等。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，有限元分析技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且向著普及化的方向發(fā)展。通過運用CAE技術(shù)，無需制造大量試驗樣車，降低了原型車制造和試驗成本，降低了汽車及零部件開發(fā)費用。

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