車輛結構強度基本理論與CAE分析技術

前言

　　我們于1999年開始從事車輛結構有限元分析方面的教學與科研工作。在使用現有教材的教學過程中，發(fā)現有很多關鍵的知識點學生普遍反映不好理解。為了在教學中讓學生更好地理解課程內容，便著手針對那些比較難的知識點，并結合作者在科學研究中的一些心得體會，一個一個的編寫講義，力求以簡單明了的方式講清楚學生難于理解的知識點?！　≡撝v義自2000年以來，在歷屆的本科生、研究生、工程碩士的教學中，根據學生的反饋信息和科研進展不斷完善。實踐表明：本講義頗受各層次學生的歡迎，認為看其他書看不懂的內容，閱讀本講義就能很快理解，掌握其技術實質內容。同時，本講義也受到從事CAE及有限元分析的現場工程技術人員的歡迎。大家期盼本講義能早日正式出版。總結起來，本書的主要特點表現在：　　（1）知識更容易理解：本書是作者多年從事車輛結構有限元分析教學與科研工作的結晶。主要針對現有的教材中，學生普遍反映難學，不好理解的關鍵知識點，一一對應地編寫了針對性強的講解內容和例子，讓學生可更好地理解其內容實質；　?。?）內容更實用：針對國內外有關有限元理論書籍雖然較多，但是一些關鍵知識點的敘述大致相同，普遍存在難讀、難以掌握其理論與分析應用的問題，作者根據長期從事cAE及有限元分析研究工作的經驗，精選了其基本理論內容，讓其更加實用，并由淺到深地闡述，使之易學易懂；　?。?）實用技術豐富：針對目前市面上介紹結構強度分析軟件使用的書籍，一般停留在對操作命令和簡單例題的介紹上，缺乏介紹車輛結構強度分析的關鍵和核心技術內容的問題，作者將多年從事車輛結構強度分析的研究經驗進行了總結，并融入教材，形成了本書的精髓。　　本書涉及的內容較多，面比較廣，由于作者的學術水平有限，難免會有錯誤或不當之處，敬請讀者批評指正?！　”緯?章 由西南大學汽車系趙金斗老師協(xié)助完成，在此表示感謝?！　”緯玫街貞c大學教材建設資金資助；同時也得到重慶大學研究生創(chuàng)新基地的支持。

內容概要

　　本書主要介紹了車輛結構強度有限元分析所涉及的基本理論和利用商用軟件進行CAE分析時一些值得注意的基本技術。全書共分9章，分別介紹字母標記法及張量的基本知識、應力狀態(tài)和應變狀態(tài)、有限元分析的力學基礎、彈性力學平面問題的有限元法、線性代數方程組的解法、等參數單元、動力學問題的有限單元法、疲勞壽命分析基本理論和車輛結構CAE分析基本技術。各個章節(jié)給出了典型例題，章后附有習題?！　”緯勺鳛闄C械類專業(yè)如車輛工程、機械工程、動力及機械工程等專業(yè)的本科生、研究生專業(yè)課教材，也可供從事車輛結構強度分析的科技工作者和其他相關專業(yè)的大專院校師生參考。

書籍目錄

1 字母標記法及張量的基本知識1.1 字母標記法及求和約定1.1.1 字母標記法1.1.2 求和約定1.1.3 δij“符號1.1.4 置換符號定義1.2 張量的基本知識1.2.1 坐標變換1.2.2 標量、矢量和張量1.2.3 張量的坐標不變性習題12 應力狀態(tài)和應變狀態(tài)2.1 一點的應力狀態(tài)2.1.1 內力和應力2.1.2 斜面上的應力2.1.3 轉軸時應力分量的變換2.2 主應力與主剪應力、應力張量的不變量2.2.1 主應力2.2.2 主剪應力2.3 應力張量的分解2.4 八面體應力應力強度2.5 應力空間2.6 應變狀態(tài)2.7 應變率及應變增量習題23 有限元分析的力學基礎3.1 變形體的描述、變量定義、分量表達3.1.1 變形體3.1.2 基本變量3.1.3 基本方程3.2 彈性體的基本假設3.3 平面問題的基本力學方程3.3.1 三大類方程之一：力的平衡方程3.3.2 三大類方程之二：變形的幾何方程3.3.3 三大類方程之三：材料的物理方程3.3.4 邊界條件3.4 空間問題的基本力學方程3.4.1 空間問題的基本力學變量3.4.2 空間問題的三大類力學方程和邊界條件3.5 彈性問題中的能量表示3.5.1 外力功3.5.2 應變能3.5.3 系統(tǒng)的勢能3.6 虛功方程習題34 彈性力學平面問題的有限元法4.1 兩種平面問題4.1.1 平面應力問題4.1.2 平面應變問題4.2 有限元法的概念和平面問題的離散化4.2.1 有限元法的概念4.2.2 平面問題的離散化4.3 有限元分析的步驟4.3.1 離散化4.3.2 單元分析4.3.3 整體分析4.3.4 后處理計算4.4 單元位移模式和解答的收斂性4.4.1 單元位移模式4.4.2 形函數的性質4.4.3 解答的收斂性4.5 單元內的應變和應力4.5.1 單元應變與單元節(jié)點位移的關系4.5.2 單元應力與單元節(jié)點位移的關系4.6 單元剛度矩陣4.6.1 單元節(jié)點力分量4.6.2 單元平衡方程4.6.3 單元剛度矩陣的性質4.7 載荷向節(jié)點的移置4.8 總剛度矩陣的形成4.8.1 對總剛度矩陣的初步認識4.8.2 結構的總剛度方程一般論述4.8.3 總剛度矩陣的組集方法4.8.4 總剛度矩陣的特點4.9 邊界約束條件的處理4.9.1 零位移約束4.9.2 非零位移約束4.10 算例4.11 計算成果的整理4.12 平面矩形單元習題45 線性代數方程組的解法5.1 高斯消元法5.2 三角分解法（喬列斯基分解)5.3 波前法習題56 等參數單元6.1 平面4節(jié)點四邊形等參數單元6.1.1 單元位移模式和坐標變換6.1.2 單元的應變、應力及雅可比矩陣6.1.3 單元剛度矩陣6.1.4 載荷移置6.1.5 等參變換的必要條件6.1.6 關于應力計算結果的改進6.2 平面8節(jié)點曲邊四邊形等參數單元6.3 空間20節(jié)點等參數單元6.4 高斯積分法簡介習題67 動力學問題的有限單元法7.1 動力學問題基礎7.1.1 動力平衡方程7.1.2 固有頻率和振型7.1.3 動力學問題的有限元步驟7.2 特征向量和特征值的性質7.2.1 完備性的概念7.2.2 振型的正交性定理7.2.3 振型的正則化條件7.2.4 瑞利商7.2.5 特征值的分隔特性7.2.6 Sturm序列及其性質7.3 特征值問題的求解方法7.3.1 變換法7.3.2 向量迭代法7.3.3 行列式搜索法7.3.4 子空間迭代法7.4 動力響應問題的計算7.4.1 直接積分法7.4.2 振型疊加法7.4.3 里茲向量直接疊加法求響應問題習題78 疲勞壽命分析基本理論8.1 彈一塑性應力.應變與壽命8.1.1 概述8.1.2 真應力和真應變8.1.3 疲勞壽命關系8.1.4 循環(huán)應力.應變遲滯關系8.1.5 材料對應變過程的響應8.1.6 平均應力的影響8.1.7 局部應變時間過程分析8.1.8 Smith-Watson—T0pper關系式8.2 雨流循環(huán)計數簡介8.2.1 信號的時間過程與循環(huán)封閉8.2.2 雨流計數法習題89 車輛結構CAE分析基本技術9.1 有限元模型的建立9.1.1 概述9.1.2 白車身網格劃分的細節(jié)處理9.1.3 網格劃分質量控制9.1.4 有限元分析的驗證9.2 有限元分析計算9.2.1 模態(tài)分析9.2.2 靜剛度分析9.2.3 靜強度分析9.2.4 瞬態(tài)響應分析9.2.5 疲勞壽命分析習題9參考文獻

章節(jié)摘錄

　　有限元模型的校驗是做有限元分析中的又一關鍵步驟，若對模型的正確與否都沒有一個確切的答案，則很難保證分析結果的正確性。對有限元模型的校驗包括以下幾方面：　　1）單位的驗證　　在有限元程序中，對于輸入的任何信息，都不會要求我們輸入單位，但必須確保輸入的所有數據，嚴格保證單位的一致，否則，計算結果將不可信。若是初次使用有限元，可以通過一些具有理論解的小例題來做有限元分析，以驗證單位的使用是否正確?！　?）邊界條件施加的驗證　　在進行有限元分析時，邊界條件直接影響著分析結果。例如，為了使一個物體運動起來，可以給它加一個力，也可以給它加一個初速度，還可以給它加一個恒定的力或速度，但到底哪種加法才是正確的呢？這要根據問題的實際情況去仔細考慮。在不能明確判斷如何施加邊界條件時，就需要找一些具有類似情況的簡單例題來進行分析，當得到的分析結果與理論解一致時，表明邊界條件的施加方法可信，千萬不能想當然地就把邊界條件加上去?！　?）模型的連接檢查　　汽車的車身十分復雜，包含上千個零件，通常的結構強度分析所涉及的零件也是好幾百個，零件和零件之間的連接關系復雜，在模型的建立中很容易出現各零件之間的連接關系被漏掉，而且很難檢查，很難發(fā)現，有時甚至把整個分析工作都完成了，還不能發(fā)現這些問題。比較有效的辦法是在模型的建立過程中，將車身劃分成幾個大的部分，如前圍、側圍、后圍、地板等，先將每一部分的零件連接起來，并進行模態(tài)分析，通過觀察各階模態(tài)的振動形態(tài)，很容易發(fā)現哪些零件的連接有問題，并及時改正。在確保每一部分的連接都沒有問題后，再將整個模型連接起來。

編輯推薦

　　可作為機械類專業(yè)如車輛工程、機械工程、動力及機械工程等專業(yè)的本科生、研究生專業(yè)課教材，也可供從事車輛結構強度分析的科技工作者和其他相關專業(yè)的大專院校師生參考。

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