車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本理論與CAE分析技術(shù)

前言

　　我們于1999年開始從事車輛結(jié)構(gòu)有限元分析方面的教學(xué)與科研工作。在使用現(xiàn)有教材的教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)有很多關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)學(xué)生普遍反映不好理解。為了在教學(xué)中讓學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，便著手針對(duì)那些比較難的知識(shí)點(diǎn)，并結(jié)合作者在科學(xué)研究中的一些心得體會(huì)，一個(gè)一個(gè)的編寫講義，力求以簡單明了的方式講清楚學(xué)生難于理解的知識(shí)點(diǎn)?！　≡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(xué)中，根據(jù)學(xué)生的反饋信息和科研進(jìn)展不斷完善。實(shí)踐表明：本講義頗受各層次學(xué)生的歡迎，認(rèn)為看其他書看不懂的內(nèi)容，閱讀本講義就能很快理解，掌握其技術(shù)實(shí)質(zhì)內(nèi)容。同時(shí)，本講義也受到從事CAE及有限元分析的現(xiàn)場工程技術(shù)人員的歡迎。大家期盼本講義能早日正式出版?？偨Y(jié)起來，本書的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在：　?。?）知識(shí)更容易理解：本書是作者多年從事車輛結(jié)構(gòu)有限元分析教學(xué)與科研工作的結(jié)晶。主要針對(duì)現(xiàn)有的教材中，學(xué)生普遍反映難學(xué)，不好理解的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，一一對(duì)應(yīng)地編寫了針對(duì)性強(qiáng)的講解內(nèi)容和例子，讓學(xué)生可更好地理解其內(nèi)容實(shí)質(zhì)；　?。?）內(nèi)容更實(shí)用：針對(duì)國內(nèi)外有關(guān)有限元理論書籍雖然較多，但是一些關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的敘述大致相同，普遍存在難讀、難以掌握其理論與分析應(yīng)用的問題，作者根據(jù)長期從事cAE及有限元分析研究工作的經(jīng)驗(yàn)，精選了其基本理論內(nèi)容，讓其更加實(shí)用，并由淺到深地闡述，使之易學(xué)易懂；　?。?）實(shí)用技術(shù)豐富：針對(duì)目前市面上介紹結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析軟件使用的書籍，一般停留在對(duì)操作命令和簡單例題的介紹上，缺乏介紹車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的關(guān)鍵和核心技術(shù)內(nèi)容的問題，作者將多年從事車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，并融入教材，形成了本書的精髓?！　”緯婕暗膬?nèi)容較多，面比較廣，由于作者的學(xué)術(shù)水平有限，難免會(huì)有錯(cuò)誤或不當(dāng)之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正?！　”緯?章 由西南大學(xué)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(xué)教材建設(shè)資金資助；同時(shí)也得到重慶大學(xué)研究生創(chuàng)新基地的支持。

內(nèi)容概要

　　本書主要介紹了車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析所涉及的基本理論和利用商用軟件進(jìn)行CAE分析時(shí)一些值得注意的基本技術(shù)。全書共分9章，分別介紹字母標(biāo)記法及張量的基本知識(shí)、應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)、有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)、彈性力學(xué)平面問題的有限元法、線性代數(shù)方程組的解法、等參數(shù)單元、動(dòng)力學(xué)問題的有限單元法、疲勞壽命分析基本理論和車輛結(jié)構(gòu)CAE分析基本技術(shù)。各個(gè)章節(jié)給出了典型例題，章后附有習(xí)題。　　本書可作為機(jī)械類專業(yè)如車輛工程、機(jī)械工程、動(dòng)力及機(jī)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的科技工作者和其他相關(guān)專業(yè)的大專院校師生參考。

書籍目錄

1 字母標(biāo)記法及張量的基本知識(shí)1.1 字母標(biāo)記法及求和約定1.1.1 字母標(biāo)記法1.1.2 求和約定1.1.3 δij“符號(hào)1.1.4 置換符號(hào)定義1.2 張量的基本知識(shí)1.2.1 坐標(biāo)變換1.2.2 標(biāo)量、矢量和張量1.2.3 張量的坐標(biāo)不變性習(xí)題12 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)2.1 一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)2.1.1 內(nèi)力和應(yīng)力2.1.2 斜面上的應(yīng)力2.1.3 轉(zhuǎn)軸時(shí)應(yīng)力分量的變換2.2 主應(yīng)力與主剪應(yīng)力、應(yīng)力張量的不變量2.2.1 主應(yīng)力2.2.2 主剪應(yīng)力2.3 應(yīng)力張量的分解2.4 八面體應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度2.5 應(yīng)力空間2.6 應(yīng)變狀態(tài)2.7 應(yīng)變率及應(yīng)變?cè)隽苛?xí)題23 有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)3.1 變形體的描述、變量定義、分量表達(dá)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(shè)3.3 平面問題的基本力學(xué)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(xué)方程3.4.1 空間問題的基本力學(xué)變量3.4.2 空間問題的三大類力學(xué)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(yīng)變能3.5.3 系統(tǒng)的勢(shì)能3.6 虛功方程習(xí)題34 彈性力學(xué)平面問題的有限元法4.1 兩種平面問題4.1.1 平面應(yīng)力問題4.1.2 平面應(yīng)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(jì)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(shù)的性質(zhì)4.4.3 解答的收斂性4.5 單元內(nèi)的應(yīng)變和應(yīng)力4.5.1 單元應(yīng)變與單元節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系4.5.2 單元應(yīng)力與單元節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系4.6 單元?jiǎng)偠染仃?.6.1 單元節(jié)點(diǎn)力分量4.6.2 單元平衡方程4.6.3 單元?jiǎng)偠染仃嚨男再|(zhì)4.7 載荷向節(jié)點(diǎn)的移置4.8 總剛度矩陣的形成4.8.1 對(duì)總剛度矩陣的初步認(rèn)識(shí)4.8.2 結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(jì)算成果的整理4.12 平面矩形單元習(xí)題45 線性代數(shù)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(xí)題56 等參數(shù)單元6.1 平面4節(jié)點(diǎn)四邊形等參數(shù)單元6.1.1 單元位移模式和坐標(biāo)變換6.1.2 單元的應(yīng)變、應(yīng)力及雅可比矩陣6.1.3 單元?jiǎng)偠染仃?.1.4 載荷移置6.1.5 等參變換的必要條件6.1.6 關(guān)于應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的改進(jìn)6.2 平面8節(jié)點(diǎn)曲邊四邊形等參數(shù)單元6.3 空間20節(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元6.4 高斯積分法簡介習(xí)題67 動(dòng)力學(xué)問題的有限單元法7.1 動(dòng)力學(xué)問題基礎(chǔ)7.1.1 動(dòng)力平衡方程7.1.2 固有頻率和振型7.1.3 動(dòng)力學(xué)問題的有限元步驟7.2 特征向量和特征值的性質(zhì)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(zhì)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(dòng)力響應(yīng)問題的計(jì)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(yīng)問題習(xí)題78 疲勞壽命分析基本理論8.1 彈一塑性應(yīng)力.應(yīng)變與壽命8.1.1 概述8.1.2 真應(yīng)力和真應(yīng)變8.1.3 疲勞壽命關(guān)系8.1.4 循環(huán)應(yīng)力.應(yīng)變遲滯關(guān)系8.1.5 材料對(duì)應(yīng)變過程的響應(yīng)8.1.6 平均應(yīng)力的影響8.1.7 局部應(yīng)變時(shí)間過程分析8.1.8 Smith-Watson—T0pper關(guān)系式8.2 雨流循環(huán)計(jì)數(shù)簡介8.2.1 信號(hào)的時(shí)間過程與循環(huán)封閉8.2.2 雨流計(jì)數(shù)法習(xí)題89 車輛結(jié)構(gòu)CAE分析基本技術(shù)9.1 有限元模型的建立9.1.1 概述9.1.2 白車身網(wǎng)格劃分的細(xì)節(jié)處理9.1.3 網(wǎng)格劃分質(zhì)量控制9.1.4 有限元分析的驗(yàn)證9.2 有限元分析計(jì)算9.2.1 模態(tài)分析9.2.2 靜剛度分析9.2.3 靜強(qiáng)度分析9.2.4 瞬態(tài)響應(yīng)分析9.2.5 疲勞壽命分析習(xí)題9參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　有限元模型的校驗(yàn)是做有限元分析中的又一關(guān)鍵步驟，若對(duì)模型的正確與否都沒有一個(gè)確切的答案，則很難保證分析結(jié)果的正確性。對(duì)有限元模型的校驗(yàn)包括以下幾方面：　　1）單位的驗(yàn)證　　在有限元程序中，對(duì)于輸入的任何信息，都不會(huì)要求我們輸入單位，但必須確保輸入的所有數(shù)據(jù)，嚴(yán)格保證單位的一致，否則，計(jì)算結(jié)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(yàn)證單位的使用是否正確?！　?）邊界條件施加的驗(yàn)證　　在進(jìn)行有限元分析時(shí)，邊界條件直接影響著分析結(jié)果。例如，為了使一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來，可以給它加一個(gè)力，也可以給它加一個(gè)初速度，還可以給它加一個(gè)恒定的力或速度，但到底哪種加法才是正確的呢？這要根據(jù)問題的實(shí)際情況去仔細(xì)考慮。在不能明確判斷如何施加邊界條件時(shí)，就需要找一些具有類似情況的簡單例題來進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)玫降姆治鼋Y(jié)果與理論解一致時(shí)，表明邊界條件的施加方法可信，千萬不能想當(dāng)然地就把邊界條件加上去。　　3）模型的連接檢查　　汽車的車身十分復(fù)雜，包含上千個(gè)零件，通常的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析所涉及的零件也是好幾百個(gè)，零件和零件之間的連接關(guān)系復(fù)雜，在模型的建立中很容易出現(xiàn)各零件之間的連接關(guān)系被漏掉，而且很難檢查，很難發(fā)現(xiàn)，有時(shí)甚至把整個(gè)分析工作都完成了，還不能發(fā)現(xiàn)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(gè)大的部分，如前圍、側(cè)圍、后圍、地板等，先將每一部分的零件連接起來，并進(jìn)行模態(tài)分析，通過觀察各階模態(tài)的振動(dòng)形態(tài)，很容易發(fā)現(xiàn)哪些零件的連接有問題，并及時(shí)改正。在確保每一部分的連接都沒有問題后，再將整個(gè)模型連接起來。

編輯推薦

　　可作為機(jī)械類專業(yè)如車輛工程、機(jī)械工程、動(dòng)力及機(jī)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的科技工作者和其他相關(guān)專業(yè)的大專院校師生參考。

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