汽车结构的有限元计算模型
基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计
基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计引言：汽车车身设计是整车设计中至关重要的一环。
汽车车身不仅是汽车的“外衣”，还承担着对乘员安全和行驶稳定性的极其重要的作用。
车身的强度是确保车辆在各种复杂工况下保持结构稳定、寿命可靠的关键因素。
基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计具有重要的意义。
1. 有限元分析在汽车车身设计中的应用有限元分析是一种基于力学原理和数值计算方法的数值模拟技术。
它可以将复杂的连续体结构离散为有限个单元，通过求解单元之间的相互作用力，得到结构的应力、应变等力学参数。
在汽车车身设计中，有限元分析可以有效地评估车身的强度、刚度、振动特性等。
2. 汽车车身强度分析的主要内容汽车车身强度分析主要分为静态强度分析和动态强度分析两个方面。
2.1 静态强度分析静态强度分析是对车身在静态加载条件下进行强度评估。
通过有限元分析，可以得到车身各部分的应力分布情况和最大应力值，进而判断车身是否足够强度。
在静态强度分析中，需要考虑的因素包括车身的受载状态、材料的力学性质、载荷的大小和方向等。
2.2 动态强度分析动态强度分析是对车身在动态加载条件下进行强度评估。
在实际使用中，汽车车身会受到各种道路激励和振动的影响，因此需要对车身进行动态强度分析。
通过有限元分析，可以得到车身在不同工况下的应力变化规律和疲劳寿命，进而优化车身结构设计，提升车身的抗疲劳能力。
3. 汽车车身设计的优化方法基于有限元模型的汽车车身优化设计可以通过调整车身结构和材料等手段来提升车身的强度和刚度。
3.1 结构优化在车身结构优化中，可以通过增加加强筋、设置补强板和优化焊缝位置等方式来提升车身的强度。
通过有限元分析，可以评估不同优化方案的效果，并选择最佳方案进行实施。
3.2 材料优化材料的选择对车身的强度和轻量化设计起着重要作用。
目前，高强度钢材和铝合金等轻量化材料正在被广泛应用于汽车车身设计中。
基于有限元分析，可以评估不同材料对车身强度的影响，并选择合适的材料进行使用。
有限元建模方法
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固定端杆件的受力 a-工程系统；b-有限元模型
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4、建立有限元模型的一般过程
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二、车架基本结构
车架是一个大型复杂的装配体，很难把所有的结构建 立有限元模型，因而在尽可能反映车身结构主要力学特性， 保证结构同样准确的前提下，对构件进行相应的简化。省 略车架构件中对车架的整体振型影响丌大的小尺寸结构， 比如弹簧吊耳，拉支架，焊接线夹等。忽略车架的焊缝及 所有工艺孔，将所有倒角和过渡圆角简化为直角等，简化 后的车架装配图。
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2）．单元数据
(1)单元编号 (2)组成单元的节点编号 (3)单元材料特性值 (4)单元物理特性值 定义单元本身的物理特性和辅助几何参数，如弹簧单元 的刚度系数、间隙单元的间距、集中质量单元的质量、板 壳单元厚度和曲率半径等。 (5)一维单元的截面特性值 截面特性包括截面面积、惯性矩、极惯性矩、弯心位置、 剪切面积比等，截面特性通常由定义的截面形状和大小由 软件自动求出。 (6)相关几何数据 描述单元本身的一些几何特征，如单元材料的主轴方向、 梁单元端节点的偏移量和截面方位、刚体单元自由度释放 码等。
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三、车架有限元分析及结果
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四、总结
本文在以往对越野车车架，轻型货车车架和电动汽车车 架实例的基础上，利用有限元软件Hypermesh建立车架有 限元模型。再利用Nastran求解器对车架进行自由模态分 析，得到车架结构的固有频率和振型模态分析结果丌仅反 映了结构的动态特性，而且可以帮助设计人员在后续设计 中尽量避开这些频率或最大限度地减小对这些频率的激励， 从而减少共振和噪声，提高整车的平顺性和舒适性，同时 为结构的进一步改进提供理论依据。
车架有限元分析
以ANSYS软件为分析工具对从国外引进的某重型车的车架进行了有限元分析、模态分析和以路面谱为输入的随机振动分析，通过用壳单元离散车架及MPC单元模拟铆打传力建立计算模型，研究该车架静、动态性能，了解该车架的优缺点。
车架是汽车的重要组成部分，在汽车整车设计中占据着重要位置，车架结构设计历来为广大汽车厂商所重视。
本文以某汽车公司从欧洲引进的某重型车车架为研究对象，对该车架结构的动、静态特性进行分析计算，消化、吸收欧洲的先进技术并在此基础上进行自主创新设计。
分析手段主要是通过建立正确的有限元分析模型，对车架进行典型工况的静态分析、模态分析和路面不平度引起的随机振动分析，以此了解车架的静态和动态特性，了解该车架的优越性能及其不足之处，为新车架的改型设计提供依据。
1 有限元分析模型的建立该车架为边梁式，由两根位于两边的纵梁和若干根横梁组成，用铆接或焊接方式将纵梁和横梁联接成坚固的刚性结构，纵梁上有鞍座，其结构如图1所示。
由于车架是由一系列薄壁件组成，有限元模型采用壳单元离散能详细分析车架应力集中问题，可以真实反映车架纵、横梁联接情况，是目前常采用的一种模型。
该车架是多层结构，纵梁断面为槽形，各层间用螺栓或铆钉联接，这种结构与具有连续横截面的车架不同，其力的传递是不连续的。
该车架长7m，宽约0.9 m，包括双层纵梁、横梁、外包梁、背靠梁、鞍座、飞机板、铸铁加强板、发动机安装板、三角支撑板和后轴等部分。
考虑到车架几何模型的复杂性，可在三维CAD软件UG里建立车架的面模型，导人到Hypermesh 软件中进行网格划分等前置处理，然后提交到ANSYS解算。
车架各层之间的铆钉联接，可以用Hypermesh-connectors中的bar单元来模拟铆钉联接，对应的是ANSYS的MPC单元，因车架各层间既有拉压应力，又有剪应力，故MPC的类型应选择Rigid Beam方式。
由于该车是多轴车，为超静定结构，为了得到车架结构的真实应力分布，必须考虑悬挂系统的变形情况。
汽车有限元法概述
汽车有限元法概述有限元法（Finite Element Method，FEM）是一种工程数值分析方法，广泛应用于汽车工程领域，用于模拟和预测汽车结构在受力下的行为和性能。
本文将对汽车有限元法进行概述。
有限元法的基本原理是将连续结构离散化为有限个子结构，每个子结构称为有限元。
每个有限元内的应力和变形可以用简单的方程表示。
通过求解这些方程，可以推导出整个结构的应力和变形情况。
汽车有限元法主要有以下几个步骤：1.建模：将汽车的零部件、结构和系统进行建模，将其分割成有限元。
这个过程需要根据实际情况选择适当的网格划分和元素类型。
常见的元素包括线元素、面元素和体元素。
建模的准确性和合理性对于后续的分析和计算结果具有重要影响。
2.边界条件：确定模型的边界条件，包括支撑条件和外部加载条件。
支撑条件包括固定支撑和弹性支撑。
外部加载条件包括重力、加速度、风压等。
准确描述和设置边界条件是模拟计算的关键步骤。
3.材料特性：为每种材料分配相应的材料特性参数。
常见的材料特性包括弹性模量、泊松比、材料密度等。
这些参数将决定材料在受力下的行为和响应。
4.模拟计算：利用有限元软件对建模后的汽车结构进行计算和模拟。
通过求解每个有限元的位移和应变，再结合材料特性进行力学分析，得到汽车结构在受力下的应力和变形情况。
5.结果评估：根据计算得到的应力和变形结果，对汽车结构的强度、刚度、耐久性等性能进行评估和分析。
如果发现问题或不合理现象，可以进行模型修正和参数优化，以提高结构的性能。
在汽车工程领域，有限元法主要应用于以下几个方面：1.结构强度分析：通过有限元法，可以对汽车结构的强度进行评估和分析。
例如，分析车身在碰撞时的变形情况，以及主要部件在受力下的应力情况。
2.动态响应分析：有限元法可以模拟汽车在动力加载下的振动和动态响应情况。
例如，模拟车辆在行驶过程中的悬挂系统振动，以及发动机振动对车身的影响。
3.疲劳寿命评估：通过有限元法，可以分析汽车结构在复杂工况下的疲劳寿命。
基于有限元法的车架轻量化设计和仿真分析
基于有限元法的车架轻量化设计和仿真分析有限元法在车架轻量化设计和仿真分析中是一种常用的工具。
该方法基于数学模型，将结构划分成一系列小的单元，通过计算每个单元的应力、变形等物理量，反推得到整个结构的力学性能。
在车架轻量化方面，有限元法可以帮助我们快速地找到轻量化的设计方案，并通过仿真分析验证其性能，从而提高车架的安全性和可靠性。
首先，在轻量化设计中，我们需要寻找轻量化的潜在方案。
有限元法可以帮助我们划分车架结构，并计算不同部件的受力情况。
通过对受力情况的分析，我们可以找到那些不必要的部件或重量过剩的区域，从而进行删减。
例如，我们可以尝试使用高强度材料或降低材料使用量等方式来达到轻量化的目的。
其次，在设计轻量化方案后，需要通过仿真分析来验证其性能。
在有限元法中，我们可以将车架结构的物理特性输入到数学模型中，并通过计算得出其应力分布、变形情况等。
通过这种方式，我们可以在实际试验之前，快速地评估轻量化方案的性能，并进行修改和优化。
最后，有限元法还可以帮助我们改进设计方案，以进一步提高车架的性能。
例如，在仿真分析中，我们可以调整材料的类型和厚度，以达到更好的性能。
我们还可以通过优化部件的形状和尺寸，来减少结构的应力集中和变形等问题。
总之，有限元法在车架轻量化设计和仿真分析中是一种非常有效的工具。
通过使用该方法，我们可以快速地找到轻量化方案，并通过性能仿真进行验证和优化，最终提高车架的安全性和可靠性。
为了能更清楚地了解车架轻量化设计和仿真分析的数据，我们可以以一辆小型轿车为例，尝试列出相关数据并进行分析。
首先，我们需要了解该汽车原始的车架结构的总重量、尺寸和材料类型及数量等情况。
假设该汽车的车架总重量为1000千克，尺寸为4000毫米长、1500毫米宽和1500毫米高，使用的材料为钢材和铝材，其中钢材使用量为80%。
我们可以看到，该车架的重量相对较高，需要进行轻量化设计。
接下来，我们可以通过有限元法对该车架进行轻量化设计。
重型载货汽车车架结构的有限元仿真及优化
优化方案
优化方案
根据有限元仿真结果，针对重型载货汽车车架结构的薄弱环节和潜在问题， 提出以下优化方案：
优化方案
1、结构改进：对车架结构进行优化设计，减少不必要的焊接部位，增加结构 强度。例如，采用局部加强板或增加加强筋等方式对车架关键部位进行加固。
优化方案
2、材料替换：采用高强度材料替代传统钢材，如铝合金、高强度钢等，以减 轻车架重量，提高抗疲劳性能。
优化方案
3、尺寸调整：通过对车架结构的关键部位进行尺寸调整，优化结构布局，提 高承载能力。例如，调整横梁和纵梁的长度、宽度和高度等参数，以改善车架的 抗弯和抗扭性能。
优化方案
4、增加附件：如加强板、减震器等附件，提高车架的抗载荷能力和减震效果。
优化效果
优化效果
实施上述优化方案后，重型载货汽车车架结构的效果显著。以下是优化效果 的几个方面：
结论
结论
本次演示通过对重型载货汽车车架进行有限元分析，了解了车架的应力、应 变分布情况，并提出了优化建议。这些建议对于提高车架的承载能力和稳定性具 有重要意义。在实践中，可以根据具体需求和条件，综合考虑选择适合的优化措 施。有限元分析作为一种有效的数值模拟方法，可以为重型载货汽车车架的设计 和优化提供重要参考。
1、结构强度提高：通过结构改进和材料替换，车架的强度得到了显著提高， 能够有效应对各种复杂工况下的载荷。
优化效果
2、重量减轻：采用高强度材料和尺寸调整，车架重量得到了显著减轻，从而 提高整车的燃油经济性。
优化效果
3、疲劳性能改善：优化后的车架结构具有更好的抗疲劳性能，减少了车辆在 使用过程中的断裂等现象。
Байду номын сангаас
参考内容
引言
汽车结构有限元分析
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。
汽车座椅有限元建模与计算
收稿日期:2004-07-22作者简介:王宏雁(1962-),女,黑龙江哈尔滨人,工学博士,副教授.E 2mail :why 2sos @汽车座椅有限元建模与计算王宏雁,张 丹(同济大学汽车学院,上海 200092)摘要:采用“壳-体单元相结合”的方法建立座椅计算机辅助分析(CAE )模型.利用Ansys 软件计算了座垫弹性,与座椅试验的力-变形曲线对比,以验证建模与材料定义的正确性.另外还利用正面模拟碰撞中乘员的运动响应,分析了座椅材料的软硬程度对乘员伤害指标的影响.关键词:汽车座椅;有限元;建模;计算中图分类号:U 270.2 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2004)07-0947-05Modeling and Simulation with Finite ElementMethod in Vehicle SeatsW A N G Hong 2yan ,ZHA N G Dan(College of Automobiles ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :Establish the computer 2aided engineering model of car seat with the methods “shell and solid elements combining ”,calculate the elasticity of seat with pared with the “force 2distortion ”curve of seat test ,we examine the validity of modeling and the definition of materials.The influence of seat softness to the injury index of the driver in frontal crash is also discussed.Key words :car seat ;finite element method ;model building ;simulation 汽车座椅不仅要能够支撑乘员身体的重量,减轻乘员的疲劳以满足主动安全性要求,还要求能与安全带和安全气囊匹配,对乘员定位,缓解碰撞的强度,使乘员的损伤指标达到最小,以满足被动安全性要求[1].在汽车碰撞安全性模拟分析过程中,乘员约束系统的作用不可忽视,所以作为系统因素之一的汽车座椅的建模方法以及它对碰撞模拟分析精度的影响值得探讨.1 座椅模型的建立在整个有限元求解过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立.这一般包括几何模型、网格划分、添加约束与载荷以及定义材料等.它直接影响着碰撞仿真的计算精度和效率.建模的基本原则是准确性,为了保证计算精度,模型必须能够如实反映座椅的几何特性和力学特性.为了提高模拟计算的效率,在建模时还必须考虑单元类型、数量和质量等因素.座椅有限元模型的建立原则为(1)在保证计算目的和精度的条件下,适当简化模型.(2)合理选择单元类型,减少输入数据量和计算时间.(3)合理控制单元大小,相应分配模型单元数.1.1 壳单元的选取第32卷第7期2004年7月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.32No.7 J ul.2004壳单元的选取应从精度、效率以及对几何型面进行离散化时的方便性和准确性加以考虑.H Y2 PERM ESH软件提供了103,104,106,108号等多种壳单元类型,座椅骨架有限元模型通常采用三角形(103号)和四边形(104号)壳单元.从几何模拟角度看,采用三角形单元进行空间型面离散化,较为灵活、方便、准确,尤其易于逼近复杂的过渡面,在许多CAD/CAM软件中常常采用三角形单元,用作基本的离散化单元,但在有限元分析中,三角形单元的计算精度和准确度较差[2].四边形单元具有较高的精度和准确度,可以有效保证座椅有限元模拟计算与实车碰撞结果的一致性,但四边形单元的计算效率比较低,需要较长机时才能完成模拟计算.建立座椅有限元模型时,尽量采用了四边形单元,尤其是对于座垫、靠背、底座骨架等关键受力部位,全部采用四边形单元划分网格;个别尺寸、形状变化较大的区域,如座椅侧两表面相交处,采用了少量三角形单元.三角单元的比例控制在占总单元数的10%以下(如图1).1.2 体单元的选取H YPERM ESH软件提供了204,206,208,210,215,220等多种体单元类型,根据国外体单元建模经验与笔者的研究结果,座垫、靠背和头枕泡沫的建模选用六面体单元(208号),质量较四面体单元好,而且计算速度快(如图2).图1 骨架底板CAE模型Fig.1 CAE model of skeletonplate图2 座椅头枕CAE模型Fig.2 CAE model of headrest1.3 单元质量的控制根据经验和计算精度的要求,确定控制单元质量原则,见表1.表1 单元质量原则T ab.1 Principle of element qu ality壳单元体单元共用参数warpage(翘曲度)<5.0°<5.0°aspect(单元长宽比)<5.0<5.0 skew(弯曲度)<60.0°<60.0°Length(单元长度)>7.5mm>20mm Jacobian(雅克比)>0.7>0.7tet collapse>0.5 tetra AR<5.0对四边形单元min angle(最小角度)>45°max angle(最大角度)<135°对三角形单元min angle(最小角度)>20°max angle(最大角度)<120°对四边形单元面min angle(最小角度)>45°max angle(最大角度)<135°对三角形单元面min angle(最小角度)>20°max angle(最大角度)<120° 座椅有限元模型如图3～5所示.1.4 模型各部分的连接座椅骨架部分构件是通过焊接装配的,这就涉及到零件焊接工艺的模拟.目前,在有限元计算中对焊接的模拟主要有杆单元连接法、公用单元法和公用节点法等3种比较成熟的方法,如图6～8所示. 公用节点法是一种比较简单的焊接模拟方法,即在焊点位置将所对应的2个零件的单元节点连接起来,两单元公用同一节点,从而模拟焊点的连接功能.杆单元连接法是指在焊点位置采用一无质量的849 同济大学学报(自然科学版)第32卷 刚性杆单元将对应位置的2个节点连接起来.刚性的杆单元约束住所连接的节点,使其具有相同的自由度,以模拟实际焊点的焊接功能,并且还可以定义杆单元承受的轴向力极限和剪切力极限,当超过极限力时,杆单元的约束功能消失,从而模拟焊点失效.公用单元法则可以单独定义公用单元的材料特性,以模拟实际焊接处的金属材料特性,同时也可定义相应的焊接失效条件,因此,这种方法可以对焊点实现精确的模拟,但是工作量十分巨大,不仅需要对焊点作专门的材料试验,而且在有限元网格处理方面也具有一定的难度.比较3种焊接模拟方法,公用单元法虽然最精确,但工作量过于巨大,而且相应的试验会大大增加研究的时间和费用,对本课题而言不适合;公用节点法精度次之,相对也较为简单,零件模型之间吻合精度较高,因公用节点产生的单元翘曲问题比较少,所以在座椅各部分连接时选用了这种方法.1.5 计算模型的定义本课题选用了PAM2CRASH软件进行模拟碰撞分析,所以在它的前处理软件中建立座椅的计算模型.1.5.1 材料参数选择座垫泡沫选用21号材料(elastic foam with hys2 teresis);座椅外包层选用103号材料(iterative elas2 tic plastic);座椅骨架壳单元采用100号材料(null material for shell element),具体参数参考国外公司提供的数据.1.5.2 接触定义人体模型与座椅的接触采用“面对面”方式,即利用软件提供的33号surface/surface接触,对假人臀部和座垫上表面之间的接触、假人背部和靠背内侧表面之间的接触作定义.座椅泡沫自接触(seat2 self)采用边缘处理自接触方式,即软件所提供的36号(self impacting with edge treatment)接触.2 座椅有限元模型的验证通过网格划分和结构连接,将整个座椅离散为4079个壳单元,2955个体单元,建立了完善的座椅CAE模型(见图9).由于座椅CAE模型是经一些简化后得到的,简化过程是否合理,各部分连接是否恰当,尤其是材料的定义是否准确,直接关系到后期碰撞模拟的真实性和可靠性.所以,必须对座椅CAE模型进行静态计算验证.厂方提供了座椅的加载与变形试验曲线,因此,模型静态计算验证实际就是利用软件进行加载与变形的模拟,考察计算数据是否与实际试验结果相符.本课题采用了Ansys软件.对单元进行定义,包括单元类型、实常数、材料特性等.其中骨架和外包壳单元选用Shell63号单元,泡沫体单元选用Solid 45号单元,见图10.根据座椅通常受力情况,对座垫内固定区域加949 第7期王宏雁,等:汽车座椅有限元建模与计算 载,见图11,每个节点受力均匀.加载节点数为132;面积为400mm ×400mm ;载荷以50N 为步长,从10N 依次增加至650N ,每次加载位置不变.对比计算与试验结果可知:模拟计算结果与试验曲线总的走势基本相符.但在同一载荷作用下,模拟计算的座椅泡沫变形量比真实座椅产生的变形要大一些.在载荷为600N 时,最大相对误差为29.8%(见图12).说明模型对座垫泡沫材料的定义偏软.图12 计算结果与试验曲线对比Fig.12 Curve comparison betw een simulation and test3 座椅材料的软硬程度对碰撞安全性分析的影响 如前所述,在座椅的计算模型建立过程中,座椅材料的定义由于没有试验条件,所以参考了国外汽车公司的试验和经验数据,静态计算结果也表明,所定义的材料偏软.因此必须对材料参数是否会影响最终的整车乘员约束系统的运动响应模拟分析精度[3]进行研究.笔者通过对比不同的座垫泡沫材料在碰撞时对乘员造成的伤害指标,来验证座垫泡沫材料定义的可靠性.根据国家标准,选取假人头部伤害指标I HIC 值、胸部综合加速度a 3ms 、大腿轴向受力F 等3项伤害指标作为评价标准.应用Pam 2crash 软件输入现有座椅泡沫材料,进行正面模拟碰撞,得到乘员的3项伤害指标.然后,用乘员的定位参数定义,在不改变乘员初始定位H 点坐标的前提下,改变座椅座垫泡沫的材料特性,保持应变相同,分别将应力值增加至原来的2倍或者减少至原来的1/2,再次进行模拟碰撞,得到乘员的伤害指标与原来的数值进行比较.3种不同材料对乘员的伤害指标的变化规律,见图13～15.图13 I HIC 值及加速度曲线Fig.13 Curve of I HIC and acceleration59 同济大学学报(自然科学版)第32卷 图14 a 3ms 值及加速度曲线Fig.14 Curve of a 3ms andacceleration图15 腿部受力曲线Fig.15 Axial force curve of the leg 通过以上3种指标的比较,可以看出它们的最大峰值和出现的时间历程都相差无几,由此可知:若座椅泡沫材料相同,仅它的软硬程度不同,对于正面模拟碰撞中乘员的伤害程度的影响很小.其原因在于:座椅的软硬程度的改变,主要影响到了乘员在垂直方向受到的作用力,对正面碰撞过程中乘员由于惯性产生的纵向运动影响不大.图16所示的是在正面碰撞过程中,座椅受最大纵向碰撞力和乘员重力作用下的变形模拟情况.图16 70ms 时座椅变形形状Fig.16 Deform shape at 70ms4 结论采用“体-壳”结合的方法对汽车座椅进行有限元建模的研究是成功的,经试验验证和计算研究这种方法独特且有效,所建模型合理可靠.总的来说,座椅在整车运算过程中,值得注意的因素是体单元质量,提高六面体单元的比例能保证运算的稳定性;其次是材料的定义问题,应与静态试验结果尽量吻合,运算更合理.参考文献:[1] 姚卫民,孙丹丹.汽车座椅系统安全性综述[J ].汽车技术,2002,(8):5-8.[2] 高广军.有限元三维实体与壳单元的组合建模问题研究[J ].中国铁道科学,2002,23(3):52-54.[3] 龚 剑,张金换,黄世霖,等.PAM 2CRASH 碰撞模拟中主要控制参数影响的分析[J ].振动与冲击,2002,21(3):18-20.(编辑:张 弘)159 第7期王宏雁,等:汽车座椅有限元建模与计算。
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CAD技术的发展使三维设计和虚拟装配成为现实
自20世纪80年代开始，在基于特征的CAD技术中，可 以建立全参数驱动的三维模型，并以此为基础，对整 体设计和部件进行有限元分析、运动分析、装配的干 涉检查和NC自动编程等。
CAE技术使结构分析和运动校核可以在设计阶段完成， 避免了反复实验和试制！
驱动桥变有速限器元齿模轮型有限元驱分动析桥模有型限元分析应力云图
➢汽车碰撞有限元建模与仿真
汽车设计中，除了要满足强度和刚度的要求外， 还要进行碰撞实验，使其符合相关法规的要求。
汽车碰撞的两种 研究手段：实验 和有限元仿真
汽车正碰实验
➢汽车碰撞有限元建模与仿真
汽汽车车正侧碰碰仿过真程有与限实元验分结析果与的仿真对比
车有绕纵向x轴转
动的趋势。
MX
Mx
y
x
（3）汽车弯扭组合情况
实际上，由于重力
始终存在，汽车必
z
受弯矩和扭矩，必
须一起考虑！
Mx
x MX
Fz
y
（4）汽车侧向载荷情况
这种情况发生在汽 车转弯(离心力)或 汽车受横风或汽车 滑向路牙时，即受 y轴载荷。
z Fy
x
y
（5-1）汽车纵向载荷——加速情况(后轮驱动)
汽车结构分析方法简述
在汽车结构分析中，解析方法（如材料力学、 弹性力学和结构力学等）只能用于简单的结构 件，如杆、梁、柱以及简单的板壳等，不能解 决汽车中众多复杂零部件的结构分析问题（为 什么？），因此现代汽车设计的技术分析主要 采用有限元等数值方法。
FEM是一种高效、成熟和不断发展的数值方法， 如小波有限元在分析裂纹扩展问题中的应用等 等
新一代的 CAE 技术将不单纯是计算技术，它将和试验 技术紧密地融合在一起，成为工程实用中更加可靠的一 门完整技术。
CAM技术使设计数据直接用于加工，大大缩短了产品 的制造周期。
如，有限元数值模拟板料冲压成形过程，可很好的预 测成形缺陷。
这些技术的广泛应用使汽车产品开发发生了根本性的 变革，使汽车产品也可以按照不断变化的客户需求进 行及时响应，开发一个全新车型的周期已经从4~5年 缩短到18个月左右。
课程名称
车辆有限元分析方法
教材名称
汽车有限元法
汽车结构的有限元计算模型
第一节 概述 第二节 汽车结构计算模型 第三节 载荷与边界约束条件的处理
Over
有限元法（FEM）虽然已很流行， 但无需讳言，对于接触FEM时间 不长的同学们来说，有限元方法 仍难免有些神秘和高深莫测。
此前，我们学习了各种平面和空 间单元，讨论了其位移模式、单 元刚度矩阵的求取以及单元组集 的方法等。对结构有限元分析问 题的运算复杂性和手算低效的矛 盾有了深刻印象和切身感受。
FEM自20世纪40年代始……
FEM应用实例
教学提示：与今后的科研和实际工作关系
作为一种有效的数值方法，在汽车设计中，有 限元分析应用十分广泛。
➢复杂的大型结构件有限元分析
客车车身骨架有限元模型
FEM应用实例 ➢复杂的大型结构件有限元分析
白车身弯曲变形分析结果 白车身有限元模型
FEM应用实例
➢各种零部件的有限元分析 如，悬架各部件（如空气弹簧、钢板弹簧、稳 定杆等）有限元分析
建模和使用软件进行结构分析的三点注意
1为了保证汽车结构具有合理的强度与刚度，要 根据工程力学、汽车理论等基础知识，正确分 析汽车所受各种载荷，再运用FEM的知识，对 汽车结构进行强度和刚度计算和评价。
汽车载荷工况复杂多样，汽车结构分析中一项重 要也是关键的前提条件就是确定计算载荷。
注意点1：分析汽车结构所受载荷要全面
位移云图
空气弹簧有限元分析模型
双有扭限杆应元弹力分簧云析悬图架
➢各种零部件的有限元分析
又如，发动机机体、驱动桥壳、曲轴、差速器 及变速器齿轮等各种零部件的结构分析。
发动机机体实物与有限元模型 柴油机机体有限元分析位移云图
➢各种零部件的有限元分析
又如，发动机机体、驱动桥壳、差速器及变速 器齿轮等各种零部件的结构分析。
现代汽车开发过程（从概念到实物）
在这一过程中，有限元分析充当了重要角色具有不可或缺的作用
效果图
分析 仿真
油泥模型 制作
车身设计 底盘设计
管路布置
样车试制 模具制造
1: 5和1: 三维总布置
1模型
设计
造型设计 总体设计
电器系统 其它系统
设计
详细设计
批量生产
汽车产品数字化开发是建立在计算机辅助技术（CAX） 基础上的，其中，有限元分析充当了重要角色，具有不 可或缺的作用
（重点）
教学要求
明确FEM在现代汽车开发中应 用的广泛性
FEM决不是屠龙妙术，而是一门实用技术
熟悉FEM在汽车结构分析中 的常见应用实例
深刻体会并积极实 践“FEM建模和软 件使用中的三点注
意”
FEM在现代汽车开发过程中的应用
早期的汽车设计和制造主要以经验和科学实验结合。
现代汽车的设计以数字化设计为主，综合应用先进的 计算机辅助技术，如CAD、 CAE（计算机辅助工程）、 CAM，以缩短研发周期，降低设计成本，提高设计质 量。
汽车结构分析方法简述
在汽车结构分析中，解析方法（如材料力学、 弹性力学和结构力学等）只能用于简单的结构 件，如杆、梁、柱以及简单的板壳等，不能解 决汽车中众多复杂零部件的结构分析问题（为 什么？），因此现代汽车设计的技术分析主要 采用有限元等数值方法。
1 弹性力学的基本方程有哪些？
2 从数学上讲，弹性力学问题的求解是哪类问 题？
四轮汽车模型
z
汽车坐标系
C.G.
x
y
C.G.——Center of Gra件质量引起
的载荷，作用在垂
z
直平面（x-z）,载
荷沿汽车车架方向
分布，产生绕y轴
的弯矩。
x
y
Fz
（2）汽车扭转情况
由于路面不平或不
对称支承，使作用
z
在同一车轴两车轮
的沿z轴的力不等，
必引起扭矩,使汽
加速时，产生纵向载荷(沿x轴)，作用在轮胎与地面接 触点的牵引力和惯性力。 z
随着上机实践的进行，运算复杂 性这一矛盾已迎刃而解。但是…
我们还是不禁要问：FEM真的那 么有用吗？它是屠龙妙术，还是 一种实用技术？它在汽车工程中 真有那么广泛的应用吗？
第一节 概述
本节教学内容
FEM在现代汽车开发中的应用
汽车结构分析方法简述 FEM应用实例
FEM建模和使用软件进 行结构分析的三点注意