電動汽車機械結(jié)構(gòu)的有限元分析方法設(shè)計

陶曉慶

摘 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車在人們的日常生活中占據(jù)著越來越重的位置，對于電動汽車的機械結(jié)構(gòu)要求也越來越多，本文主要對有限元法進行分析，對于電動汽車的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行探究，給出電動汽車機械結(jié)構(gòu)中有限元的分析策略。

關(guān)鍵詞：電動汽車；機械結(jié)構(gòu)；有限元法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.027

0 引言

汽車的大量使用使得環(huán)境問題越來越突出，新能源汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃料汽車是整個汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢，電動汽車的出現(xiàn)是順應(yīng)形勢的現(xiàn)象，電動汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計使得其節(jié)能環(huán)保的功能更高，可以滿足現(xiàn)代社會對汽車的要求。有限元分析方法結(jié)合計算機輔助技術(shù)，可以對電動汽車的結(jié)構(gòu)性能進行更為科學(xué)的分析，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，加強對電動汽車機械結(jié)構(gòu)的有限元分析可以保證企業(yè)降低開發(fā)成本，提高電動汽車的質(zhì)量，對于促進電動汽車的機械結(jié)構(gòu)的改進有著重要意義。本文以普通電動汽車的機械結(jié)構(gòu)入手，結(jié)合計算機輔助技術(shù)，闡述電動汽車機械結(jié)構(gòu)的有限元分析方法，為電動汽車機械結(jié)構(gòu)的安全性分析提供一定的分析依據(jù)。

1 有限元法概況

1.1 簡介

伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元法是一種新型的現(xiàn)代計算方法，主要用于求解偏微分方程的邊值問題的近似解，求解方法是將整個區(qū)域進行分解，使得每個子區(qū)域的求解方式更為簡單，借助變分方法，保證誤差函數(shù)達到最小值并保持穩(wěn)定。由于在實際問題中很多計算難以達到精確，有限元的計算精度高而且可以適應(yīng)各種復(fù)雜的情況，所以，在實際的問題中應(yīng)用非常廣泛。

1.2 分析方法

（1）對物體進行離散化，主要在進行工程分析時將工程的結(jié)構(gòu)離散為由不同的單元組成的計算模型，利用節(jié)點將各個單元模型連接起來，對于節(jié)點的確定由實際變形形態(tài)的需要以及計算的精度來確定。（2）選擇位移模式對于有限元的節(jié)點進行合理的選擇，位移法主要是可以實現(xiàn)計算的自動化，在有限元法的分析中應(yīng)用很廣泛。（3）對于單元的力學(xué)結(jié)構(gòu)進行分析，對材料的性質(zhì)、形狀、尺寸等進行合理的分析，保證各個單元的力學(xué)性質(zhì)滿足汽車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的強度和剛性要求。通過單元節(jié)點對整個機械結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程式的建立有著重要意義。（4）對等效節(jié)點力的計算，在對汽車機械結(jié)構(gòu)進行離散化之后，對于等效的節(jié)點力進行確定，保證力的傳遞可以做到準(zhǔn)確，不會出現(xiàn)力分布不均衡的情況。

1.3 應(yīng)用

主要應(yīng)用在固體力學(xué)、流體力學(xué)以及熱的傳導(dǎo)、電磁學(xué)等方面，在整個汽車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中有著很廣泛的應(yīng)用，可以對汽車機械結(jié)構(gòu)的剛性和強度進行計算，保證汽車運行的安全。

2 電動汽車的機械結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1 有限元分析一般流程

（1）制定有限元分析方案，包括對分析對象、類型以及目的的確定。（2）運用于汽車結(jié)構(gòu)模型，對于汽車結(jié)構(gòu)模型進行信息整理，包括CAD模型、材料屬性、載荷工況、邊界約束以及連接關(guān)系等，根據(jù)相關(guān)的模型信息建立有限元模型，進行有限元模型的檢查，包括對網(wǎng)格劃分、單元質(zhì)量以及焊點處理等，檢查是否滿足載荷與邊界約束條件，如果不滿足那么應(yīng)該重新建立有限元模型，如果滿足，進行求解計算，對結(jié)果進行初步分析，對結(jié)果進行討論確定。（3）經(jīng)過樣車試驗進行有限元模型的檢驗，如果試驗結(jié)果達到預(yù)期效果，那么就可以進行模型確認(rèn)。（4）對實驗進行分析進行設(shè)計結(jié)構(gòu)的修改與優(yōu)化，對整個有限元分析進行存檔保存，整個分析任務(wù)完成。

2.2 汽車機械結(jié)構(gòu)的強度及剛度分析

為了保證汽車機械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，必須對材料的疲勞性能、斷裂韌性以及發(fā)生撞車時能夠吸收的能量進行嚴(yán)格的分析，保證設(shè)計材料的剛性和強度能夠滿足汽車機械設(shè)計的要求，如果對于汽車機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計正確的話，那么汽車機械結(jié)構(gòu)的材料都具有很好的吸收沖擊力的能力，在發(fā)生變形的初級階段都可以經(jīng)過一定的形變對沖擊能量進行吸收。汽車的強度主要在于承受的載荷的大小，一般表示機械結(jié)構(gòu)強度主要是工作應(yīng)力的峰值，汽車結(jié)構(gòu)的剛度是指汽車在運行過程中允許的形變范圍，是結(jié)構(gòu)的抵抗變形的能力，對于保證乘客的生命安全有著重要的作用。在進行汽車機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計時對于剛度是整個設(shè)計應(yīng)該注意的主要問題，如果剛度滿足要求，那么強度也可以達到要求。

我國對于汽車高強度鋼板的設(shè)計要求為，對于普通的高強度鋼板來說，抗拉能力以及屈服強度的要求較低，通過一定的傳統(tǒng)工藝即可將普通強度的鋼板設(shè)計成高強度鋼板。對于很多先進的高強度鋼板需要借助先進的設(shè)備及相關(guān)的工藝方法，才能生產(chǎn)出來。例如，雙相鋼板、復(fù)相鋼板等。

對于機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要進行材料準(zhǔn)備，根據(jù)實際的設(shè)計需要選擇合適的材料，根據(jù)整車結(jié)構(gòu)對機械結(jié)構(gòu)進行三維結(jié)構(gòu)的初步確立，通過CAE技術(shù)分析對于材料的剛度和強度進性檢驗，以滿足設(shè)計需要。運用NVH技術(shù)分析有限元模型是否滿足汽車的整個模態(tài)要求，可以通過增加固定點進行改進。

2.3 汽車機械結(jié)構(gòu)有限元的分析過程

主要分為四個階段，首先進行樣車的運行試驗以及分析，保證對于整車的結(jié)構(gòu)有一定的了解。其次，進行概念設(shè)計，保證有限元模型的設(shè)計滿足相應(yīng)的感念。再者，對于整個設(shè)計階段進行合理的劃分，然后對階段進行相關(guān)的分析。最后，對于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)進行設(shè)計的改進，保證汽車機械設(shè)計可以滿足運行要求。

對于機械結(jié)構(gòu)的剛性分析應(yīng)該對于其力學(xué)性能進行有限元分析，保證有限元的輸出量預(yù)實驗的預(yù)期物理量相同。對于強度的有限元分析，主要對于Mises應(yīng)力進行考慮，對變形能量的分布規(guī)律率和水平進行分析，保證汽車機械結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力可以達到汽車運行的要求。

3 總結(jié)

對于電動汽車的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要以滿足高壓動力驅(qū)動系統(tǒng)所需要的強度和振動要求為前提，保證電動汽車的安全，不會發(fā)生漏電現(xiàn)象，對駕駛員的人身安全造成影響，當(dāng)前，對于電動汽車機械結(jié)構(gòu)的內(nèi)部設(shè)計沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在進行設(shè)計時運用有限元分析法進行分析，對設(shè)計要求進行掌握，以滿足實際的設(shè)計需要為準(zhǔn)，保證電動汽車的機械結(jié)構(gòu)的的強度滿足要求。在進行電動汽車機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計技術(shù)上，我國與發(fā)達國家仍然存在著一定的差距，所以，在進行設(shè)計時應(yīng)該對先進技術(shù)進行研究，促進我國電動汽車行業(yè)的發(fā)展。

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