電動(dòng)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元分析方法設(shè)計(jì)

蔡林

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車在人們的日常生活中占據(jù)越來越重要的位置，電動(dòng)汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求也越來越高。本文主要分析了有限元方法，探討了電動(dòng)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，給出了電動(dòng)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析策略。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車 機(jī)械結(jié)構(gòu) 有限元法

一、有限元法概況

1.有限元分析方法的原理

有限元法首先應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，隨后隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，它逐漸用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬。在有限元方法中，計(jì)算域被離散地劃分為有限數(shù)量的相互不重疊和互連的單元，并且在每個(gè)單元中選擇基函數(shù)。使用元素基函數(shù)的線性組合來近似元素中的真實(shí)解，整個(gè)計(jì)算域的整體基函數(shù)可以看作由每個(gè)元素基函數(shù)組成。然后，可以將整個(gè)計(jì)算域中的解決方案視為由所有元素的近似解決方案組成。在河流數(shù)值模擬中，常用的有限元計(jì)算方法是Ritz方法和Galerkin方法，由變分法和加權(quán)殘值法開發(fā)的最小二乘法。根據(jù)所使用的權(quán)重函數(shù)和插值函數(shù)，有限元方法也被分成各種計(jì)算格式。

從權(quán)重函數(shù)的選擇，有配置方法，矩量法，最小二乘法和Galerkin方法。除了單元格網(wǎng)格的形狀，還有三角形網(wǎng)格，四邊形網(wǎng)格和多邊形網(wǎng)格。除了插值函數(shù)的精度外，它還分為線性插值函數(shù)和高階插值函數(shù)。不同的組合也形成不同的有限元計(jì)算格式。對(duì)于權(quán)函數(shù)，Galerkin方法將權(quán)函數(shù)作為近似函數(shù)中的基函數(shù)；最小二乘法是使權(quán)重函數(shù)等于邊際本身，內(nèi)積的最小值是代理系數(shù)的最小平方誤差；在配置方法中，首先在計(jì)算域中選擇N個(gè)配置點(diǎn)，讓近似解決方案嚴(yán)格滿足所選N個(gè)配置點(diǎn)處的微分方程，即，在配置點(diǎn)處使方程余量為0。插值函數(shù)通常由不同冪的多項(xiàng)式組成，但也有三角函數(shù)或指數(shù)函數(shù)的乘積表示，但最常用的多項(xiàng)式插值函數(shù)。

有限元插值函數(shù)分為兩類。另一個(gè)不僅需要插值多項(xiàng)式本身，而且還要求其導(dǎo)數(shù)值在插值點(diǎn)處取一個(gè)已知值，稱為Hermite多項(xiàng)式插值。單位坐標(biāo)是笛卡爾坐標(biāo)笛卡爾坐標(biāo)和無量綱自然坐標(biāo)，具有對(duì)稱性和不對(duì)稱性。經(jīng)常使用的無量綱坐標(biāo)是局部坐標(biāo)系，其定義取決于元素的幾何形狀，一個(gè)維度作為長(zhǎng)度比，兩個(gè)維度作為面積比，三個(gè)維度作為體積比。在二維有限元中，最早應(yīng)用三角形單元，近期四邊形等參單元的應(yīng)用也越來越廣泛。對(duì)于二維三角形和四邊形電源單元，常用的插值函數(shù)是笛卡爾坐標(biāo)系中的拉格朗日插值。線性插值函數(shù)和二階或更高階插值函數(shù)，區(qū)域坐標(biāo)系中的線性插值函數(shù)，二階或更高階插值函數(shù)。

2.分析方法

（1）物體的離散化，主要是在工程分析過程中，項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)被離散化為由不同單元組成的計(jì)算模型。各個(gè)單元模型通過節(jié)點(diǎn)連接，節(jié)點(diǎn)的確定由實(shí)際變形形式的需要和計(jì)算的準(zhǔn)確性決定。（2）選擇位移模式為了合理選擇有限元節(jié)點(diǎn)，位移法主要是實(shí)現(xiàn)計(jì)算的自動(dòng)化，廣泛應(yīng)用于有限元分析。（3）分析機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)，合理分析材料的性質(zhì)，形狀和尺寸。確保每個(gè)單元的機(jī)械性能滿足汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度要求。通過元素節(jié)點(diǎn)建立整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程是很重要的。（4）對(duì)等效節(jié)點(diǎn)力的計(jì)算，在對(duì)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化之后，對(duì)于等效的節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行確定，保證力的傳遞可以做到準(zhǔn)確，不會(huì)出現(xiàn)力分布不均衡的情況。

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(gè)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有著很廣泛的應(yīng)用，可以對(duì)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛性和強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，保證汽車運(yùn)行的安全。

二、電動(dòng)汽車的機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元分析

1.有限元分析一般流程

（1）開發(fā)有限元分析程序，包括確定分析的對(duì)象，類型和目的。（2）應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)模型，汽車結(jié)構(gòu)模型的信息結(jié)構(gòu)，包括CAD模型，材料屬性，載荷條件，邊界約束和連接關(guān)系等。（3）通過原型試驗(yàn)進(jìn)行有限元模型試驗(yàn)后，如果試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果，則可以確定模型。（4）分析實(shí)驗(yàn)，修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，歸檔整個(gè)有限元分析，完成分析任務(wù)。2.汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度分析為了保證汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，必須對(duì)材料的疲勞性能、斷裂韌性以及發(fā)生撞車時(shí)能夠吸收的能量進(jìn)行嚴(yán)格的分析，保證設(shè)計(jì)材料的剛性和強(qiáng)度能夠滿足汽車機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，如果對(duì)于汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)正確的話，那么汽車機(jī)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(jí)階段都可以經(jīng)過一定的形變對(duì)沖擊能量進(jìn)行吸收。汽車的強(qiáng)度主要在于承受的載荷的大小，一般表示機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yùn)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(duì)于保證乘客的生命安全有著重要的作用。在進(jìn)行汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于剛度是整個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的主要問題，如果剛度滿足要求，那么強(qiáng)度也可以達(dá)到要求。我國(guó)對(duì)于汽車高強(qiáng)度鋼板的設(shè)計(jì)要求為，對(duì)于普通的高強(qiáng)度鋼板來說，抗拉能力以及屈服強(qiáng)度的要求較低，通過一定的傳統(tǒng)工藝即可將普通強(qiáng)度的鋼板設(shè)計(jì)成高強(qiáng)度鋼板。對(duì)于很多先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板需要借助先進(jìn)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。

3.汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元的分析過程主要分為四個(gè)階段，首先進(jìn)行樣車的運(yùn)行試驗(yàn)以及分析，保證對(duì)于整車的結(jié)構(gòu)有一定的了解。其次，進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，保證有限元模型的設(shè)計(jì)滿足相應(yīng)的感念。再者，對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行合理的劃分，然后對(duì)階段進(jìn)行相關(guān)的分析。最后，對(duì)于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的改進(jìn)，保證汽車機(jī)械設(shè)計(jì)可以滿足運(yùn)行要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛性分析應(yīng)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行有限元分析，以確保有限元輸出預(yù)實(shí)驗(yàn)的預(yù)期物理量是相同的。對(duì)于強(qiáng)度的有限元分析，主要考Mises應(yīng)力，分析變形能量的分布率和水平。汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力可以保證滿足車輛運(yùn)行的要求。

結(jié)束語：需要設(shè)計(jì)電動(dòng)車輛的機(jī)械結(jié)構(gòu)以滿足高壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的強(qiáng)度和振動(dòng)要求。為確保電動(dòng)汽車的安全，不會(huì)有泄漏，影響駕駛員的安全。在設(shè)計(jì)過程中使用有限元分析方法進(jìn)行分析，掌握設(shè)計(jì)要求以滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需求。確保電動(dòng)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度符合要求。在電動(dòng)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方面，中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家之間仍存在一定差距。因此，應(yīng)在設(shè)計(jì)中研究先進(jìn)技術(shù)，以促進(jìn)中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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