有限元分析技術(shù)在汽車零部件設(shè)計(jì)中應(yīng)用的策略與路徑

袁潔

摘 要：有限元分析在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。文章以汽車零部件的特點(diǎn)為突破口，明確了汽車零部件設(shè)計(jì)采用有限元分析的必要性。并以此著重探討了有限元分析在汽車零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略與路徑，分析了設(shè)計(jì)特性。

關(guān)鍵詞：有限元分析;汽車零部件;設(shè)計(jì)

1 前言

有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是將某個(gè)問題從復(fù)雜轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單，從抽象轉(zhuǎn)化為具體，從陌生轉(zhuǎn)化為熟悉，然后再進(jìn)行求解。在計(jì)算過程中，將零件結(jié)構(gòu)有效劃分為有限個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的單元，每個(gè)單元使用一個(gè)滿足相容條件的簡(jiǎn)單位移插值函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，找到滿足需求的數(shù)值分析方法，解決工程實(shí)際問題[1]。

在助力實(shí)現(xiàn)《中國(guó)制造2025》的背景下，規(guī)范執(zhí)行《機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則》（GB/T33582-2017），高效發(fā)揮有限元分析在工程領(lǐng)域的重要作用，為改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供有效支撐是當(dāng)前最迫切的工作。在汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的當(dāng)下，有限元分析作為二次創(chuàng)新的推手，要以提升汽車模具制造技術(shù)為代表的核心競(jìng)爭(zhēng)力為目標(biāo)，增加零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，剔除人為主觀因素，縮短設(shè)計(jì)周期。

2 有限元分析與汽車零部件設(shè)計(jì)的關(guān)系

汽車是由多種具有動(dòng)、靜、熱特性的材料按照符合市場(chǎng)需求的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行加工、組裝而成的典型機(jī)械產(chǎn)品。其零部件的設(shè)計(jì)要具備高可靠性、高重復(fù)性和高完整性。

2.1 汽車零部件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

汽車零部件在設(shè)計(jì)時(shí)，要在滿足形狀設(shè)計(jì)的前提下確定整車、發(fā)動(dòng)機(jī)等各個(gè)總成，以及零部件的基本形態(tài)，充分考慮汽車的整體布局、尺寸，空氣動(dòng)力學(xué)、性能、制造工藝等方面的性能要求、造型要求和市場(chǎng)要求，選用合適的，符合法律規(guī)定的材料，完成零部件之間的相互配合和安裝[2]。

汽車零部件在工作時(shí)，部分零部件要單獨(dú)或同時(shí)承受拉、壓、彎、扭等多種動(dòng)、靜載荷而導(dǎo)致伸長(zhǎng)、縮短、彎曲變形等現(xiàn)象。如汽車變速器傳動(dòng)軸。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要精細(xì)計(jì)算零部件的剛性矩陣和等效載荷，盡量提高零部件的力學(xué)性能。

2.2 汽車零部件設(shè)計(jì)采用有限元分析的必要性

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求，以靜態(tài)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性日益明顯，有限元分析技術(shù)、3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[3]的使用給汽車零部件的設(shè)計(jì)帶來了便捷、高效工作方式。特別是隨著有限元分析技術(shù)的逐步完善、規(guī)范，所具備的縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期的優(yōu)勢(shì)給中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)走出寒冬提供了可靠的技術(shù)保障。實(shí)踐證明，采用有限元分析技術(shù)可以改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路，使設(shè)計(jì)流程科學(xué)化和現(xiàn)代化。幫助設(shè)計(jì)人員合理選擇優(yōu)化方法，提供分析系統(tǒng)解決方案，在不增加結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)，改善結(jié)構(gòu)的性能，滿足當(dāng)今汽車行業(yè)輕量化發(fā)展需求，符合社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。

3 有限元分析技術(shù)在汽車零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用過程

采用有限元分析技術(shù)對(duì)汽車零部件進(jìn)行建模分析，是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作。在該技術(shù)的支持下，將零部件結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，選擇合適的計(jì)算程序，并進(jìn)行前后信息數(shù)據(jù)的處理，最終獲得應(yīng)力分布、變形分布、內(nèi)力分布、固有特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等零部件結(jié)構(gòu)的核心數(shù)據(jù)[4]。利用這些數(shù)據(jù)就可以對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)分析，達(dá)到進(jìn)行結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案設(shè)計(jì)和分析結(jié)構(gòu)損壞原因，尋找改進(jìn)途徑的目的。

3.1 汽車零部件承受載荷、工況、形狀、條件的分析

根據(jù)汽車零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步建立物理力學(xué)模型，包括形狀的簡(jiǎn)化、零件之間的連接簡(jiǎn)化、支承的簡(jiǎn)化、材料的簡(jiǎn)化、截面特性的簡(jiǎn)化、載荷的分析等。如在對(duì)汽車離合器蓋的剛度進(jìn)行有限元分析時(shí)，由于離合器蓋是由材料為0-8F，厚度為4mm的鋼板沖壓而成[5]，其結(jié)構(gòu)為120°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。離合器蓋上諸如凸臺(tái)，過渡區(qū)圓角，對(duì)離合器蓋剛度影響較小的微型孔，以及淺槽或腔等細(xì)微結(jié)構(gòu)在分析中是不需要的，在保證與原結(jié)構(gòu)剛度基本吻合的前提下可對(duì)其進(jìn)行特征簡(jiǎn)化、特征抑制及特征刪除以減少計(jì)算工作量。對(duì)直徑較大的圓角通常用折線代替。因?yàn)槎嗣鎸?duì)整體結(jié)構(gòu)剛度影響較小，在計(jì)算過程中可以將對(duì)平面度要求較低的安裝端面近似看作平面，避免因形狀不規(guī)則而造成單元?jiǎng)澐值膹?fù)雜化[6]。

3.2 構(gòu)建有限元計(jì)算模型（網(wǎng)格圖），選擇或編制有限元程序

構(gòu)建有限元計(jì)算模型，就是根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定單元類型，選取節(jié)點(diǎn)，形成網(wǎng)格圖，同時(shí)選定邊界條件，以及決定載荷的處理[2]，產(chǎn)品在分析建模過程中要充分吸收通過HyperMesh直接建模，將有限元模型導(dǎo)入Mechanical APDL進(jìn)行簡(jiǎn)化等各種知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，生成最能滿足設(shè)計(jì)需求的模型及數(shù)據(jù)文件。整個(gè)過程可用FEA Modeling： F = K（S）s*t*rule 1，rule 2，…，rule n表示。式中： F為有限元分析模型及數(shù)據(jù)文件;K為產(chǎn)生分析模型及數(shù)據(jù)文件的推理機(jī)制;S為待分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu); rule1，rule2，…，rule n為有限元分析建模中的各種規(guī)則[7]。

工程結(jié)構(gòu)單元的劃分要根據(jù)桿狀、梁柱、殼體和實(shí)體等結(jié)構(gòu)形狀來選擇哪種單元[8]。此外還要考慮應(yīng)力梯度，載荷類型，邊界條件以及所要求的分析精度等。單元生成方法有三種：自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格和人工技術(shù)。劃分網(wǎng)格的劃分通常有兩步：首先根據(jù)結(jié)構(gòu)體系確定單元的維度和類型參數(shù);其次是將網(wǎng)格建立在幾何體上。例如，汽車離合器蓋的結(jié)構(gòu)大部分是連續(xù)的，只有蓋的側(cè)面需要安裝傳動(dòng)片才形成開口。由于應(yīng)力集中，在開口處形成較大的應(yīng)力，為顯現(xiàn)出應(yīng)變的真實(shí)變化，此處的單元?jiǎng)澐中枰m當(dāng)密集。其他非重點(diǎn)區(qū)域，劃分可粗糙一些（圖1）。

在有限元分析建模過程中，要事先處理或假定載荷、邊界條件，才能滿足真實(shí)模擬的需要。要根據(jù)工作性質(zhì)和狀態(tài)實(shí)情，附加邊界條件，確定加載方案。例如，汽車離合器蓋在工作時(shí)受力情況主要包括兩種：第一是離合器接合時(shí)，膜片彈簧對(duì)離合器蓋的壓緊力，以及傳動(dòng)片的切向驅(qū)動(dòng)力;第二是在離合器分離時(shí)，離合器蓋受到分離軸承帶來的分離力。需要強(qiáng)調(diào)的是，離合器蓋自身質(zhì)量產(chǎn)生的徑向慣性力對(duì)其軸向變形的影響可忽略不計(jì)。因此，可按照靜力等效的原則，將上述載荷分為接合工況和分離工況移置到相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算[6]。

3.3 對(duì)模型進(jìn)行有限元計(jì)算，判別計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，整理計(jì)算結(jié)果

對(duì)模型進(jìn)行有限元計(jì)算就是在形成總剛度方程并約束處理后求解聯(lián)立線性方程組，最終得到節(jié)點(diǎn)位移的過程。計(jì)算結(jié)束后將計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)通過試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較，當(dāng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型是正確的，則可加上各種工況載荷進(jìn)行正式計(jì)算。計(jì)算結(jié)束后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理，從而得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖、變形圖。

汽車零部件有限元模型計(jì)算數(shù)據(jù)分三類。包括溫度場(chǎng)作用下直接得到的模型節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力、內(nèi)力等節(jié)點(diǎn)類數(shù)據(jù);單元節(jié)點(diǎn)或內(nèi)部指定處的材料、物理、截面特性等單元類數(shù)據(jù);模型單元結(jié)果求和得到的整體類數(shù)據(jù)。在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，同一模型的單元之間要防止剛度差異過大，要高度關(guān)注邊單元和相鄰單元的剛度差異，這樣才能盡量縮小計(jì)算誤差和離散誤差，提高計(jì)算精度。

例如在有限元計(jì)算離合器蓋時(shí)，蓋在接合工況下的軸向變形分布條紋如圖2所示。由圖可見，頂面是蓋軸向變形的主要區(qū)域，側(cè)面、安裝和定位孔的周圍區(qū)域位移分布條紋基本沒有，說明該區(qū)域產(chǎn)生的變形可忽略不計(jì)。外圈軸向變形的量最小，并沿徑向逐步向內(nèi)增大，沿周向基本保持不變，符合離合器蓋受力實(shí)情。相比于接合工況，蓋分離工況時(shí)的變形規(guī)律保持不變，其變形量?jī)H存在方向與大小的區(qū)別[10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在即將進(jìn)入“十三五”收官之時(shí)，《中國(guó)制造2025》對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了明確的要求，有限元分析技術(shù)作為應(yīng)用最為廣泛的有效工具，對(duì)提高汽車零部件設(shè)計(jì)效率有著重大意義，本文作者以汽車離合器蓋為例，針對(duì)汽車零部件有限元分析特性，闡述了應(yīng)用過程，為汽車設(shè)計(jì)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文志，韓清凱，劉亞忠，戚向東.機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[2]盧耀祖，周中堅(jiān).機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)的有限元分析[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

[3]搜狐網(wǎng). 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)助力福特或縮短汽車設(shè)計(jì)周期[OB/EL].（2019-02-02）[2019-12-12]. http：//www.sohu.com/a/292932430_180520.

[4]高衛(wèi)民，王宏雁，洪善桃.汽車結(jié)構(gòu)力學(xué)與有限元計(jì)算[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

[5]羅曉嘩. 汽車離合器壓盤蓋模具設(shè)計(jì)及裝配工藝[OB/EL]. http：//www.mould.net.cn/ebook/read_ebook/0412/js-13.htm，2004.

[6]朱茂桃，邱梅開.離合器蓋剛度的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1997，28（1）：110-113.

[7]王平，高德平，劉德仿.有限元分析建模知識(shí)表示及重用技術(shù)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005，24（11）：1316-1319.

[8]王宏偉.MSC/Nastran有限元計(jì)算精度效率和計(jì)算精度分析[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2002，8（10）：61-62.

[9]陳嘉.高速膠印機(jī)潤(rùn)濕單元設(shè)計(jì)的有限元建模和仿真分析[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2016：16-18.

[10]鄭艷萍，羊玢.汽車驅(qū)動(dòng)橋殼臺(tái)架試驗(yàn)的有限元模擬[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2004，28（4）：47-50.