有限元分析技术在汽车零部件设计中应用的策略与路径

袁洁

扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225009

江苏省溧阳中等专业学校 机电工程部，江苏 溧阳 213300 

摘  要：随着计算机技术的发展，有限元分析在各个领域都有着广泛的应用。本文以汽车零部件的特点为突破口，明确了汽车零部件设计采用有限元分析的必要性。并以此着重探讨了有限元分析在汽车零部件设计中的应用过程，指出了设计特性。

关键词：有限元分析；汽车零部件；设计

1 前言

    有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件的一种数值计算方法，是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具^[1]。

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：（1）增加产品和工程的可靠性；（2）在产品的设计阶段发现潜在的问题；（3）经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本；（4）缩短产品投向市场的时间；（5）模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。

2 汽车零部件设计与有限元分析之间的关系

汽车是一种包罗了各种典型机械元件、零部件、各种金属与非金属；材料及各种机械加工工艺的典型的机械产品，因此其零部件的设计理论显然要以机械设计理论为基础，并考虑到其结构特点、使用条件的复杂多变以及大批量生产等情况。

2.1汽车零部件设计的特点

汽车零部件的设计，是确定汽车整车、部件(总成)和零部件的结构。零部件设计是产品设计的根基。零部件设计时，首先要考虑这个零部件的作用和要求；其次，为了满足这个要求，零部件应选用什么材料和设计成什么形状；最后，零部件之间的相互配合和安装^[2]。

汽车零部件在工作时，部分零部件要单独或同时承受拉、压、弯、扭等多种动、静载荷而导致伸长、缩短、弯曲变形等现象。如汽车变速器传动轴。因此在设计时必须充分考虑零部件的受力情况，经过周密的计算，确保零部件的强度和刚度的数值在允许的范围内。

汽车零部件设计考虑到汽车的整体布局、尺寸，空气动力学、性能、制造方法等方面的要求确定汽车零部件的形状。例如，发动机气缸体的形状就非常复杂，需要设计气缸和水套，考虑与气缸盖、油底壳的接合，安装曲轴、进气管、排气管和各种各样的附属设备，气缸体内部细长的润滑油通道等等。所有这些因素都应考虑周全，每个细节均不能遗漏。

2.2汽车零部件设计采用有限元分析的必要性

随着汽车技术的发展和市场需求，以往在汽车零部件设计中，为了提高强度将零部件设计的大而重的方法越来越不可行，不但严重浪费了材料，并且由于设计的不合理，常常导致零部件发生结构性损坏。同时采用传统的试验方法来验证零部件的设计方案是否合理，不仅成本大而且周期长，不能满足现在零部件设计的需要。然而采用FEA有限元分析技术对零部件结构进行优化设计，具有周期短，方案灵活和成本低等优势，越来越广泛地应用于汽车产品设计中。（1）采用有限元分析技术可以改进设计方法和设计思路，使设计流程科学化和现代化。（2）采用有限元分析技术可合理选择优化方法，在不增加结构重量的同时，改善结构的性能，满足当今汽车行业轻量化发展需求，符合社会发展趋势。（3）有限元分析软件提供了一个高效的前处理、求解计算、后处理工具包，提供了分析系统解决方案。

3 有限元分析技术在汽车零部件设计中的应用过程

采用有限元分析技术对汽车零部件进行分析，是一项综合性的工作。它包括从零部件结构的物理力学模型抽象为有限元计算的数学模型，计算程序的选择和修改，在计算机上实施，以及计算前后大量信息数据的处理等过程^[4]。这个过程最后获得的主要数据有零部件结构的应力分布、变形分布、内力分布、固有特性、动态响应等。利用这些数据就可以对零部件的结构进行相应分析，达到进行结构的最优方案设计和分析结构损坏原因，寻找改进途径的目的。

3.1汽车零部件承受载荷、工况、形状、条件的分析

根据汽车零部件的结构特点，初步建立物理力学模型，包括形状的简化、零件之间的连接简化、支承的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分析等。如在对汽车离合器盖的刚度进行有限元分析时，由于离合器盖是由材料为0-8F，厚度为4mm的钢板冲压而成^[5]，其结构为120°旋转对称。离合器盖有许多细节特征通常是分析中所不需要的，如小孔、圆角、浅槽或腔和凸台等，在保证与原结构刚度基本吻合的前提下对其进行特征简化、特征抑制及特征删除以减少计算工作量：（1）忽略过渡区小圆角,对特别大的圆角以折线代替。（2）忽略对整体结构刚度影响不大的小孔。（3）将略有起伏的安装端面近似看作平面。 因为端面不是结构刚度分析的关键所在,且对整体结构刚度影响较小,这样处理避免了因形状不规则而造成单元划分的复杂化^[6]。

3.2构建有限元计算模型（网格图），选择或编制有限元程序

构建有限元计算模型，就是根据零部件结构特点，确定单元类型，并选取节点，形成网格图，同时选定边界条件，以及决定载荷的处理^[2]，并将产品有限元分析建模中的各种知识和专家经验融入到产品有限元分析建模过程中，生成有限元分析模型及数据文件。这一过程可表示为FEA Modeling: F = K（S）s*t*rule 1，rule 2, …, rule n式中: F为有限元分析模型及数据文件；K为产生分析模型及数据文件的推理机制；S为待分析产品结构； rule1,rule2，…，rule n为有限元分析建模中的各种规则^[7]。

对于单元的划分除了要考虑选则何种单元外，还要考虑所用单元的形状^[8],以及应力梯度，载荷类型，边界条件以及所要求的分析精度等。单元生成方法有三种：自由网格、映射网格和人工技术。划分网格操作分两个步骤：一是确定单元的大小和类型参数；二是在几何体上建立网格。例如离合器盖除侧面因安装传动片需要而挖去部分材料形成缺口外，其余部分都连续。缺口处因应力集中会形成较大应力，在划分单元时适当加密；对其他非重点研究区域，单元划分稍粗。

    在有限元分析建模中，为能真实地模拟载荷及边界条件，往往要预先对载荷及边界条件进行处理或假定。根据不同的情况，确定载荷及边界条件的性质及施加方法。例如离合器盖受到的作用力，在离合器处于接合状态时有膜片弹簧的压紧力和传动片的切向驱动力；在离合器分离时则有分离轴承传来的分离力。由离合器盖的质量所引起的惯性力沿离合器的径向，对离合器盖的轴向变形影响不大，故忽略不计。将上述载荷分别采用静力等效的原则移置到相应的结点上去，分别选取接合工况和分离工况进行计算^[6]。

3.3对模型进行有限元计算，判别计算模型的准确性，整理计算结果

对模型进行有限元计算就是在形成总刚度方程并约束处理后求解联立线性方程组，最终得到节点位移的过程。计算结束后将计算结果与结构通过试验测量的结果进行比较，当结构的计算模型是正确的，则可加上各种工况载荷进行正式计算。计算结束后，对结果进行整理，从而得到结构的应力图、变形图。

汽车零部件有限元分析计算的输出结果有三种基本类型：（1）节点类数据：直接给出模型节点处的结果（应力、位移、内力、温度值等）；（2）单元类数据：给出单元节点处或内部指定处的结果（各种应力分量、应力组合、等位线等）；（3）整体类数据：通过对某些单元结果求和得到整个总体模型参数。在进行有限元计算时不可避免地存在计算误差和离散误差。为了提高计算精度，减小误差可以采取下列措施：在同一有限元模型计算中，尽量避免出现刚度过分悬殊的单元，包括刚度很大的边单元，相邻单元的刚度大小相差很大等。

    例如对离合器盖通过有限元计算，将接合工况下盖的轴向变形分布条纹图示于图2。由图2 可见，盖的轴向变形主要在其顶面，在侧面及螺钉孔附近几乎没有位移分布条纹，说明此处基本不产生变形。轴向变形量在内圈最大，沿径向由内向外逐渐减小，沿周向变化不大，这与离合器盖受力后的实际情况相符。分离工况时盖的变形规律与接合工况相同，仅变形量大小和方向不同^[6]。

4 结束语

有限元分析技术在汽车零部件设计中有着广泛的应用范围，它不仅可以用来分析成型汽车产品的性能，也可用于产品开发过程中的性能分析，为汽车设计提供依据和指导。

参考文献

[1]                  张文志,韩清凯，刘亚忠，戚向东.机械结构有限元分析[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.

[2]                  卢耀祖，周中坚.机械与汽车结构的有限元分析[M].上海：同济大学出版社，1997.

[3]                  郑艳萍,羊玢. 汽车驱动桥壳台架试验的有限元模拟[J].南京林业大学学报 (自然科学版)，2004，28（4）：47-50.

[4]                  高卫民，王宏雁，洪善桃.汽车结构力学与有限元计算[M].上海：同济大学出版社，2002.

[5]                  罗晓哗. 汽车离合器压盘盖模具设计及装配工艺[OB/EL]. http://www.mould.net.cn/ebook/

[6]                  read_ebook/0412/js-13.htm,2004.

[7]                  朱茂桃,邱梅开.离合器盖刚度的有限元分析[J].农业机械学报，1997,28（1）：110-113.

[8]                  王平，高德平，刘德仿. 有限元分析建模知识表示及重用技术研究[J]. 机械科学与技术，2005,24（11）：1316-1319.

[9]                  王宏伟.MSC/Nastran有限元计算精度效率和计算精度分析[J].CAD/CAM与制造业信息化， 2002，8（10）：61-62.