有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)、強(qiáng)度和剛度分析方面因具有較高的計(jì)算精度而到普遍采用，特別是在材料應(yīng)力 - 應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。

主機(jī)廠和汽車設(shè)計(jì)公司通過建立高性能的計(jì)算機(jī)輔助工程分析系統(tǒng)，其專業(yè)?CAE?隊(duì)伍與產(chǎn)品開發(fā)同步地廣泛開展 CAE 應(yīng)用，在指導(dǎo)設(shè)計(jì)、提高質(zhì)量、降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期上發(fā)揮著日益顯著的作用。

CAE 應(yīng)用于車身開發(fā)上成熟的方面主要有：模態(tài)、剛度、強(qiáng)度、NVH 分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析等；而車輛碰撞模擬分析、金屬板件沖壓成型模擬分析、疲勞分析和空氣動力學(xué)分析的精度有進(jìn)一步提高，已投入實(shí)際使用，完全可以用于定性分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

前不久，筆者在仿真秀平臺原創(chuàng)首發(fā)的整車結(jié)構(gòu)模態(tài)剛強(qiáng)度聯(lián)合仿真，它通過使用 Hypermesh 軟件作為有限元前處理工具，以 Nastran 軟件作為模態(tài)、剛度、強(qiáng)度和振動分析仿真工具，以 Femfat 軟件作為電池包振動疲勞仿真工具，建立有限元仿真分析模型，最終使用 Hyperview 軟件實(shí)現(xiàn)對汽車零部件模態(tài)、剛度、強(qiáng)度和振動疲勞等工況結(jié)果進(jìn)行查看和評估，課程講解詳細(xì)，有助于學(xué)者能夠快速掌握有限元學(xué)習(xí)要點(diǎn)。借此機(jī)會和大家分享整車結(jié)構(gòu)模態(tài)剛強(qiáng)度聯(lián)合仿真的流程與案例。

一、幾何清理

利用 Hypermesh 軟件對模型進(jìn)行前處理：

對于結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度仿真，模型中的部件等對系統(tǒng)影響較小可舍棄；對于系統(tǒng)影響較大的零件幾何特征可以適當(dāng)簡化，如倒角結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)對齊等。簡化完成后，檢查整個模型是否有干涉和其他問題，如有問題，可用 Hypermesh 軟件對其進(jìn)行修復(fù)，如無問題，可利用中面抽取工具對模型進(jìn)行中面抽取。中面抽取后就要進(jìn)行幾何清理：

1、 對螺栓孔周邊以及倒角等敏感部位單元邊長不小于 3mm,3-5mm 之間的單元數(shù)量小于單元總量的 3%，實(shí)體單元平均尺寸 3mm(2-4mm)，用六面體單元。

2、 單元質(zhì)量

整個模型三角形單元數(shù)≤15%，除結(jié)構(gòu)限制外，不允許有兩個以上三角形單元相鄰；

3、 R4 以下的安裝孔以 4 個節(jié)點(diǎn)模擬，R4 以上的至少 6 節(jié)點(diǎn)；

4、 R5 以下倒角忽略，用一層單元表示；寬度大于 8mm，用 2 層以上單元表示；

5、?焊點(diǎn)用 connector 建立，并包含焊接各層的信息，焊接邊至少 2 排單元；

6、 焊點(diǎn)各層的節(jié)點(diǎn)投影對齊，焊點(diǎn)類型 acm；

7、 焊縫用 rbe2 單元連接，上下兩層；

8、 底盤鈑金件用 5*5 的 SHELL 建模，單元節(jié)點(diǎn)對齊；

9、包邊：外包零件和被包零件初始連接處共節(jié)點(diǎn)，包邊僅有中間一層單元；

10、螺栓連接：RBE2 和 BAR 單元共同模擬 / 或者僅僅使用 rbe2

11、粘膠：上、下單元與連接零件節(jié)點(diǎn)對齊，用實(shí)體單元 adhensive

13、集中質(zhì)量采用 MASS 質(zhì)點(diǎn)；

14、接觸厚度（干涉檢查）

15、每個零件要進(jìn)行法向、自由邊檢查，法向一致，不能有自由邊；

16、儀表板、閉合件內(nèi)飾的卡扣采用 RBE2 模擬。

經(jīng)過以上處理，可以得到未經(jīng)連接的有限元模型，此時模型中每一個零部件都是獨(dú)立存在的，尚未簡歷連接關(guān)系，如下圖所示：

二、模型裝配連接

通過分析數(shù)模的結(jié)構(gòu)組成及各部件的作用進(jìn)而決定對部件的保留、簡化、和連接關(guān)系，在盡可能保證仿真精度的情況下，通過簡化減少網(wǎng)格的數(shù)量同時提高網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算效率，但是零部件之間的連接關(guān)系能夠?qū)Ψ抡娼Y(jié)果起到很大作用和影響，因此需要準(zhǔn)確對模型進(jìn)行連接設(shè)置。下圖是連接后的模型。常見的連接包括焊點(diǎn)、膠粘、縫焊和螺栓。

三、有限元邊界條件設(shè)置

為了使仿真結(jié)果更加合理，有限元模型必須建立科學(xué)的邊界條件。主要有以下邊界條件：約束（單點(diǎn)約束?SPC、多點(diǎn)約束 MPC）等、載荷（集中力、均布力、力矩）等。

四、 仿真分析

以 Nastran 軟件作為模態(tài)、剛度、強(qiáng)度和振動分析仿真工具，以 Femfat 軟件作為電池包振動疲勞仿真工具，建立有限元仿真分析模型，最終使用 Hyperview 軟件實(shí)現(xiàn)了對汽車零部件模態(tài)、剛度、強(qiáng)度和振動疲勞等工況分析結(jié)果查看。

五、 案例截圖

1、前懸架約束模態(tài)（如下圖）：

2、白車身自由模態(tài)分析（如下圖）：

3、車門約束模態(tài)分析車門扭轉(zhuǎn)、窗框和安裝點(diǎn)剛度分析（如下圖）

4、白車身剛度分析含剛度曲線繪制（如下圖）

5、液壓工作臺強(qiáng)度分析（重力場）（如下圖）

6、液壓拖撐支架強(qiáng)度分析（集中力）（如下圖）

7、重卡空調(diào)支架頻率響應(yīng)強(qiáng)度分析（頻響強(qiáng)度）（如下圖）

8、下擺臂強(qiáng)度分析（慣性釋放）（如下圖）

9、動力電池包隨機(jī)振動分析和動力電池包振動疲勞分析（振動疲勞）（如下圖）

10、前懸架瞬態(tài)響應(yīng)分析和前縱梁屈曲分析（瞬態(tài)響應(yīng)和屈曲分析）（如下圖）