有限元仿真技術(shù)能夠有效縮短產(chǎn)品開(kāi)制周期、降低開(kāi)發(fā)成本、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，在汽車的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)有限元分析（FEM）已成為一種非常成熟的驗(yàn)證手段。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)有限元分析（FEM）已成為一種非常成熟的驗(yàn)證手段。本文以重型載貨車前下視鏡結(jié)構(gòu)的FEM分析驗(yàn)證為例，對(duì)FEM的分析過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。
在公司建立CAE分析標(biāo)準(zhǔn)后，我們利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)早期的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證分析，發(fā)現(xiàn)很多產(chǎn)品存在著設(shè)計(jì)缺陷，為優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量提供了有力依據(jù)。下面，我們以視鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹一下FEM的分析過(guò)程。
根據(jù)用戶使用需要，我公司對(duì)前下視鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)更改。為了在早期預(yù)測(cè)該結(jié)構(gòu)的可靠性，避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)計(jì)試制過(guò)程，采用CAE方法對(duì)其可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)是必要的。在實(shí)際使用過(guò)程中，該結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的問(wèn)題有剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)，需對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)、動(dòng)響應(yīng)和靜態(tài)強(qiáng)度的分析。
模態(tài)分析
1. 分析目的
了解前下視鏡的固有特性，主要考察低階模態(tài)固有頻率及振型，從而定性分析前下視鏡的可靠性。
2. 前處理
將三維幾何模型導(dǎo)入有限元軟件中，如圖1所示。
圖1 裝配體幾何模型
（1）建立有限元網(wǎng)格模型：分析前下視鏡總成的結(jié)構(gòu)，支架是影響前下視鏡能否穩(wěn)定工作的主要結(jié)構(gòu)。因此，只要對(duì)支架結(jié)構(gòu)做有限元分析，將前下視鏡作為集中質(zhì)量單元來(lái)處理。用四邊形殼單元對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，單元尺寸5mm，得到的有限元模型，如圖2所示。
圖2 有限元模型
（2）主要參數(shù)與材料常數(shù)見(jiàn)表1。
表1 材料常數(shù)表
（3）邊界條件施加：約束支架安裝孔中心節(jié)點(diǎn)所有自由度。
（4）計(jì)算結(jié)果及分析：前五階模態(tài)結(jié)果見(jiàn)表2。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，前兩階模態(tài)頻率較低，結(jié)構(gòu)的剛度較小，容易發(fā)生低頻強(qiáng)度問(wèn)題而影響總成的可靠性。為此，需要進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)響應(yīng)分析以確定支架的可靠性。
表2 模態(tài)計(jì)算結(jié)果
頻響分析
1. 計(jì)算目的
根據(jù)公司前下視鏡標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算在0～45Hz頻率和一定振幅的激勵(lì)作用下，結(jié)構(gòu)的位移和關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)情況。
2. 前處理
使用模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行頻響分析，在支架的安裝固定點(diǎn)施加Z方向和Y方向的位移激勵(lì)函數(shù)，計(jì)算在0～45Hz范圍內(nèi)下視鏡處的位移和關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)。
3. 計(jì)算結(jié)果及分析
低頻激勵(lì)下位移關(guān)鍵點(diǎn)和應(yīng)力關(guān)鍵點(diǎn)如圖3所示。圖4為位移關(guān)鍵點(diǎn)p3在施加兩個(gè)方向激勵(lì)情況下的位移響應(yīng)，圖5、圖6分別為位移關(guān)鍵點(diǎn)p1和p2在施加Z方向和Y方向激勵(lì)情況下的應(yīng)力響應(yīng)。
圖3 關(guān)鍵位置示意圖
圖4 p3點(diǎn)位移響應(yīng)
圖5 p1點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)
圖6 p2點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)
因Z方向的激勵(lì)是整車振動(dòng)的主要方向，以下對(duì)Z方向激勵(lì)作用下的響應(yīng)進(jìn)行討論。
從圖4來(lái)看，位移最大值和應(yīng)力最大值均發(fā)生在共振頻率處，當(dāng)施加Z方向激勵(lì)，頻率為16Hz和25Hz時(shí)，p3點(diǎn)最大位移達(dá)到29.72mm和77mm。根據(jù)公司前下視鏡的安裝標(biāo)準(zhǔn)，該后視鏡位移響應(yīng)已超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍，結(jié)論是該結(jié)構(gòu)不符合要求。
圖5顯示在兩個(gè)出現(xiàn)共振峰的頻率下，p1點(diǎn)最大應(yīng)力分別達(dá)到336MPa和690MPa，均超過(guò)材料的屈服極限。圖6顯示p2點(diǎn)最大應(yīng)力分別為30MPa和557MPa。在25Hz激勵(lì)頻率下，p2點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)材料屈服極限。
靜力學(xué)分析
1. 分析目的
根據(jù)公司標(biāo)準(zhǔn)，考察結(jié)構(gòu)在受到大的加速度載荷時(shí)，強(qiáng)度是否能滿足要求。
2. 前處理
在進(jìn)行模態(tài)分析的有限元模型上進(jìn)行靜力學(xué)分析，約束支架安裝固定點(diǎn)全部自由度，并根據(jù)公司標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)施加方向?yàn)?/SPAN>Z、大小為5g的重力加速度載荷。
3. 計(jì)算結(jié)果及分析
圖7顯示p1點(diǎn)的等效應(yīng)力最大，達(dá)到174.5MPa，小于材料的屈服極限。但若考慮疲勞破壞，該處仍是比較危險(xiǎn)的。
圖7 等效應(yīng)力解
結(jié)論
通過(guò)對(duì)模態(tài)、動(dòng)響應(yīng)分析和靜力學(xué)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，我們確定，前下視鏡結(jié)構(gòu)件不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)修改結(jié)構(gòu)以提高其剛度和強(qiáng)度。實(shí)踐表明，在前下視鏡結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化過(guò)程中，FEM能夠充分滿足對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)分析和質(zhì)量改善的需求。
（轉(zhuǎn)載）
