《汽车车身结构与设计》教材同步PPT课件

《汽车车身结构与设计》教材同步PPT课件,汽车车身结构与设计,汽车,车身,结构,设计,教材,同步,PPT,课件 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计1.1.了解有限元方法的基本理论；了解有限元方法的基本理论；2.2.了解车身结构有限元建模方法及简化方法；了解车身结构有限元建模方法及简化方法；3.3.掌握车身结构有限元分析方法；掌握车身结构有限元分析方法；4.4.学会车身结构优化设计的基本过程和方法。学会车身结构优化设计的基本过程和方法。知识要点知识要点能力要求能力要求相关知识相关知识有限元基本理有限元基本理论论1.掌握有限元分析方法基本原理掌握有限元分析方法基本原理2.掌握有限元方法的分析过程掌握有限元方法的分析过程有限元软件应用有限元软件应用车身有限元建车身有限元建模方法及简化模方法及简化1.掌握车身有限元的建模方法掌握车身有限元的建模方法2.掌握车身有限元建模的简化原掌握车身有限元建模的简化原则则网格划分、载荷处理、网格划分、载荷处理、结构简化结构简化车身结构优化车身结构优化设计设计掌握结构优化的设计原则掌握结构优化的设计原则目标函数，参数优化目标函数，参数优化汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计7.1 7.1 有限元方法概述有限元方法概述车身开发车身开发CAE思路思路 汽车车身汽车车身CAE的发展状况及有限元方法在车身设计中的应用的发展状况及有限元方法在车身设计中的应用 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计7.1 7.1 有限元方法概述有限元方法概述车身结构设计系统集成框图车身结构设计系统集成框图 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计7.1.1 7.1.1 有限元方法的基本原理有限元方法的基本原理 有有限限元元法法是是求求解解边边值值或或初初值值问问题题，建建立立在在待待定定场场函函数数离离散散化化基基础础上上的的一一种种数数值值方方法法，有有限限元元的的基基本本思思想想是是将将连连续续体体划划分分为为有有限限数数目目的的假假想想单单元元（有有限限元元），它它们们仅仅在在结结点点处处彼彼此此相相连连接接，用用这这些些单单元元的的集集合合模模拟拟或或逼逼近近原原来来的的物物体体，化化无无限限自自由由度度问问题题为为有有限限自自由由度度，然然后后利利用用各各单单元元内内光光滑滑但但在在整整个个连连续续体体内内连连续续而而且且分分段段光光滑滑的的近近似似函函数数来来分分片片逼逼近近整整个个连连续续域域上上的的未未知知场场函函数数，如如应应力力场场、位位移移场场。有有限限元元分分析析的的基基本本概概念念是是用用较较简简单单的的问问题代替复杂问题后再求解。题代替复杂问题后再求解。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计有限元方法基本步骤有限元方法基本步骤1 1）建模）建模2 2）前处理）前处理3 3）计算）计算4 4）结果分析）结果分析有限元方法求解基本步骤有限元方法求解基本步骤1）问题及求解域定义）问题及求解域定义 2）将连续体模型转化为离散模型即求解域离散化）将连续体模型转化为离散模型即求解域离散化3）选择位移函数）选择位移函数 4）推导单元刚度矩阵和方程）推导单元刚度矩阵和方程 5）组装单元方程，得到总体方程，引入边界条件，并求解）组装单元方程，得到总体方程，引入边界条件，并求解 6）联立方程组求解得到结点位移）联立方程组求解得到结点位移 7.1.2 7.1.2 有限元方法求解基本步骤有限元方法求解基本步骤汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计7.1.3 有限元软件简介有限元软件简介1.有限元理论简述有限元理论简述有限元法的基本思想是将一个实际的结构有限元法的基本思想是将一个实际的结构(弹性连续体弹性连续体)划分为有划分为有限大小的，有限个数的单元组合体进行研究。限大小的，有限个数的单元组合体进行研究。2.ANSYS简介简介我国引进的几个主要有限元软件我国引进的几个主要有限元软件:SAP程序系统程序系统、ADINDA/ADINT、NASTRAN、ANSYS程序系统程序系统、ASKAT程程序系统序系统、GTSRUDL程序系统程序系统 等。等。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计有限元软件设计流程框图有限元软件设计流程框图 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计几何建模几何建模1.1.前处理模块前处理模块7.1.4 有限元软件分析基本过程有限元软件分析基本过程单元类型选择单元类型选择网格划分网格划分材料类型选择材料类型选择载荷处理：集中载荷、分布载荷载荷处理：集中载荷、分布载荷汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计2.分析计算模块分析计算模块 (SOLUTION)(SOLUTION)3.后处理模块后处理模块(POSTProcessor)(POSTProcessor)通用后处通用后处理理时间历程时间历程后处理后处理汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计可可视视化化计计算算结果输出结果输出4三维三维CAD求解器求解器前、后处理前、后处理1建建立立三三维维几几何模型何模型输输出出Parametric Solid格格式文件式文件3传递计算结果传递计算结果2递交计算文件递交计算文件汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计7.2.1 车身建模的简化原则车身建模的简化原则 1)1)结构简化结构简化 2)2)结点的简化结点的简化 )单元类型的选取单元类型的选取 7.2 车身有限元模型的建立车身有限元模型的建立单单元元类类型型在在车车身上的身上的应应用用举举例例质质量量单单元（元（MassMass）被省略部分的重量（如被省略部分的重量（如发动发动机、行李、乘机、行李、乘员员等）等）梁（梁（BeamBeam）承受弯曲承受弯曲载载荷的荷的细长结细长结构、如底板下横梁、构、如底板下横梁、车车架梁等、点架梁等、点焊焊、复合材料板的加、复合材料板的加强强筋筋弹弹簧（簧（SpringSpring）模模拟悬拟悬架或架或发动发动机支撑的机支撑的刚刚度特性度特性杆（杆（BarBar）承受拉伸承受拉伸载载荷的荷的细长结细长结构，如某些限位构，如某些限位约约束可束可简简化化为刚为刚性杆，性杆，车车骨架在拓扑骨架在拓扑优优化化设计设计等等壳壳单单元（元（ShellShell）车车身冲身冲压压件件体体单单元（元（SolidSolid）螺栓、螺栓、发动发动机等机等车身建模常用的有限单元类型车身建模常用的有限单元类型 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计4)单元数量的控制单元数量的控制 5)连接方式的模拟连接方式的模拟 6)翻边的处理翻边的处理 7)载荷和约束的模拟载荷和约束的模拟 7.2 车身有限元模型的建立车身有限元模型的建立 总之，有限元计算模型必须具有足够的准确性，要能反映车身的总之，有限元计算模型必须具有足够的准确性，要能反映车身的实际结构。既要考虑实际结构与所建模型的一致性，又要考虑支撑实际结构。既要考虑实际结构与所建模型的一致性，又要考虑支撑情况和边界约束条件的一致性，还要考虑载荷和实际情况的一致性。情况和边界约束条件的一致性，还要考虑载荷和实际情况的一致性。同时，计算模型要具有良好的经济性。同时，计算模型要具有良好的经济性。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计7.2.2 车身有限元分析难点及解决方法车身有限元分析难点及解决方法 为保证较高的计算精度，建立的车身有限元模型要能如实反映车为保证较高的计算精度，建立的车身有限元模型要能如实反映车身实际结构的重要力学特性。有限元分析计算结果的可信度高低，身实际结构的重要力学特性。有限元分析计算结果的可信度高低，直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程结构力学特性直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程结构力学特性符合程度的影响，若有失误则会造成很大误差，严重时将使计算、符合程度的影响，若有失误则会造成很大误差，严重时将使计算、分析失败。分析失败。在车身有限元分析中需注意以下几个问题在车身有限元分析中需注意以下几个问题：1）复杂曲面网格的划分）复杂曲面网格的划分 2）边界条件的设定）边界条件的设定 3）试验与分析结果的误差分析）试验与分析结果的误差分析 7.2 车身有限元模型的建立车身有限元模型的建立汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计汽车结构有限元分析的应用主要涉及以下内容汽车结构有限元分析的应用主要涉及以下内容 ：（1 1）可靠性）可靠性:在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度、稳定性以及疲劳寿命进行分析；强度、稳定性以及疲劳寿命进行分析；（2 2）安全性：研究结构耐撞性与乘员安全性等；）安全性：研究结构耐撞性与乘员安全性等；（3 3）经济性：研究结构优化及轻量化等；）经济性：研究结构优化及轻量化等；（4 4）舒适性：进行结构噪声振动分析等。）舒适性：进行结构噪声振动分析等。7.3 有限元法在车身结构分析中的应用有限元法在车身结构分析中的应用汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计7.3 有限元法在车身结构分析中的应用有限元法在车身结构分析中的应用有限元分析流程简图有限元分析流程简图 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计【案例分析案例分析】1.建立车身骨架几何模型建立车身骨架几何模型汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计通过“另存为”保存为中间格式，即igs文件。用ANSYS命令GUI:FileRead Input From.读入该文件即可完成模型导入。2.2.几何模型的导入几何模型的导入汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计1）ANSYS提供了提供了3种网格划分的方法，它们分别是种网格划分的方法，它们分别是:自由网格划分、自由网格划分、对应网格划分、对应网格及自由网格混合划分。对应网格划分、对应网格及自由网格混合划分。2）为了进行分区域处理，将建立组件，以方便单元截面的指定和）为了进行分区域处理，将建立组件，以方便单元截面的指定和后面的加载后面的加载3.单元网格划分单元网格划分汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计车身骨架有限元模型车身骨架有限元模型信息：信息：691个点；个点；1153条线；条线；3963个节点；个节点；3616个个beam单元；单元；连接处采用节点耦合。连接处采用节点耦合。4.最终有限元模型最终有限元模型汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计【案例案例1】白车身的有限元建模白车身的有限元建模 白车身选用壳单元，以四边形单元为主，且尽量采用矩形单元，网格尽量白车身选用壳单元，以四边形单元为主，且尽量采用矩形单元，网格尽量均匀，在过渡区可以使用三角形单元。均匀，在过渡区可以使用三角形单元。车身有限元模型及车身部件有限元模型车身有限元模型及车身部件有限元模型 整车有限元模型整车有限元模型汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计Pro/E环境下的客车车身骨架几何模型环境下的客车车身骨架几何模型 ANSYS环境下的客车车身有限元模型环境下的客车车身有限元模型【案例案例2】客车车架的有限元建模客车车架的有限元建模汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计边界条件为边界条件为:约束前轮装配位置处节点的三个平动自由度约束前轮装配位置处节点的三个平动自由度UX,UY,UZ，从而释，从而释放三个转动自由度放三个转动自由度ROTX,ROTY,ROTZ;约束后轮装配位置处节点约束后轮装配位置处节点的垂直方向自由度的垂直方向自由度UZ释放其它自由度。释放其它自由度。右图为水平弯曲工况边右图为水平弯曲工况边界加载示意图界加载示意图7.3.2 有限元法在车身强度和刚度分析中的应用有限元法在车身强度和刚度分析中的应用【案例案例1】水平弯曲工况水平弯曲工况 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计主要载重质量及加载方式主要载重质量及加载方式加载界面加载界面汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计水平弯曲工况下客车最大变形水平弯曲工况下客车最大变形产生在车身后部，如图所示，产生在车身后部，如图所示，其最大变形量为其最大变形量为6.629 mm水平弯曲工况下的高应力区，水平弯曲工况下的高应力区，主要分布在发动机支撑梁上，主要分布在发动机支撑梁上，如图所示，应力值为如图所示，应力值为111MPa。水平弯曲工况结果分析水平弯曲工况结果分析汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计边界条件为边界条件为:约束左约束左(右右)前轮装配位置处节点的三个平动自由度前轮装配位置处节点的三个平动自由度UX,UY,UZ,释放转动自由度释放转动自由度ROTX,ROTY,ROTZ;释放右释放右(左左)（右为（右为Y正方向）前轮装配位置处节点的所有自由正方向）前轮装配位置处节点的所有自由度度;约束后轮装配位置处节点的垂直方向自由度约束后轮装配位置处节点的垂直方向自由度UZ，释放其它所有自由度，释放其它所有自由度。右图为极限扭转右图为极限扭转工况边界加载示工况边界加载示意图意图【案例案例2】扭转工况扭转工况汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计扭转工况结果分析扭转工况结果分析扭转工况下客车最大变形产生扭转工况下客车最大变形产生在顶棚与右前部，如图所示，在顶棚与右前部，如图所示，其最大变形量为其最大变形量为19.857 mm。扭转工况下的高应力区，主要分扭转工况下的高应力区，主要分布在车身前部与前悬纵梁交汇处，布在车身前部与前悬纵梁交汇处，如图所示应力值为如图所示应力值为139MPa。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计转弯工况下客车最大变形产生在车转弯工况下客车最大变形产生在车身后部，如图所示，其最大变形量身后部，如图所示，其最大变形量为为21.108 mm21.108 mm。转弯工况下的高应力区，主要分布在转弯工况下的高应力区，主要分布在后悬架部与左侧梁连接处，如图所示，后悬架部与左侧梁连接处，如图所示，应力值为应力值为122MPa122MPa。【案例案例3】紧急转弯工况紧急转弯工况汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计制动工况下客车最大变形产制动工况下客车最大变形产生在车身后部，如图所示，生在车身后部，如图所示，其最大变形量为其最大变形量为6.823 mm。如图所示，车身骨架最大应如图所示，车身骨架最大应力值为力值为121MPa.发生在后悬发生在后悬架大纵梁与垂直加强板连接架大纵梁与垂直加强板连接处处。【案例案例4】紧急制动工况紧急制动工况汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计7.3.3 有限元方法在车身模态分析中的应用有限元方法在车身模态分析中的应用 模态分析主要用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性模态分析主要用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型固有频率和振型)。骨架作为客车车身结构的基础，其振动特性的好坏对车身结构骨架作为客车车身结构的基础，其振动特性的好坏对车身结构乃至整车性能都有非常重要的影响，必须对客车进行模态分析。乃至整车性能都有非常重要的影响，必须对客车进行模态分析。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计1阶 振型图2阶 振型图3阶 振型图4阶 振型图汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计7.3.4 有限元方法在汽车碰撞性分析中的应用有限元方法在汽车碰撞性分析中的应用 汽车碰撞模拟的模型汽车碰撞模拟的模型 模型种模型种类类主要用途主要用途模模拟拟方法方法模模拟拟汽汽车车事故的模型事故的模型模模拟结拟结构大构大变变形的模型形的模型模模拟拟人体整体人体整体动动力性响力性响应应的模的模型型模模拟拟人体局部人体局部结结构的生物力学构的生物力学模型模型碰撞中汽碰撞中汽车车的运的运动动分析分析汽汽车车碰撞中碰撞中车车身身结结构的构的刚刚度、度、强强度、度、变变形分析形分析法法规规中中规规定的人体定的人体伤伤害指害指标标的的确定确定刚刚体分析方法体分析方法离散参数分析方法，有离散参数分析方法，有限元分析方法，多限元分析方法，多刚刚体分析方法体分析方法有限元分析方法有限元分析方法汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计【案例案例】汽车碰撞模拟分析汽车碰撞模拟分析 车身车身CAD图图 碰撞后的应力图碰撞后的应力图 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计车身车身CAD图及碰撞后的应变图图及碰撞后的应变图 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计车身车身CAD图及碰撞后的图及碰撞后的Von Mises图图 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计7.3.5 有限元方法在车身结构优化分析中的应用有限元方法在车身结构优化分析中的应用 车身优化设计流程图车身优化设计流程图汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构优化分析应考虑的主要方面：车身结构优化分析应考虑的主要方面：1.设计变量设计变量（自变量）：可以是构件长度、截面尺寸、形状、某些点的坐（自变量）：可以是构件长度、截面尺寸、形状、某些点的坐标值等几何量，也可以是重量、惯性矩、力或力矩等物理量，还可以是应标值等几何量，也可以是重量、惯性矩、力或力矩等物理量，还可以是应力、变形、固有频率、效率等代表工作性能的导出量。力、变形、固有频率、效率等代表工作性能的导出量。2.约束条件约束条件：一个可行性设计必须满足某些设计限制条件，这些限制条件：一个可行性设计必须满足某些设计限制条件，这些限制条件称作约束条件称作约束条件。约束又可按其数学表达形式分成等式约束和不等式约束两。约束又可按其数学表达形式分成等式约束和不等式约束两种类型，等式约束就是要求表达式的值为常数，而不等式约束就是要求表种类型，等式约束就是要求表达式的值为常数，而不等式约束就是要求表达式的值或者大于或者小于某常数。达式的值或者大于或者小于某常数。3.目标函数目标函数：是设计变量的函数，即要尽量减小的数值。用它可以评价设：是设计变量的函数，即要尽量减小的数值。用它可以评价设计方案的好坏，所以它又被称作评价函数。目标函数可以是结构重量、体计方案的好坏，所以它又被称作评价函数。目标函数可以是结构重量、体积、功耗、成本或其它性能指标和经济指标等。积、功耗、成本或其它性能指标和经济指标等。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计 以以提提高高整整车车刚刚度度、降降低低车车身身骨骨架架自自重重为为主主要要目目标标，进进行行优优化化分分析，是汽车概念设计阶段的重要内容。析，是汽车概念设计阶段的重要内容。1.采用采用ANSYS软件实现优化的基本过程软件实现优化的基本过程 ANSYSANSYS的的优优化化技技术术是是建建立立在在有有限限元元分分析析基基础础上上，优优化化设设计计之之前前，首首先先要要完完成成该该参参数数化化模模型型的的有有限限元元分分析析，包包括括前前处处理理、求求解解和和后后处处理理。并并将将该该分分析析过过程程作作为为一一个个分分析析文文件件保保存存，以以便便于于优优化化设设计计过过程程的再次利用。的再次利用。7.4 车身结构优化设计车身结构优化设计汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计 （1 1）ANSYSANSYS优化方法优化方法 1 1）零零阶阶方方法法：为为直直接接法法，通通过过调调整整设设计计变变量量的的值值，采采用用曲曲线线拟拟合合的的方方法法去去逼逼近近状状态态变变量量和和目目标标函函数数，可可以以很很有有效效地地处处理理大大多多数的工程问题。数的工程问题。2 2）一一阶阶方方法法：为为间间接接法法，是是基基于于目目标标函函数数对对设设计计变变量量的的敏敏感感程程度度的的方方法法。在在每每次次迭迭代代中中，计计算算梯梯度度确确定定搜搜索索方方向向。由由于于该该方方法法在在每每次次迭迭代代中中要要产产生生一一系系列列的的子子迭迭代代，所所占占用用的的时时间间较较多多，但计算精度较高，适合于精确的优化分析。但计算精度较高，适合于精确的优化分析。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计 （2 2）ANSYSANSYS优化过程优化过程 ANSYSANSYS程程序序提提供供了了一一系系列列的的分分析析评评估估修修正正的的循循环环过过程程，即即对对初初始始设设计计进进行行分分析析，针针对对设设计计要要求求对对分分析析结结果果进进行行评评估估，然然后后修修正正设设计计。这这一一循循环环过过程程重重复复进进行行直直到到所所有有设设计计要要求求都都满满足足要要求为止。求为止。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计ANSYSANSYS软件实现优化软件实现优化方式方式：批处理方式批处理方式APDLAPDL语言语言 GUIGUI交互方式交互方式一般用户一般用户 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计 以以GUIGUI优化方式为例，优化方式为例，进入优化设计器进入优化设计器OPTOPT，执行优化分析过程，执行优化分析过程：首首先先指指定定分分析析文文件件；声声明明优优化化变变量量，包包括括设设计计变变量量、状状态态变变量量和和目目标标函函数数；选选择择优优化化工工具具或或优优化化方方法法；进进行行优优化化分分析析；查查看看优优化化设设计序列结果计序列结果；最后；最后检验设计优化序列。检验设计优化序列。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计ANSYSANSYS优优化化结结果果数数据据库库文文件件Jobname.optJobname.opt中中记记录录有有当当前前的的优优化化环环境境，包括优化变量定义参数、所有优化设置和设计序列集合。包括优化变量定义参数、所有优化设置和设计序列集合。在在优优化化结结果果序序列列中中，完完全全满满足足状状态态变变量量规规定定约约束束条条件件的的结结果果序序列列为为可可行行的的优优化化序序列列，可可行行的的优优化化结结果果序序列列中中包包含含一一个个最最优优设设计计序序列列。在在优优化化结结果果序序列列中中并并不不一一定定所所有有的的结结果果序序列列完完全全满满足足状状态态变变量量规规定定的的约约束束条条件件，这这些些不不满满足足优优化化约约束束条条件件的的优优化化序序列列称称为为不不可可行行的的优优化结果序列。化结果序列。（3）ANSYS优化结果分析优化结果分析汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计2.ANSYS中的优化方法原理中的优化方法原理ANSYSANSYS程序优化工具包括：程序优化工具包括：单步运行法（单步运行法（Single RunSingle Run）随机搜索法（随机搜索法（Random DesignRandom Design）乘子法（乘子法（FractorialFractorial）最优梯度法（最优梯度法（GradientGradient）扫描法（扫描法（DV SweepsDV Sweeps）子问题法（子问题法（Sub-ProblemSub-Problem）一阶优化（一阶优化（First-OrderFirst-Order）用户优化算法（用户优化算法（User OptimizerUser Optimizer）汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计单单步步运运行行法法（Single Single RunRun）每每执执行行一一次次循循环环，实实现现一一次次优优化化循循环环，并并求求出出一一个个FEAFEA解解。通通过过一一系系列列的的单单次次循循环环，每每次次求求解解前前设设定定不不同同的的设设计计变变量量，研研究究目目标标函函数数与与设设计计变变量量的的变变化化关关系系。该该方方法法往往往往为为其其它它优优化化方方法法或或工工具具提提供供一一个个初初始始优优化化序序列列，如如扫描方法或子问题方法等。扫描方法或子问题方法等。ANSYS程序程序常用优化工具：常用优化工具：汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计随随机机搜搜索索法法（Random Random DesignDesign）：需需要要进进行行多多次次循循环环，每每次次循循环环设设计计变变量量随随机机变变化化。用用户户可可以以指指定定最最大大循循环环次次数数和和期期望望合合理理解解的的数数目目。本本工工具具主主要要用用来来研研究究整整个个设设计计空空间间，并并为为以以后后的的优优化化分分析析提提供供初初始始解解。该该方方法法也也可可以以用用来来完完成成一一些些小小的的优优化化设设计计任任务务，例例如如可可以以做做一一系系列列的的随随机机搜搜索索，然然后后通通过过查查看看结结果果来来判判断断当前设计空间是否合理。当前设计空间是否合理。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计一一阶阶优优化化（First-OrderFirst-Order）：使使用用因因变变量量对对设设计计变变量量的的偏偏导导数数，在在每每次次迭迭代代中中，计计算算梯梯度度确确定定搜搜索索方方向向，并并用用线线搜搜索索法法对对无无约约束束问问题题进进行行最最小小化化。因因此此，每每次次迭迭代代都都由由一一系系列列子子迭迭代代组组成成。采采用用该该方方法法需需要要指指定定最最大大迭迭代代次次数数（NITRNITR）、线线搜搜索索步步长长范范围围（SIZESIZE）以以及及设设计变量变化程度的正偏差（计变量变化程度的正偏差（DELTADELTA）。）。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计ANSYSANSYS程序优化工具程序优化工具：子问题法（子问题法（Sub-Problem）的界面的界面汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计列出设计参数集合列出设计参数集合查看要求的设计参数值或范围。查看要求的设计参数值或范围。可以选择只列出优化参数或列出全部参数。可以选择只列出优化参数或列出全部参数。用用 OPLIST OPLIST 命令命令，或或 Design Opt -Design Sets-List Design Opt -Design Sets-List汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计3.有限元方法在车身结构优化分析中的应用有限元方法在车身结构优化分析中的应用 有有限限元元分分析析结结果果仅仅给给出出指指定定的的设设计计是是否否满满足足设设计计目目标标，而而在在实实际际汽汽车车设设计计中中，零零部部件件、车车身身、车车架架等等总总成成的的设设计计往往往往存存在在多多个个可可供供选选择择的的方方案案，优优化化设设计计分析分析是在满足约束的前提下产生最佳设计的可能性。是在满足约束的前提下产生最佳设计的可能性。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构优化分析应考虑的主要方面：车身结构优化分析应考虑的主要方面：1 1）设设计计变变量量：可可以以是是构构件件长长度度、截截面面尺尺寸寸、形形状状等等几几何何量量，也也可可以以是是重重量量、惯惯性性矩矩、力力或或力力矩矩等等物物理理量量，还还可可以以是是应应力力、变变形形、固固有有频频率率等等代代表表工工作作性能的导出量。性能的导出量。2 2）约约束束条条件件：一一个个可可行行性性设设计计必必须须满满足足某某些些设设计计限限制制条条件件，这这些些限限制制条条件件称称作作约约束束条条件件。约约束束又又可可按按其其数数学学表表达达形形式式分分成成等等式式约约束束和和不不等等式式约约束束两两种类型。种类型。3 3）目目标标函函数数：是是设设计计变变量量的的函函数数，即即要要尽尽量量减减小小的的数数值值。用用它它可可以以评评价价设设计计方方案案的的好好坏坏。目目标标函函数数可可以以是是结结构构重重量量、体体积积、功功耗耗、成成本本或或其其它它性性能能指标和经济指标等。指标和经济指标等。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计整车有限元优化流程图整车有限元优化流程图 汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计车身优化设计流程图车身优化设计流程图汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计4.4.基于基于ANSYSANSYS的车身有限元分析及优化设计实例的车身有限元分析及优化设计实例 本例以有限元分析为基础，只考虑在扭转工况下进行截面尺寸的优本例以有限元分析为基础，只考虑在扭转工况下进行截面尺寸的优化问题，选用截面空间尺寸为优化设计变量，有限元模型包括驾驶室化问题，选用截面空间尺寸为优化设计变量，有限元模型包括驾驶室白车身、支架系统、车门和内饰。其中，驾驶室白车身有限元等均为白车身、支架系统、车门和内饰。其中，驾驶室白车身有限元等均为薄壁结构，划分为薄壁结构，划分为4结点或结点或3结点壳单元；前下横梁划分为梁单元；连结点壳单元；前下横梁划分为梁单元；连接支座采用接支座采用4结点或结点或3结点壳单元模拟；分总成内部和各分总成之间使结点壳单元模拟；分总成内部和各分总成之间使用的连接单元为用的连接单元为CWELD单元和单元和BEAM单元。单元。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计4.4.基于基于ANSYSANSYS的车身有限元分析及优化设计实例的车身有限元分析及优化设计实例顶压分析模型及分析结果如图：顶压分析模型及分析结果如图：汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计4.4.基于基于ANSYSANSYS的车身有限元分析及优化设计实例的车身有限元分析及优化设计实例根据列表中所得的设计变量根据列表中所得的设计变量ID号，得到对顶压、后压、前压三种工况号，得到对顶压、后压、前压三种工况灵敏度系数较大的部件：灵敏度系数较大的部件：汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计4.4.基于基于ANSYSANSYS的车身有限元分析及优化设计实例的车身有限元分析及优化设计实例由教材表由教材表7.3可知，对汽车部件厚度做了不同程度的修改：可知，对汽车部件厚度做了不同程度的修改：汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计4.4.基于基于ANSYSANSYS的车身有限元分析及优化设计实例的车身有限元分析及优化设计实例 根据灵敏度系数进行修改后的结构仿真计算结果如课本表根据灵敏度系数进行修改后的结构仿真计算结果如课本表7-4所示。所示。经过轻量化分析之后，驾驶室实现了减轻自重的目的，驾驶室质量由经过轻量化分析之后，驾驶室实现了减轻自重的目的，驾驶室质量由507.4Kg降低至降低至486.4Kg，减重，减重4.1。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计4.4.基于基于ANSYSANSYS的车身有限元分析及优化设计实例的车身有限元分析及优化设计实例根据灵敏度系数进行修改后的结构仿真计算结果根据灵敏度系数进行修改后的结构仿真计算结果汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计4.4.基于基于ANSYSANSYS的车身有限元分析及优化设计实例的车身有限元分析及优化设计实例 通过对驾驶室三种工况下的灵敏度分析，找到对结构强度贡献较大的通过对驾驶室三种工况下的灵敏度分析，找到对结构强度贡献较大的部件，分析结果表明驾驶室的结构强度有所提高，而且轻量化之后，部件，分析结果表明驾驶室的结构强度有所提高，而且轻量化之后，乘员的生存空间也有小幅增加。由此可知，驾驶室经过轻量化分析之乘员的生存空间也有小幅增加。由此可知，驾驶室经过轻量化分析之后，新结构质量减轻了后，新结构质量减轻了21Kg，减重比例为，减重比例为4.1。考虑到改变材料强。考虑到改变材料强度之后会带来一系列的生产问题，比如成本、模具等，此分析并未对度之后会带来一系列的生产问题，比如成本、模具等，此分析并未对驾驶室部件的材料强度进行优化分析。驾驶室部件的材料强度进行优化分析。汽车车身结构与设计多媒体教学系统汽车车身结构与设计汽车车身结构与设计机械工业出版社机械工业出版社第第7 7章章 车身结构有限元建模分析及优化设计车身结构有限元建模分析及优化设计复习与练习题复习与练习题一、简答题一、简答题1简述有限元计算中汽车的受力分析与载荷的处理原则。简述有限元计算中汽车的受力分析与载荷的处理原则。2举例说明汽车结构有限元简化原则。举例说明汽车结构有限元简化原则。3简述应用有限元对汽车结构进行分析时的载荷处理原则。简述应用有限元对汽车结构进行分析时的载荷处理原则。4简述如何应用有限元方法分析车身强度。简述如何应用有限元方法分析车身强度。二、思考题二、思考题查阅资料，说明不同类型的结构单元网格划分标准。查阅资料，说明不同类型的结构单元网格划分标准。三、讨论题三、讨论题以有限元方法分析汽车车架模态为例，简要说明其分析过程。以有限元方法分析汽车车架模态为例，简要说明其分析过程。