本书比较系统地介绍了有限元法的基础理论和基本方法,介绍了单元分析以及结构分析有限元法的实现,阐述了汽车结构有限元分析的内容、流程及方法,论述了汽车结构模型的建立原则、模型验证方法以及结构分析指南,讲述了汽车结构分析的各种实例。本书面向汽车工程,注重理论与实践。
全书共分9章,内容系统完整,以车辆工程等工科专业本科生与研究生为读者对象,亦可供汽车行业从事结构分析的工程技术人员参考。
有限元分析方法作为汽车数字化设计的一项核心技术,不仅可以带来产品竞争力的提升,而且也为企业的自主创新带来了新的契机。随着以有限元法为代表的CAE技术越来越快地融入汽车整个设计流程,各企业在产品设计流程中明确规定了分析环节,规定没有分析的设计不能进入到下一个技术环节,从而真正做到基于分析的设计,实现产品设计的创新。目前有限元法正向着流程化、标准化、规模化、集成化方向发展,分析功能日益全面,应用范围不断扩大。
图书本身需要不断更新,以反映本领域的发展状况,适应汽车工程创新人才培养的教学需求。以有限元技术为代表的现代设计理论与方法已经对产品研发产生了巨大的影响,为了使读者能够学好、用好这一技术,本书比较系统地介绍了有限元基础理论,重点突出在单元分析与有限元法的实现过程上。本书以汽车结构为研究对象,系统阐述了汽车结构有限元分析流程、分析内容与分析实例,重点突出在结构建模方面。本书给出了汽车结构分析指南,为分析设计提供了思路和方法,指出了分析中应注意的问题,强调理论学习、程序运用与工程实践应紧密结合。
本书编写的指导思想与追求的目标是:力求既包含理论知识又具有工程指导意义;既可作为教材,又可作为设计分析的参考书。但是有限元分析的内容十分广泛,本书仍然在许多方面没有论述到,而只重点讨论了结构方面的问题。有限元法具有严密的力学理论基础和可靠的工程应用背景,已经形成了庞大的理论与应用体系,各种著作、教材、文章以及程序难以计数。为了尽量保证本书的系统完整及知识覆盖面,本书参考了大量文献资料,吸收了许多研究成果,有些资料直接索引自网络,在此对这些作者表示衷心感谢,参考文献可能会有所遗漏,在此也表示诚挚的歉意。
如何由传统的依赖于经验设计的简化分析方法过渡到以有限元分析为基础的优化方法,如何做好有限元分析,如何实现产品技术创新。回答这些问题首先要从观念上解决是先做还是先算的理念。有限元分析入门容易,学精很难,而准确分析并指导设计则更需要掌握一定的理论基础与实践经验。学好有限元分析,一半在理论,另一半在实践。建议有限元分析人员要掌握力学分析及有限元法的基本理论,结合所学专业,在利用程序进行分析计算时,要勤于思考、善于思考,对分析的每个环节、对处理的每个数据仔细核对,认真负责。通过本书的学习,可以了解有限元理论,掌握有限元方法。尤其是针对汽车结构,可以了解分析流程、知晓分析对象、掌握建模方法、学习分析准则,使我们在理念上、技术上做好迎接未来分析设计工作挑战的充分准备!
全书共分9章,第1章是有限元法概述,介绍了汽车结构有限元分析的内容和流程;第2章介绍了有限元分析的基础理论;第3~7章全面介绍了有限元法,包括平面问题、单元类型、非线性及动力学问题,详细说明了有限元法的建模与分析过程;第8章与第9章则围绕汽车结构分析各个方面的问题,如分析方案制定、结构简化原则、结构建模方法、结构设计准则、结构分析指南、结构分析实例等,向读者提供汽车结构有限元分析的全面解决方案及一些具有实用参考价值的思路。
汽车结构有限元分析前言考虑到不同层次的读者需求,以及教学时数的限制,教学内容可以结合有限元软件的使用,对相关章节作适当取舍,其余内容可以自行学习。
本书第3章、第7章、9.8节由张代胜教授编写,其余章节由谭继锦执笔,全书由谭继锦统稿,陈朝阳教授认真审阅了全文。编写过程中得到许多同事及历届研究生的帮助,在此谨向他们表示衷心的感谢。限于作者水平,本书肯定存在不足和需要进一步改进之处,竭诚希望广大读者批评指正。
编 者2009年10月于合肥
目 录第1章 绪论11.1 有限单元法的概念1
1.2 汽车结构有限元分析的内容3
1.3 汽车结构有限元分析的流程8
1.4 汽车结构有限元分析实例9
思考题11
第2章 有限元分析的基础理论 12
2.1 有限元分析的弹性力学基础12
2.1.1 空间问题13
2.1.2 平面问题16
2.1.3 弹性力学问题经典解法18
2.1.4 弹性接触问题19
2.1.5 有限元法的变分原理基础21
2.2 弹性小挠度薄板弯曲基本理论22
2.3 动力学问题基本方程25
2.4 塑性力学基础26
思考题30
练习题30
第3章 平面结构问题的有限单元法 32
3.1 平面三角形常应变单元位移模式33
3.2 单元应变和应力34
3.3 单元平衡方程与单元刚度矩阵35
3.4 单元等效节点力37
3.5 整体平衡方程与总刚度矩阵40
3.6 边界条件处理41
3.7 解题步骤与算例42
3.8 计算结果分析46
思考题47
练习题47
第4章 单元类型及单元分析 49
4.1 一维单元分析50
4.1.1 杆单元50
4.1.2 梁单元51
4.2 二维单元分析55
4.2.1 三角形六节点单元55
4.2.2 矩形四节点单元59
4.2.3 曲边等参数单元62
汽车结构有限元分析目录4.3 三维单元分析66
4.3.1 四节点四面体单元66
4.3.2 八节点六面体单元69
4.3.3 20节点六面体等参元70
4.3.4 空间轴对称环形单元73
4.4 板壳单元75
4.4.1 薄板矩形单元75
4.4.2 三角形薄板单元78
4.4.3 矩形平板壳单元80
4.4.4 三角形平板壳单元83
4.5 单元测试与单元精度比较84
4.6 其他各种单元简介85
思考题87
练习题87
第5章 非线性问题的有限单元法 89
5.1 概述89
5.2 弹塑性增量有限元分析90
5.3 几何非线性问题的有限元法91
5.4 接触问题的有限元法93
5.5 非线性问题的基本算法95
思考题98
第6章 动力学问题的有限单元法 99
6.1 动力学有限元分析的基本方程99
6.1.1 一致质量矩阵101
6.1.2 集中质量矩阵101
6.1.3 阻尼矩阵102
6.2 结构的固有频率及振型103
6.3 结构的动力响应104
6.3.1 直接积分法104
6.3.2 振型叠加法105
6.3.3 非线性动力分析的若干问题106
思考题108
练习题108
第7章 结构分析有限元法的实现 109
7.1 概述109
7.2 有限元软件前处理111
7.3 有限元软件计算116
7.4 有限元软件后处理118
7.5 有限元分析的其他一些问题120
7.5.1 网格划分问题120
7.5.2 节点位移约束124
7.5.3 有限元模型的装配126
7.5.4 有限元程序中的材料库128
7.5.5 模型检验与验证及结果评价129
思考题132
练习题132
第8章 汽车结构有限元分析指南 135
8.1 概述135
8.2 汽车结构有限元建模136
8.2.1 制定分析方案136
8.2.2 汽车结构有限元建模137
8.3 单元选用及网格划分标准145
8.4 边界约束条件处理148
8.5 受力分析与载荷处理150
8.6 汽车结构分析指南概要152
思考题159
练习题160
第9章 汽车结构有限元分析实例 161
9.1 汽车结构设计准则与目标161
9.2 汽车结构有限元模型166
9.3 汽车结构强度分析169
9.3.1 汽车桥壳有限元分析169
9.3.2 轿车白车身建模与应力分析174
9.3.3 客车骨架有限元分析175
9.3.4 车架建模及应力分析问题179
9.3.5 应力集中和局部分析180
9.4 汽车结构刚度分析181
9.4.1 轿车车身扭转刚度与弯曲刚度分析181
9.4.2 客车车身变形和车身刚度分析184
9.4.3 车架刚度分析若干问题185
9.5 汽车结构动态分析185
9.5.1 白车身模态分析187
9.5.2 汽车结构动力分析若干问题介绍191
9.6 汽车结构疲劳分析193
9.7 汽车结构碰撞分析196
9.8 汽车结构有限元优化设计200
9.8.1 白车身灵敏度分析202
9.8.2 白车身轻量化设计205
思考题206
参考文献 207