【CAE】汽车结构有限元分析 第1讲 概述

CAE入门概念介绍1.什么是CAE?CAE（Computer Aided Engineering）──计算机辅助工程，是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

2.为什么要进行CAE分析？CAE分析是采用虚拟分析方法对结构（场）的性能进行模拟（仿真），预测结构（场）的性能，优化结构（场）的设计，为产品研发提供指南，为解决实际工程问题提供依据。

由于汽车在批量生产以后改进设计的成本显著地高于汽车在研发初期改进设计的成本，CAE的模拟分析主要应用在工艺设备、模具和样车制造之前，也就是从汽车产品研发初期就开始用CAE进行模拟分析，及时发现产品设计中的隐患，优化结构设计，提高产品质量，使汽车满足国家的法规和用户的需求。

通过CAE 的优化分析，有关部门可以只对一种较优的设计方案进行试制和试验，减少试制费用，缩短新产品的研发周期，使新产品早日投入市场，增强企业的竞争力。

3. CAE在汽车产品研发中的应用？CAE分析可以对汽车结构的强度、刚度、车辆的振动噪声(NVH)、舒适性(平顺性)、耐久性、多刚体动力学、碰撞、乘员的安全性，以及动力总成(发动机和变速箱)的性能等方面进行模拟(仿真)分析、预测结构(场)的性能、判断设计的合理性、优化结构设计。

4.CAE有哪些软件？CAE软件是结合计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学和现代计算技术，而形成的综合性、知识密集型信息产品。

CAE软件大体可以分为专用和通用两类。

专用软件，即针对特定类型的对象所开发的用于性能分析、预测和优化的软件。

从广义上说，设计人员手头的一些小计算程序都可以认为是专用CAE软件。

通用软件，即可以对多种类型对象的物理、力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件。

通用CAE软件主要指大型通用商业化软件，如线性结构分析软件MSC/NASTRAN，隐式线性和非线性结构分析软件ABAQUS，显式非线性结构分析软件LS-DYNA、PAM-CRASH，用于振动噪声(NVH)分析的LMS软件，多刚体动力学分析软件ADAMS，计算流体力学(CFD)分析软件FLUENT、STAR-CD、FLOW3D、ICEM，模流分析软件MOLDFLOW，用于系统过程集成及优化分析的软件OPTIMUS等。

业务指导书（CAE分册）主编：编委：目录第1节_CAE范围及基本知识简介第2节了解计算中常用的标准及软件第3节CAE在产品研发流程各阶段的主要工作第4节_CAE设计经验汇总第5节计算中难点知识介绍第6节必备资料第1节CAE范围及基本知识简介1.1业务范围CAE 分析目的就是为机车产品的研制提供参考和指导，缩短相关产品的研制周期，降低产品成本，提高产品质量。

CAE 工作主要是应用专业分析软件（ANSYS ，FE-SAFE ，I-DEAS ），对机车零部件进行结构分析、热分析、接触分析、模态分析、优化分析、拓扑优化、疲劳分析。

目前机车主要有这些重要零部件需要分析计算：机车各型柴油机的机体、曲轴、活塞、整体安装架的分析计算，机车转向架构架的分析计算，机车车体结构的分析计算，机车车轴的分析计算等。

（具体涉及到的产品见下图）图1：某车体计算图片 图2：某柴油机机体计算图片图3：某转向架构架计算图片 图4：某柴油机活塞耦合场计算图片图5：某安装架工作时垂向变形图 图6：某车轴工作时垂向变形图图7：某曲轴第4曲柄在工况1时的应力云图1.2 基本知识简介CAE工作简介提出、开发、掌握先进的CAE分析技术，为设计准备和提供必须的设计分析手段与技术。

对设计师在工作中进行CAE分析技术支持、指导、培训，以提高设计师的CAE应用水平。

对外负责进行CAE技术的交流、合作、可行性研究，了解和收集CAE技术的新理论、新方法、新标准。

机车重大产品设计项目中的分析计算工作，负责产品设计方案的对比分析和优化分析，指导并优化产品设计。

负责机车原有产品或零件的校核计算工作，为查找事故原因或进行改进设计提供指导。

参与机车零部件委外计算分析工作，主要负责审核计算分析合同的技术条款和计算分析报告的合理性。

熟悉机车相关产品的结构性能、计算标准，研究并确定计算实施方案。

学习相关业务知识和相关法规，以保证CAE工作的时效性。

我们在做CAE分析的时候必须抱有一定目的。

第一节 有限元分析概述对于一般的工程受力问题，希望通过平衡微分方程、变形协调方程、几何方程和本构方程联立求解而获得整个问题的精确解是十分困难的，一般几乎是不可能的。

随着20世纪五六十年代计算机技术的出现和发展、以及工程实践中对数值分析要求的日益增长，并发展起来了有限元的分析方法。

有限元法自1960年由Clough首次提出后，获得了迅速的发展；虽然首先只是应用于结构的应力分析，但很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学、成形工艺等连续问题。

一、有限元法的基本概念对于连续体的受力问题，既然作为一个整体获得精确求解十分困难；于是，作为近似求解，可以假想地将整个求解区域离散化，分解成为一定形状有限数量的小区域（即单元），彼此之间只在一定数量的指定点（即节点）处相互连接，组成一个单元的集合体以替代原来的连续体，如图7-1弯曲凹模的受力分析所示；只要先求得各节点的位移，即能根据相应的数值方法近似求得区域内的其他各场量的分布；这就是有限元法的基本思想。

从物理的角度理解，即将一个连续的凹模截面分割成图7-1所示的有限数量的小三角形单元，而单元之间只在节点处以铰链相连接，由单元组合成的结构近似代替原来的连续结构。

如果能合理地求得各单元的力学特性，也就可以求出组合结构的力学特性。

于是，该结构在一定的约束条件下，在给定的载荷作用下，各节点的位移即可以求得，进而求出单元内的其他物理场量。

这就是有限元方法直观的物理的解释。

从数学角度理解，是将图7-1所示的求解区域剖分成许多三角形子区域，子域内的位移可以由相应各节点的待定位移合理插值来表示。

根据原问题的控制方程（如最小势能原理）和约束条件，可以求解出各节点的待定位移，进而求得其他场量。

推广到其他连续域问题，节点未知量也可以是压力、温度、速度等物理量。

这就是有限元方法的数学解释。

从有限元法的解释可得，有限元法的实质就是将一个无限的连续体，理想化为有限个单元的组合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题；且在一定的条件下，问题简化后求得的近似解能够趋近于真实解。