電動汽車機械結構的有限元分析方法設計

蔡林

【摘要】隨著經濟的發展，汽車在人們的日常生活中占據越來越重要的位置，電動汽車的機械結構要求也越來越高。本文主要分析了有限元方法，探討了電動汽車機械結構的設計，給出了電動汽車機械結構有限元分析策略。

【關鍵詞】電動汽車 機械結構 有限元法

一、有限元法概況

1.有限元分析方法的原理

有限元法首先應用于結構力學，隨后隨著計算機的發展，它逐漸用于流體力學的數值模擬。在有限元方法中，計算域被離散地劃分為有限數量的相互不重疊和互連的單元，并且在每個單元中選擇基函數。使用元素基函數的線性組合來近似元素中的真實解，整個計算域的整體基函數可以看作由每個元素基函數組成。然后，可以將整個計算域中的解決方案視為由所有元素的近似解決方案組成。在河流數值模擬中，常用的有限元計算方法是Ritz方法和Galerkin方法，由變分法和加權殘值法開發的最小二乘法。根據所使用的權重函數和插值函數，有限元方法也被分成各種計算格式。

從權重函數的選擇，有配置方法，矩量法，最小二乘法和Galerkin方法。除了單元格網格的形狀，還有三角形網格，四邊形網格和多邊形網格。除了插值函數的精度外，它還分為線性插值函數和高階插值函數。不同的組合也形成不同的有限元計算格式。對于權函數，Galerkin方法將權函數作為近似函數中的基函數；最小二乘法是使權重函數等于邊際本身，內積的最小值是代理系數的最小平方誤差；在配置方法中，首先在計算域中選擇N個配置點，讓近似解決方案嚴格滿足所選N個配置點處的微分方程，即，在配置點處使方程余量為0。插值函數通常由不同冪的多項式組成，但也有三角函數或指數函數的乘積表示，但最常用的多項式插值函數。

有限元插值函數分為兩類。另一個不僅需要插值多項式本身，而且還要求其導數值在插值點處取一個已知值，稱為Hermite多項式插值。單位坐標是笛卡爾坐標笛卡爾坐標和無量綱自然坐標，具有對稱性和不對稱性。經常使用的無量綱坐標是局部坐標系，其定義取決于元素的幾何形狀，一個維度作為長度比，兩個維度作為面積比，三個維度作為體積比。在二維有限元中，最早應用三角形單元，近期四邊形等參單元的應用也越來越廣泛。對于二維三角形和四邊形電源單元，常用的插值函數是笛卡爾坐標系中的拉格朗日插值。線性插值函數和二階或更高階插值函數，區域坐標系中的線性插值函數，二階或更高階插值函數。

2.分析方法

（1）物體的離散化，主要是在工程分析過程中，項目的結構被離散化為由不同單元組成的計算模型。各個單元模型通過節點連接，節點的確定由實際變形形式的需要和計算的準確性決定。（2）選擇位移模式為了合理選擇有限元節點，位移法主要是實現計算的自動化，廣泛應用于有限元分析。（3）分析機組的機械結構，合理分析材料的性質，形狀和尺寸。確保每個單元的機械性能滿足汽車機械結構設計的強度和剛度要求。通過元素節點建立整個機械結構的力學方程是很重要的。（4）對等效節點力的計算，在對汽車機械結構進行離散化之后，對于等效的節點力進行確定，保證力的傳遞可以做到準確，不會出現力分布不均衡的情況。

3.應用主要應用在固體力學、流體力學以及熱的傳導、電磁學等方面，在整個汽車機械結構設計中有著很廣泛的應用，可以對汽車機械結構的剛性和強度進行計算，保證汽車運行的安全。

二、電動汽車的機械結構的有限元分析

1.有限元分析一般流程

（1）開發有限元分析程序，包括確定分析的對象，類型和目的。（2）應用于汽車結構模型，汽車結構模型的信息結構，包括CAD模型，材料屬性，載荷條件，邊界約束和連接關系等。（3）通過原型試驗進行有限元模型試驗后，如果試驗結果達到預期效果，則可以確定模型。（4）分析實驗，修改和優化設計結構，歸檔整個有限元分析，完成分析任務。2.汽車機械結構的強度及剛度分析為了保證汽車機械結構的質量，必須對材料的疲勞性能、斷裂韌性以及發生撞車時能夠吸收的能量進行嚴格的分析，保證設計材料的剛性和強度能夠滿足汽車機械設計的要求，如果對于汽車機械結構的設計正確的話，那么汽車機械結構的材料都具有很好的吸收沖擊力的能力，在發生變形的初級階段都可以經過一定的形變對沖擊能量進行吸收。汽車的強度主要在于承受的載荷的大小，一般表示機械結構強度主要是工作應力的峰值，汽車結構的剛度是指汽車在運行過程中允許的形變范圍，是結構的抵抗變形的能力，對于保證乘客的生命安全有著重要的作用。在進行汽車機械結構的設計時對于剛度是整個設計應該注意的主要問題，如果剛度滿足要求，那么強度也可以達到要求。我國對于汽車高強度鋼板的設計要求為，對于普通的高強度鋼板來說，抗拉能力以及屈服強度的要求較低，通過一定的傳統工藝即可將普通強度的鋼板設計成高強度鋼板。對于很多先進的高強度鋼板需要借助先進的設備及相關的工藝方法，才能生產出來。例如，雙相鋼板、復相鋼板等。

3.汽車機械結構有限元的分析過程主要分為四個階段，首先進行樣車的運行試驗以及分析，保證對于整車的結構有一定的了解。其次，進行概念設計，保證有限元模型的設計滿足相應的感念。再者，對于整個設計階段進行合理的劃分，然后對階段進行相關的分析。最后，對于產品的批量生產進行設計的改進，保證汽車機械設計可以滿足運行要求。機械結構的剛性分析應對其力學性能進行有限元分析，以確保有限元輸出預實驗的預期物理量是相同的。對于強度的有限元分析，主要考Mises應力，分析變形能量的分布率和水平。汽車機械結構的抗疲勞能力可以保證滿足車輛運行的要求。

結束語：需要設計電動車輛的機械結構以滿足高壓動力驅動系統所需的強度和振動要求。為確保電動汽車的安全，不會有泄漏，影響駕駛員的安全。在設計過程中使用有限元分析方法進行分析，掌握設計要求以滿足實際設計需求。確保電動汽車機械結構的強度符合要求。在電動汽車機械結構設計技術方面，中國與發達國家之間仍存在一定差距。因此，應在設計中研究先進技術，以促進中國電動汽車產業的發展。

參考文獻：

[1]楊陽.電動汽車機械結構設計及有限元分析[J].上海汽車，2014（02）：3-7.

[2]徐淑靜，黃[J].李占賢等.自由度高速并聯機械手的有限元分析及優化設計[J].中國制造業信息化：學術版，2004（03）：81-83.

[3]陳道輝，鐘博宏.基于有限元分析方法對接地裝置沖擊特性研究[J].電子測量技術，2017（01）：62-66.

[4]鄧宗全.機械設計及機械原理教學改革的理論與實踐[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2002.