有限元分析技術在汽車零部件設計中應用的策略與路徑

袁潔

1.揚州大學 機械工程學院 江蘇省揚州市 225009 2.江蘇省溧陽中等專業學校 黨政辦公室 江蘇省溧陽市 213300

1 前言

有 限 元 分 析（FEA，Finite Element Analysis）是將某個問題從復雜轉化為簡單，從抽象轉化為具體，從陌生轉化為熟悉，然后再進行求解。在計算過程中，將零件結構有效劃分為有限個節點連接的單元，每個單元使用一個滿足相容條件的簡單位移插值函數，在此基礎上，找到滿足需求的數值分析方法，解決工程實際問題[1]。

在助力實現《中國制造2025》的背景下，規范執行《機械產品結構有限元力學分析通用規則》（GB/T33582-2017)，高效發揮有限元分析在工程領域的重要作用，為改進和優化設計方案提供有效支撐是當前最迫切的工作。在汽車產業轉型升級的當下，有限元分析作為二次創新的推手，要以提升汽車模具制造技術為代表的核心競爭力為目標，增加零件結構設計的可靠性，降低設計風險，剔除人為主觀因素，縮短設計周期。

2 有限元分析與汽車零部件設計的關系

汽車是由多種具有動、靜、熱特性的材料按照符合市場需求的設計方案進行加工、組裝而成的典型機械產品。其零部件的設計要具備高可靠性、高重復性和高完整性。

2.1 汽車零部件設計的主要內容

汽車零部件在設計時，要在滿足形狀設計的前提下確定整車、發動機等各個總成，以及零部件的基本形態，充分考慮汽車的整體布局、尺寸，空氣動力學、性能、制造工藝等方面的性能要求、造型要求和市場要求，選用合適的，符合法律規定的材料，完成零部件之間的相互配合和安裝[2]。

汽車零部件在工作時，部分零部件要單獨或同時承受拉、壓、彎、扭等多種動、靜載荷而導致伸長、縮短、彎曲變形等現象。如汽車變速器傳動軸。因此，在設計時要精細計算零部件的剛性矩陣和等效載荷，盡量提高零部件的力學性能。

2.2 汽車零部件設計采用有限元分析的必要性

隨著汽車技術的發展和市場需求，以靜態、經驗設計等傳統設計方法的局限性日益明顯，有限元分析技術、3D虛擬現實技術[3]的使用給汽車零部件的設計帶來了便捷、高效工作方式。特別是隨著有限元分析技術的逐步完善、規范，所具備的縮短產品設計周期，延長產品生命周期的優勢給中國汽車產業走出寒冬提供了可靠的技術保障。實踐證明，采用有限元分析技術可以改進設計方法和設計思路，使設計流程科學化和現代化。幫助設計人員合理選擇優化方法，提供分析系統解決方案，在不增加結構重量的同時，改善結構的性能，滿足當今汽車行業輕量化發展需求，符合社會發展趨勢。

3 有限元分析技術在汽車零部件設計中的應用過程

采用有限元分析技術對汽車零部件進行建模分析，是一項系統性的工作。在該技術的支持下，將零部件結構的物理力學模型轉換為數學模型，選擇合適的計算程序，并進行前后信息數據的處理，最終獲得應力分布、變形分布、內力分布、固有特性、動態響應等零部件結構的核心數據[4]。利用這些數據就可以對零部件的結構進行相應分析，達到進行結構的最優方案設計和分析結構損壞原因，尋找改進途徑的目的。

3.1 汽車零部件承受載荷、工況、形狀、條件的分析

根據汽車零部件的結構特點，初步建立物理力學模型，包括形狀的簡化、零件之間的連接簡化、支承的簡化、材料的簡化、截面特性的簡化、載荷的分析等。如在對汽車離合器蓋的剛度進行有限元分析時，由于離合器蓋是由材料為0-8F，厚度為4mm的鋼板沖壓而成[5]，其結構為120°旋轉對稱。離合器蓋上諸如凸臺，過渡區圓角，對離合器蓋剛度影響較小的微型孔，以及淺槽或腔等細微結構在分析中是不需要的，在保證與原結構剛度基本吻合的前提下可對其進行特征簡化、特征抑制及特征刪除以減少計算工作量。對直徑較大的圓角通常用折線代替。因為端面對整體結構剛度影響較小，在計算過程中可以將對平面度要求較低的安裝端面近似看作平面，避免因形狀不規則而造成單元劃分的復雜化[6]。

3.2 構建有限元計算模型（網格圖），選擇或編制有限元程序

構建有限元計算模型，就是根據零部件結構特點，確定單元類型，選取節點，形成網格圖，同時選定邊界條件，以及決定載荷的處理[2]，產品在分析建模過程中要充分吸收通過HyperMesh直接建模，將有限元模型導入Mechanical APDL進行簡化等各種知識和經驗，生成最能滿足設計需求的模型及數據文件。整個過程可用FEA Modeling： F =K（S）s*t*rule 1，rule 2，…，rule n表示。式中： F為有限元分析模型及數據文件；K為產生分析模型及數據文件的推理機制；S為待分析產品結構； rule1，rule2，…，rule n為有限元分析建模中的各種規則[7]。

工程結構單元的劃分要根據桿狀、梁柱、殼體和實體等結構形狀來選擇哪種單元[8]。此外還要考慮應力梯度，載荷類型，邊界條件以及所要求的分析精度等。單元生成方法有三種：自由網格、映射網格和人工技術。劃分網格的劃分通常有兩步：首先根據結構體系確定單元的維度和類型參數；其次是將網格建立在幾何體上。例如，汽車離合器蓋的結構大部分是連續的，只有蓋的側面需要安裝傳動片才形成開口。由于應力集中，在開口處形成較大的應力，為顯現出應變的真實變化，此處的單元劃分需要適當密集。其他非重點區域，劃分可粗糙一些(圖1)。

在有限元分析建模過程中，要事先處理或假定載荷、邊界條件，才能滿足真實模擬的需要。要根據工作性質和狀態實情，附加邊界條件，確定加載方案。例如，汽車離合器蓋在工作時受力情況主要包括兩種：第一是離合器接合時，膜片彈簧對離合器蓋的壓緊力，以及傳動片的切向驅動力；第二是在離合器分離時，離合器蓋受到分離軸承帶來的分離力。需要強調的是，離合器蓋自身質量產生的徑向慣性力對其軸向變形的影響可忽略不計。因此，可按照靜力等效的原則，將上述載荷分為接合工況和分離工況移置到相應的結點進行計算[6]。

圖1 離合器蓋有限元模型

3.3 對模型進行有限元計算，判別計算模型的準確性，整理計算結果

對模型進行有限元計算就是在形成總剛度方程并約束處理后求解聯立線性方程組，最終得到節點位移的過程。計算結束后將計算結果與結構通過試驗測量的結果進行比較，當結構的計算模型是正確的，則可加上各種工況載荷進行正式計算。計算結束后，對結果進行整理，從而得到結構的應力圖、變形圖。

汽車零部件有限元模型計算數據分三類。包括溫度場作用下直接得到的模型節點處的應力、內力等節點類數據；單元節點或內部指定處的材料、物理、截面特性等單元類數據；模型單元結果求和得到的整體類數據。在進行有限元計算時，同一模型的單元之間要防止剛度差異過大，要高度關注邊單元和相鄰單元的剛度差異，這樣才能盡量縮小計算誤差和離散誤差，提高計算精度。

例如在有限元計算離合器蓋時，蓋在接合工況下的軸向變形分布條紋如圖2所示。由圖可見，頂面是蓋軸向變形的主要區域，側面、安裝和定位孔的周圍區域位移分布條紋基本沒有，說明該區域產生的變形可忽略不計。外圈軸向變形的量最小，并沿徑向逐步向內增大，沿周向基本保持不變，符合離合器蓋受力實情。相比于接合工況，蓋分離工況時的變形規律保持不變，其變形量僅存在方向與大小的區別[10]。

圖2 離合器蓋結構變形圖

4 結束語

在即將進入“十三五”收官之時，《中國制造2025》對汽車產業的發展提出了明確的要求，有限元分析技術作為應用最為廣泛的有效工具，對提高汽車零部件設計效率有著重大意義，本文作者以汽車離合器蓋為例，針對汽車零部件有限元分析特性，闡述了應用過程，為汽車設計提供依據和指導。