CAE在汽車NVH方面的應(yīng)用PPT課件

1、內(nèi)容綱要 一、CAE與FEM 二、CAE在汽車NVH方面的應(yīng)用 三、我研究生階段的工作第1頁/共45頁一、 CAE與FEM1、CAE概念 Computer Aided Engineering, 即計算機(jī)輔助工程。用計算機(jī)對工程和產(chǎn)品的功能、性能、安全可靠性等進(jìn)行計算、分析、優(yōu)化設(shè)計，對其未來的工作狀態(tài)和運行行為進(jìn)行模擬仿真，以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計方案，證實未來工程/產(chǎn)品的各項性能是否達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。第2頁/共45頁CAEFEMBEMSEAMB一、 CAE與FEM第3頁/共45頁2、FEM概念 Finite Element Method, Finite Element Method,

2、即有限單元法。是對物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是對真實情況的數(shù)值近似。通過劃分單元，求解有限個數(shù)值來近似模擬真實環(huán)境的無限個未知量。歷史典故有限元法最早源于航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析。1965年，津基藏(O.C.Zienkiewicz)等人將該法加以推廣，宣布有限單元法適用于所有按變分形式進(jìn)行計算的場問題，使有限元法得到廣泛地推廣和應(yīng)用。定義一、 CAE與FEM第4頁/共45頁真實系統(tǒng)有限元模型 有限元模型 是真實系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象。定義一、 CAE與FEM第5頁/共45頁節(jié)點: 空間中的坐標(biāo)位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。單元: 一組節(jié)點自由度間相互作用的數(shù)值、矩陣 描述

3、（稱為剛度或系數(shù)矩陣)。單元有線、 面或?qū)嶓w以及二維或三維的單元等種類。有限元模型由一些簡單形狀的單元組成，單元之間通過節(jié)點連接，并承受一定載荷和約束。載荷約束一、 CAE與FEM第6頁/共45頁.常用單元的形狀點 (質(zhì)量)線(彈簧，梁，桿，間隙)面 (薄殼, 二維實體,軸對稱實體)線性二次體(三維實體)線性二次. . .一、 CAE與FEM第7頁/共45頁自由度(DOFs) 用于描述一個物理場的響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu) DOFs 結(jié)構(gòu) 位移 熱 溫度 電 電位 流體 壓力 磁 磁位 方向 自由度ROTZUYROTYUXROTXUZ定義一、 CAE與FEM第8頁/共45頁3、FEM計算思路物體離散化分析

4、對象機(jī)構(gòu)，建筑，單個零件，機(jī)械系統(tǒng)，聲場，電磁場離散成各種單元組成的計算模型。連續(xù)問題，變成離散問題；無限自由度問題，變成有限自由度問題。計算結(jié)果是實際情況的近似。單元特性分析選擇位移模式分析單元的力學(xué)性質(zhì)計算等效節(jié)點力單元組集求解未知節(jié)點位移利用平衡邊界條件把各單元重新連接起來，形成整體有限元方程一、 CAE與FEM第9頁/共45頁4、CAE基本流程前處理：建模，單元選擇和設(shè)置，材料定義，截面定義，網(wǎng)格劃分等，添加邊界條件等分析計算：靜力分析，接觸分析，瞬態(tài)分析，模態(tài)分析，諧波分析，譜分析，聲學(xué)分析，熱分析，電磁場分析等后處理：提取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)運算，繪制曲線、云圖，計算結(jié)果評價，導(dǎo)出數(shù)據(jù)等一、

5、 CAE與FEM第10頁/共45頁建立模型：（有限元分析的關(guān)鍵）步驟：（1）抽象物理模型：靜力學(xué)、動力學(xué)、聲學(xué)等（2）幾何模型：點、線、面、實體（3）有限元（邊界元）模型具體化的、可視化、形象化的數(shù)學(xué)模型。F前處理過程Objective一、 CAE與FEM第11頁/共45頁建模方法：實體建模和直接生成對于龐大或復(fù)雜的模型，特別是對三維實體模型更合適。相對而言需要處理的數(shù)據(jù)少一些支持使用布爾運算以順序建立模型便于使用優(yōu)化設(shè)計功能能使用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分便于進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化便于改變單元類型實體建模的缺點：需要人工參與進(jìn)行幾何簡化、清理和修改，使模型便于網(wǎng)格劃分。對于小型、簡單模型有時很繁瑣，比直接生成

6、需要更多的數(shù)據(jù)。在特定條件下可能會失?。ǔ绦虿荒苌捎邢拊W(wǎng)格）實體建模的優(yōu)點：一、 CAE與FEM第12頁/共45頁對小型或簡單模型的生成較方便使分析人員能完全控制模型幾何形狀及每個節(jié)點和單元的編號除最簡單的模型外往往比較耗時不能用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分使優(yōu)化設(shè)計變得不方便改進(jìn)網(wǎng)格劃分十分困難劃分網(wǎng)格過程中容易出錯直接生成的缺點：直接生成的優(yōu)點：一、 CAE與FEM第13頁/共45頁單元選擇：單元庫質(zhì)量單元彈簧單元梁單元殼單元實體單元流體單元模擬對象質(zhì)量部件彈性部件桿、梁狹長件薄殼部件所有分析對象空氣、水Mass21Combin14Beam4、Beam44、Beam188Shell63、Shell1

7、63Solid45、Solid92、Solid95合理選擇根據(jù)分析目標(biāo)、對象幾何特性、物理特性、精度要求、簡化原則來合理選擇Objective一、 CAE與FEM第14頁/共45頁準(zhǔn)則 在結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)決定單元類型的選擇。 選擇維數(shù)最低的單元去獲得預(yù)期的結(jié)果 (盡量做到能選擇點而不選擇線，能選擇線而不選擇平面，能選擇平面而不選擇殼，能選擇殼而不選擇三維實體). 對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)考慮建立兩個或者更多的不同復(fù)雜程度的模型。你可以建立簡單模型，對結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)或采用不同分析選項作實驗性探討。 在許多情況下，相同的網(wǎng)格劃分，采用更高階類型的單元可以得到更好的計算結(jié)果，但計算時間會增加。單元

8、選擇準(zhǔn)則：一、 CAE與FEM第15頁/共45頁材料定義：彈性模量、密度、阻尼截面定義：梁單元截面(標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn))、殼單元截面。網(wǎng)格劃分:根據(jù)分析問題的不同，分析對象的不同，分析精度要求的不同，網(wǎng)格劃分的要求也不同。包括：自由劃分和映射劃分。網(wǎng)格類型：三角形、四邊形、四面體、塊（三菱柱和六面體）網(wǎng)格。評價指標(biāo)：三角形 四邊形Element LengthInterior AngleAspect RatioSkew AngleWrap AngleChordal Deviation一、 CAE與FEM第16頁/共45頁網(wǎng)格類型的選擇：針對平面或者三維殼體分析模型而言，四邊形單元和三角形單元是有差別的

9、，下表列出了這些差異。一、 CAE與FEM第17頁/共45頁實際工程中很少采用全三角形單元網(wǎng)格劃分，給面進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分的實質(zhì)問題是允許模型中哪些地方、存在多少三角形單元網(wǎng)格。實際上，各處存在三角形單元會相當(dāng)麻煩，但是應(yīng)當(dāng)仔細(xì)思考下列問題:如果采用更高階單元，三角形單元的計算精度接近于二次單元。所以，全部采用二次單元網(wǎng)格也是沒有什么理由的。如果采用線性單元，三角形單元就十分糟糕- 但是，不這樣會使四邊形單元網(wǎng)格扭曲。除了重要的結(jié)構(gòu)外，大部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分允許包含少數(shù)三角形單元網(wǎng)格 。一、 CAE與FEM第18頁/共45頁對三維實體分析模型而言，六面體單元和四面體單元是的差別如下表一、 CAE與

10、FEM第19頁/共45頁建立三維實體模型需要作出下列選擇：使用四面體單元劃分網(wǎng)格采用簡便方法建立實體模型。選用二次單元或者 p單元?；?者使用塊單元劃分單元網(wǎng)格選用塊單元網(wǎng)格建立實體模型。通常需要花費更多時間和精力。劃分子區(qū)域連接處理延伸采用任何塊單元。一、 CAE與FEM第20頁/共45頁單元尺寸的控制：單元尺寸越小，網(wǎng)格就越密，分析精度就越高，但分析時間也就越長，占用存儲空間也越大。缺省單元尺寸設(shè)置全局單元尺寸使用智能網(wǎng)格尺寸指定關(guān)鍵點附近的單元尺寸指定線上單元尺寸或劃分?jǐn)?shù)Objective一、 CAE與FEM第21頁/共45頁添加邊界條件：（有限元分析的難點）在關(guān)鍵點處約束幾何模型沿線均

11、布的壓力在關(guān)鍵點加集中力在節(jié)點處約束FEM模型沿單元邊界均布的壓力在節(jié)點加集中力 模擬實際工況對模型施加載荷和添加約束（可在幾何模型或 FEM模型上添加載荷和約束）Objective一、 CAE與FEM第22頁/共45頁載荷分類ObjectiveANSYS中的載荷可分為: 自由度DOF - 定義節(jié)點的自由度（ DOF ） 值 (結(jié)構(gòu)分析_位移、熱分析_ 溫度、電磁分析_磁勢等) 集中載荷 - 點載荷 (結(jié)構(gòu)分析_力、熱分析_ 熱導(dǎo)率、電磁分析_ magnetic current segments) 面載荷 - 作用在表面的分布載荷 (結(jié)構(gòu)分析_壓力、熱分析_熱對流、電磁分析_magnetic

12、Maxwell surfaces等)體積載荷 - 作用在體積或場域內(nèi) (熱分析_ 體積膨脹、內(nèi)生成熱、電磁分析_ magnetic current density等)慣性載荷 - 結(jié)構(gòu)質(zhì)量或慣性引起的載荷 (重力等)第23頁/共45頁靜力分析 用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化。包括線性和非線性分析。模態(tài)分析 用于計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)。譜分析 是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計算由于隨機(jī)振動引起的結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力和應(yīng)變 (也叫作 響應(yīng)譜或 PSD).分析計算（結(jié)構(gòu)分析類型）一、 CAE與FEM第24頁/共45頁諧波分析 確定線性結(jié)構(gòu)對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng).瞬態(tài)分析 確定結(jié)構(gòu)對隨時間

13、任意變化的載荷的響應(yīng). 可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為.屈曲分析 用于計算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀. (結(jié)合瞬態(tài)動力學(xué)分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分析).專項分析 斷裂分析, 復(fù)合材料分析，疲勞分析一、 CAE與FEM第25頁/共45頁結(jié)果文件結(jié)果數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫求解器結(jié)果輸入數(shù)據(jù)一、 CAE與FEM第26頁/共45頁后處理階段提取數(shù)據(jù)任一工況下，任一節(jié)點或單元的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)運算若干組數(shù)據(jù)間的數(shù)學(xué)運算（加減乘除），數(shù)據(jù)的積分、微分、數(shù)乘等繪制曲線一、 CAE與FEM第27頁/共45頁繪制云圖一、 CAE與FEM第28頁/共45頁計算結(jié)果評價導(dǎo)出數(shù)據(jù)一、 CAE與FEM第29頁/共4

14、5頁3、CAE軟件結(jié)構(gòu)分析用常用前后處理器：HyperMesh、MSC/PATRAN、FEMAP等機(jī)構(gòu)分析軟件：ADAMS隱式線性和非線性結(jié)構(gòu)分析軟件：ABAQUS、MSC/MARC、ANSYS、ADINA、MSC/NASTRAN、I-DEAS顯式非線性結(jié)構(gòu)分析軟件：LS-DYNA、PAM-CRASH等一、 CAE與FEM第30頁/共45頁計算流體力學(xué)分析軟件：FLUENT、FIRE、SWIFT、FAME專業(yè)噪聲音響分析軟件：SYSNOISE、AutoSEA其他針對具體分析對象的分析軟件：AWS(AVL)一、 CAE與FEM第31頁/共45頁二、CAE在汽車NVH方面的應(yīng)用第32頁/共45頁M

15、TS應(yīng)用實例Idle Shake Prediction for 4 Cylinder Front Wheel Drive Vehicle第33頁/共45頁l For 4 cylinder engine idle shake caused by second order engine firing exciting vehicle bending and steering column modes l Forces are input to vehicle through engine mounts and suspensionl Frequency range of response is t

16、ypically between 20-30 Hz or 600-900 RPMIdle Shake Phenomenon第34頁/共45頁Sub-System Contributionsl High response levels can result from two sourcesl High forces into the body Engine Excitation Engine Mount Stiffnessl Body Dynamics Frequency of body bending and steering column modesIdentify modes that p

17、roduce highest response (A/F)第35頁/共45頁Idle Shake Solution Approachl Vehicle Level Performance MetricsSteering wheel vertical and lateral acceleration Compare response to target levelsl Model FE model of total vehicle Suspension model consists of rigid elements and springs for bushing stiffness Engin

18、e as rigid elements with springs for mountsl AnalysisLoad path analysis to quantify paths Mode shape analysis to identify contributing modesl Sub-system Design Recommendations第36頁/共45頁Baseline Idle Shake Responsel Peak response at 735 RPM(24 Hz) and 910 RPM (30.7 Hz)l Response is above targetl Idle

19、speed range is between 700-900 RPMBaselineTargetSteering Column Vertical ResponseIdle Speed Range第37頁/共45頁Idle Shake Solution Approachl Vehicle Level Performance Metrics Steering wheel vertical and lateral acceleration Compare response to target levelsl Model FE model of total vehicleSuspension mode

20、l consists of rigid elements and springs for bushing stiffness Engine as rigid elements with springs for mountsl Analysis Load path analysis to quantify paths Mode shape analysis to identify contributing modesl Sub-system Design Recommendations第38頁/共45頁Total Vehicle FE Modell Total vehicle model inc

21、ludes 32K elements and 30K nodesl Steering column response predicted for 2nd EO unbalance force and torque fluctuationsl Engine mount forces calculated for idle shake to identify load pathsl Identify modes contributing to response第39頁/共45頁Idle Shake Solution Approachl Vehicle Level Performance Metri

22、cs Steering wheel vertical and lateral accelerationCompare response to target levelsl Model FE model of total vehicleSuspension model consists of rigid elements and springs for bushing stiffness Engine as rigid elements with springs for mountsl Analysis Load path analysis to quantify pathsMode shape

23、 analysis to identify contributing modesl Sub-system Design Recommendations第40頁/共45頁Identify Important Load Pathsl Response due to vertical engine mount forces is the largestl Right Hand engine mount vertical and F/A forces produce the highest responsel RH and FR mount forces produce 75% of response

24、l Reduce RH mount force and sensitivity of steering column response to vertical input at right mountAll Engine MountsRH Mt Fx+FzFR Mt Fx + RH Mt Fx + FzSteering Column Vertical Responsedue to Engine Mounts第41頁/共45頁Identify Contributing Modesl Minimum response between 1st bending and steering column

25、vertical bending model Response is minimized by reducing body bending frequency and increasing steering column vertical bending model After idle speed is set, tune steering column frequency to minimize response Optimum Idle SpeedSteering Column Response Body Bending ModeAll ModesSteering ColumnBending第42頁/共45頁Idle Shake Solution Approachl