整车结构模态刚强度联合仿真的流程与案例分析

有限元法在机械结构模态、强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而到普遍采用，特别是在材料应力 - 应变的线性范围内更是如此。

主机厂和汽车设计公司通过建立高性能的计算机辅助工程分析系统，其专业 CAE 队伍与产品开发同步地广泛开展 CAE 应用，在指导设计、提高质量、降低开发成本和缩短开发周期上发挥着日益显著的作用。

CAE 应用于车身开发上成熟的方面主要有：模态、刚度、强度、NVH 分析、机构运动分析等；而车辆碰撞模拟分析、金属板件冲压成型模拟分析、疲劳分析和空气动力学分析的精度有进一步提高，已投入实际使用，完全可以用于定性分析和改进设计。

前不久，笔者在仿真秀平台原创首发的整车结构模态刚强度联合仿真，它通过使用 Hypermesh 软件作为有限元前处理工具，以 Nastran 软件作为模态、刚度、强度和振动分析仿真工具，以 Femfat 软件作为电池包振动疲劳仿真工具，建立有限元仿真分析模型，最终使用 Hyperview 软件实现对汽车零部件模态、刚度、强度和振动疲劳等工况结果进行查看和评估，课程讲解详细，有助于学者能够快速掌握有限元学习要点。借此机会和大家分享整车结构模态刚强度联合仿真的流程与案例。

一、几何清理

利用 Hypermesh 软件对模型进行前处理：

对于结构刚强度仿真，模型中的部件等对系统影响较小可舍弃；对于系统影响较大的零件几何特征可以适当简化，如倒角结构、结构对齐等。简化完成后，检查整个模型是否有干涉和其他问题，如有问题，可用 Hypermesh 软件对其进行修复，如无问题，可利用中面抽取工具对模型进行中面抽取。中面抽取后就要进行几何清理：

1、 对螺栓孔周边以及倒角等敏感部位单元边长不小于 3mm,3-5mm 之间的单元数量小于单元总量的 3%，实体单元平均尺寸 3mm(2-4mm)，用六面体单元。

2、 单元质量

整个模型三角形单元数≤15%，除结构限制外，不允许有两个以上三角形单元相邻；

3、 R4 以下的安装孔以 4 个节点模拟，R4 以上的至少 6 节点；

4、 R5 以下倒角忽略，用一层单元表示；宽度大于 8mm，用 2 层以上单元表示；

5、 焊点用 connector 建立，并包含焊接各层的信息，焊接边至少 2 排单元；

6、 焊点各层的节点投影对齐，焊点类型 acm；

7、 焊缝用 rbe2 单元连接，上下两层；

8、 底盘钣金件用 5*5 的 SHELL 建模，单元节点对齐；

9、包边：外包零件和被包零件初始连接处共节点，包边仅有中间一层单元；

10、螺栓连接：RBE2 和 BAR 单元共同模拟 / 或者仅仅使用 rbe2

11、粘胶：上、下单元与连接零件节点对齐，用实体单元 adhensive

13、集中质量采用 MASS 质点；

14、接触厚度（干涉检查）

15、每个零件要进行法向、自由边检查，法向一致，不能有自由边；

16、仪表板、闭合件内饰的卡扣采用 RBE2 模拟。

经过以上处理，可以得到未经连接的有限元模型，此时模型中每一个零部件都是独立存在的，尚未简历连接关系，如下图所示：

二、模型装配连接

通过分析数模的结构组成及各部件的作用进而决定对部件的保留、简化、和连接关系，在尽可能保证仿真精度的情况下，通过简化减少网格的数量同时提高网格质量，提高计算效率，但是零部件之间的连接关系能够对仿真结果起到很大作用和影响，因此需要准确对模型进行连接设置。下图是连接后的模型。常见的连接包括焊点、胶粘、缝焊和螺栓。

三、有限元边界条件设置

为了使仿真结果更加合理，有限元模型必须建立科学的边界条件。主要有以下边界条件：约束（单点约束 SPC、多点约束 MPC）等、载荷（集中力、均布力、力矩）等。

四、 仿真分析

以 Nastran 软件作为模态、刚度、强度和振动分析仿真工具，以 Femfat 软件作为电池包振动疲劳仿真工具，建立有限元仿真分析模型，最终使用 Hyperview 软件实现了对汽车零部件模态、刚度、强度和振动疲劳等工况分析结果查看。

五、 案例截图

1、前悬架约束模态（如下图）：

2、白车身自由模态分析（如下图）：

3、车门约束模态分析车门扭转、窗框和安装点刚度分析（如下图）

4、白车身刚度分析含刚度曲线绘制（如下图）

5、液压工作台强度分析（重力场）（如下图）

6、液压拖撑支架强度分析（集中力）（如下图）

7、重卡空调支架频率响应强度分析（频响强度）（如下图）

8、下摆臂强度分析（惯性释放）（如下图）

9、动力电池包随机振动分析和动力电池包振动疲劳分析（振动疲劳）（如下图）

10、前悬架瞬态响应分析和前纵梁屈曲分析（瞬态响应和屈曲分析）（如下图）