在车门系统上应用有限单元法解题的一般步骤

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摘要：车门系统的研究需要在理论上能够建立整个门系统的力学模型，并进行修正优化，得到一系列的技术积累，从根本上解决整车上存在的问题。本文介绍了有限元法分析的一般过程、有限元法的单元类型、坐标变换和总体刚度矩阵、刚度矩阵的求法，为在车门系统上应用有限单元法进行研究提供了解题的步骤。

关键词：车门系统 有限元法 步骤

计算机应用系统通常分为CAD、CAE、CAM等几个方面。CAD主要用于提高产品的设计质量，如造型、装配、制图、平面布置等；CAM主要用来解决产品的加工质量；CAE则借助有限元分析方法，提高产品设计过程中最为重要的性能质量。

在CAE技术中，有限元法（Finite Element Method）是运用最成功、最广泛的一种数值方法。我们在应用有限元法时的基本思路在于将连续的求解区域离散成为一组有限个、能够按照一定方式进行相互之间的联结的单元所组合而成的组合体。这些单元本身便是形状各异的，其通过不同的联结方式予以组合便能够形成模型化几何形状复杂的求解域。当我们在应用有限元法时，其另外一突出的特点便是能够在个体单元内，通过假设一个近似的函数来对全求解域进行分片地表示，以此表示待求的未知场函数，这样便可以将求解连续的问题转换为求解单元内的未知数问题。此时，在单元的数目不断增加的条件下，我们逐渐将近似解向精确解进行收敛。通过采用有限元法针对现有已经设计好的产品的性能进行基本的校核，可实现对产品性能的准确预测，再到对产品工作过程的精确模拟仿真，有限元法和仿真技术发挥了重要作用，得到了人们的普遍信赖。

CAE技术主要包括以下内容：

（1） 以零件为主要对象的有限元法，主要包括包括强度分析、结构刚度非线性以及热场计算等内容；

（2） 以分系统或系统为主要对象的仿真技术，包括流场计算、虚拟样机以及电磁场计算等内容；

（3） 针对结构设计参数进行优化设计。

一、有限元法分析的一般过程

（1） 对结构的特点进行分析

以求解对象为研究对象，针对其形状、边界条件、工作载荷特点等结构特点进行分析。主要采用UG、CATIA等软件来构建对应的物理力学模型，对形状、支承、材料、截面特性进行简化，完成荷载分析，为网格划分和程序选择作好准备。

（2） 完成有限元计算模型。

利用HYPERMESH、I-DEAS等软件，依据结构特点确定相应单元类型，选取节点，然后完成网格图。并以此为据对支承及边界条件进行确定，施加载荷，最终以计算数据文件的形式予以保存。

（3） 指定相关分析选项、类型及参数，然后运用求解程序进行求解。在对相关的分析分析选项及参数进行设置以后，即可调用求解程序开始求解。

在车门系统上常用的有限元程序有NASTRAN、ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA等软件，或编制有限元计算程序。

（4） 后处理分析及计算模型准确性判断。

进行分析结果的后处理之前，需要进入后处理器，读入计算结果文件，在后处理器中，可以观察结构的变形情况和各个物理量的等值线分布。

（5） 修改计算模型。

当误差过大时，就应重新修改甚至更新模型。修改模型可以从单元类型、节点与单元的划分和边界条件着手。

（6） 正式计算及结果整理。

（7） 结构设计方案的修改。

（8） 输出。

二、有限元法的单元类型

有限元法计算时分析对象的不同所采用的单元类型也不同，常见单元有以下几种：

（1） 杆、梁单元（Link Element、Beam Element）。最基本的一维单元，单元内任意点的变形、应力由沿轴线的坐标确定。

（2） 板单元（Plate Element）。其中任意点的变形、应力由XY两个坐标确定。其分为两种单元，一种是三角形单元，另外一种是矩形板单元，是应用范围最广的基本单元，。

（3） 多面体单元（Polyhedral Element），可以分为两种一种是六面体单元（Hexahedral Element），另外一种是四面体单元（Tetrahedron Element）。

（4） 薄壳单元（Shell Element），是一种主要由曲面构成的壳单元。

三、在车门系统中运用有限元法进行解题步骤

1.单元剖分及插值函数的确定

依据构件的载荷情况、几何特性以及其对变形点的要求构建计算模型，然后按单元性质和对于精度的要求，写出表示单元内任意点的位移函数u（x，y，z）， v（x，y，z）， w（x，y，z）或d=S（x，y，z）a。之后根据节点处边界条件，写出的节点位移（以a表示） （1.1）