电动汽车机械结构的有限元分析方法设计

蔡林

【摘要】随着经济的发展，汽车在人们的日常生活中占据越来越重要的位置，电动汽车的机械结构要求也越来越高。本文主要分析了有限元方法，探讨了电动汽车机械结构的设计，给出了电动汽车机械结构有限元分析策略。

【关键词】电动汽车 机械结构 有限元法

一、有限元法概況

1.有限元分析方法的原理

有限元法首先应用于结构力学，随后随着计算机的发展，它逐渐用于流体力学的数值模拟。在有限元方法中，计算域被离散地划分为有限数量的相互不重叠和互连的单元，并且在每个单元中选择基函数。使用元素基函数的线性组合来近似元素中的真实解，整个计算域的整体基函数可以看作由每个元素基函数组成。然后，可以将整个计算域中的解决方案视为由所有元素的近似解决方案组成。在河流数值模拟中，常用的有限元计算方法是Ritz方法和Galerkin方法，由变分法和加权残值法开发的最小二乘法。根据所使用的权重函数和插值函数，有限元方法也被分成各种计算格式。

从权重函数的选择，有配置方法，矩量法，最小二乘法和Galerkin方法。除了单元格网格的形状，还有三角形网格，四边形网格和多边形网格。除了插值函数的精度外，它还分为线性插值函数和高阶插值函数。不同的组合也形成不同的有限元计算格式。对于权函数，Galerkin方法将权函数作为近似函数中的基函数；最小二乘法是使权重函数等于边际本身，内积的最小值是代理系数的最小平方误差；在配置方法中，首先在计算域中选择N个配置点，让近似解决方案严格满足所选N个配置点处的微分方程，即，在配置点处使方程余量为0。插值函数通常由不同幂的多项式组成，但也有三角函数或指数函数的乘积表示，但最常用的多项式插值函数。

有限元插值函数分为两类。另一个不仅需要插值多项式本身，而且还要求其导数值在插值点处取一个已知值，称为Hermite多项式插值。单位坐标是笛卡尔坐标笛卡尔坐标和无量纲自然坐标，具有对称性和不对称性。经常使用的无量纲坐标是局部坐标系，其定义取决于元素的几何形状，一个维度作为长度比，两个维度作为面积比，三个维度作为体积比。在二维有限元中，最早应用三角形单元，近期四边形等参单元的应用也越来越广泛。对于二维三角形和四边形电源单元，常用的插值函数是笛卡尔坐标系中的拉格朗日插值。线性插值函数和二阶或更高阶插值函数，区域坐标系中的线性插值函数，二阶或更高阶插值函数。

2.分析方法

（1）物体的离散化，主要是在工程分析过程中，项目的结构被离散化为由不同单元组成的计算模型。各个单元模型通过节点连接，节点的确定由实际变形形式的需要和计算的准确性决定。（2）选择位移模式为了合理选择有限元节点，位移法主要是实现计算的自动化，广泛应用于有限元分析。（3）分析机组的机械结构，合理分析材料的性质，形状和尺寸。确保每个单元的机械性能满足汽车机械结构设计的强度和刚度要求。通过元素节点建立整个机械结构的力学方程是很重要的。（4）对等效节点力的计算，在对汽车机械结构进行离散化之后，对于等效的节点力进行确定，保证力的传递可以做到准确，不会出现力分布不均衡的情况。

3.应用主要应用在固体力学、流体力学以及热的传导、电磁学等方面，在整个汽车机械结构设计中有着很广泛的应用，可以对汽车机械结构的刚性和强度进行计算，保证汽车运行的安全。

二、电动汽车的机械结构的有限元分析

1.有限元分析一般流程

（1）开发有限元分析程序，包括确定分析的对象，类型和目的。（2）应用于汽车结构模型，汽车结构模型的信息结构，包括CAD模型，材料属性，载荷条件，边界约束和连接关系等。（3）通过原型试验进行有限元模型试验后，如果试验结果达到预期效果，则可以确定模型。（4）分析实验，修改和优化设计结构，归档整个有限元分析，完成分析任务。2.汽车机械结构的强度及刚度分析为了保证汽车机械结构的质量，必须对材料的疲劳性能、断裂韧性以及发生撞车时能够吸收的能量进行严格的分析，保证设计材料的刚性和强度能够满足汽车机械设计的要求，如果对于汽车机械结构的设计正确的话，那么汽车机械结构的材料都具有很好的吸收冲击力的能力，在发生变形的初级阶段都可以经过一定的形变对冲击能量进行吸收。汽车的强度主要在于承受的载荷的大小，一般表示机械结构强度主要是工作应力的峰值，汽车结构的刚度是指汽车在运行过程中允许的形变范围，是结构的抵抗变形的能力，对于保证乘客的生命安全有着重要的作用。在进行汽车机械结构的设计时对于刚度是整个设计应该注意的主要问题，如果刚度满足要求，那么强度也可以达到要求。我国对于汽车高强度钢板的设计要求为，对于普通的高强度钢板来说，抗拉能力以及屈服强度的要求较低，通过一定的传统工艺即可将普通强度的钢板设计成高强度钢板。对于很多先进的高强度钢板需要借助先进的设备及相关的工艺方法，才能生产出来。例如，双相钢板、复相钢板等。

3.汽车机械结构有限元的分析过程主要分为四个阶段，首先进行样车的运行试验以及分析，保证对于整车的结构有一定的了解。其次，进行概念设计，保证有限元模型的设计满足相应的感念。再者，对于整个设计阶段进行合理的划分，然后对阶段进行相关的分析。最后，对于产品的批量生产进行设计的改进，保证汽车机械设计可以满足运行要求。机械结构的刚性分析应对其力学性能进行有限元分析，以确保有限元输出预实验的预期物理量是相同的。对于强度的有限元分析，主要考Mises应力，分析变形能量的分布率和水平。汽车机械结构的抗疲劳能力可以保证满足车辆运行的要求。

结束语：需要设计电动车辆的机械结构以满足高压动力驱动系统所需的强度和振动要求。为确保电动汽车的安全，不会有泄漏，影响驾驶员的安全。在设计过程中使用有限元分析方法进行分析，掌握设计要求以满足实际设计需求。确保电动汽车机械结构的强度符合要求。在电动汽车机械结构设计技术方面，中国与发达国家之间仍存在一定差距。因此，应在设计中研究先进技术，以促进中国电动汽车产业的发展。

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