基于MXSIM的车辆结构有限元分析

本书专注于国产CAE软件MxSim在汽车结构领域的应用，系统介绍CAE分析的基础理论、操作流程及实例，可以帮助读者全面掌握 MxSim 在车辆结构分析中的应用。书中详细阐述了MxSim从前处理到后处理的全流程，并结合静力分析、模态分析、瞬态分析、谐响应分析、碰撞安全性分析等实例，深入讲解了仿真精度与效率控制。同时，本书展望了CAE的前沿技术，如云服务和大数据分析。本书既可以作为汽车设计工程师的实战指南，也可以作为相关专业学生的教材。

第 1 章 绪论 …………………………………………………………………………………… 001 1.1 数值分析方法 ……………………………………………………………………………… 001 1.2 有限元法概述 ……………………………………………………………………………… 003 1.2.1 有限元法的诞生及发展 ………………………………………………………………… 003 1.2.2 有限元法的基本思想 …………………………………………………………………… 004 1.2.3 有限元法的应用及发展趋势 …………………………………………………………… 004 1.3 CAE 商业软件的发展 ……………………………………………………………………… 005 1.4 汽车 CAE 技术发展概述 …………………………………………………………………… 007 第 2 章 CAE 分析基础…………………………………………………………………… …… 009 2.1 有限元分析基础 …………………………………………………………………………… 010 2.1.1 弹性力学的基本方程和变分原理 ……………………………………………………… 010 2.1.2 弹性力学平面问题的有限元格式 ……………………………………………………… 018 2.1.3 单元刚度矩阵 …………………………………………………………………………… 024 2.1.4 隐式求解与显式求解 …………………………………………………………………… 026 2.2 CAE 分析 …………………………………………………………………………………… 026 2.2.1 CAE 分析的要点和特点 ………………………………………………………………… 026 2.2.2 CAE 分析的计算精度 …………………………………………………………………… 027 2.2.3 CAE 分析的计算效率 …………………………………………………………………… 029 2.3 MxSim 分析软件简介 ……………………………………………………………………… 030 2.3.1 MxSim.Mechanical 隐式求解器简介 …………………………………………………… 030 2.3.2 MxSim.Dyna 显式求解器简介 ………………………………………………………… 031 2.3.3 MxSim 用户界面简介 …………………………………………………………………… 031 第 3 章 基于 MxSim 的车辆结构 CAE 分析 ……………………………………………… 038 3.1 概述 ………………………………………………………………………………………… 039 3.2 几何建模与简化 …………………………………………………………………………… 039 3.2.1 降维处理 ………………………………………………………………………………… 039 3.2.2 细节简化与几何形状的近似 …………………………………………………………… 040 3.2.3 结构对称性的利用 ……………………………………………………………………… 040 3.2.4 MxSim 建模 ……………………………………………………………………………… 041 3.3 网格剖分 …………………………………………………………………………………… 044 3.3.1 常见的网格种类 ………………………………………………………………………… 045 3.3.2 网格剖分原则 …………………………………………………………………………… 046 3.3.3 选择网格类型 …………………………………………………………………………… 048 3.3.4 特殊结构处理 …………………………………………………………………………… 049 3.3.5 MxSim 中的网格剖分 …………………………………………………………………… 050 3.4 材料 ………………………………………………………………………………………… 052 3.4.1 常用的材料模型 ………………………………………………………………………… 052 3.4.2 其他材料模型 …………………………………………………………………………… 054 3.5 分析工况定义 ……………………………………………………………………………… 064 3.5.1 线性工况和非线性工况 ………………………………………………………………… 065 3.5.2 静力学问题和动力学问题 ……………………………………………………………… 065 3.5.3 显式分析和隐式分析 …………………………………………………………………… 065 3.5.4 MxSim 中的分析工况 …………………………………………………………………… 066 3.6 连接 ………………………………………………………………………………………… 074 3.7 接触 ………………………………………………………………………………………… 074 3.8 边界条件与载荷 …………………………………………………………………………… 075 3.8.1 位移约束条件 …………………………………………………………………………… 075 3.8.2 载荷类型 ………………………………………………………………………………… 077 3.9 拓扑优化 …………………………………………………………………………………… 081 3.10 疲劳分析 …………………………………………………………………………………… 083 3.11 计算求解 …………………………………………………………………………………… 084 3.11.1 输出设置 ……………………………………………………………………………… 084 3.11.2 计算任务 ……………………………………………………………………………… 084 3.12 后处理 ……………………………………………………………………………………… 085 3.12.1 云图窗口 ……………………………………………………………………………… 086 3.12.2 动态效果查看 ………………………………………………………………………… 089 3.12.3 时程曲线查看 ………………………………………………………………………… 089 第 4 章 车辆结构静力分析 ………………………………………………………………… … 092 4.1 静力分析概述 ……………………………………………………………………………… 093 4.2 实例分析―工字梁结构静力分析 ……………………………………………………… 094 4.2.1 实例描述 ………………………………………………………………………………… 094 4.2.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 094 4.3 实例分析―某汽车前桥转向节的结构静力分析 ……………………………………… 105 4.3.1 实例描述 ………………………………………………………………………………… 105 4.3.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 105 4.4 实例分析―某汽车白车身的弯曲和扭转刚度分析 …………………………………… 114 4.4.1 实例描述 ……………………………………………………………………………… … 114 4.4.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 115 第 5 章 车辆结构模态分析 ……………………………………………………………… … … 120 5.1 模态分析概述 ……………………………………………………………………………… 121 5.2 实例分析―托架焊接组件的模态分析 ………………………………………………… 123 5.2.1 实例描述 ………………………………………………………………………………… 123 5.2.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 123 5.3 实例分析―某汽车白车身的自由模态分析 …………………………………………… 132 5.3.1 实例描述 ………………………………………………………………………………… 132 5.3.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 132 5.4 实例分析―某新能源汽车电池包箱体约束模态分析 ………………………………… 138 5.4.1 实例描述 ………………………………………………………………………………… 138 5.4.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 139 第 6 章 车辆结构瞬态分析 …………………………………………………………………… 145 6.1 瞬态分析概述 ……………………………………………………………………………… 146 6.2 实例分析―某新能源汽车电池包瞬态振动分析 ……………………………………… 146 6.2.1 实例描述 ………………………………………………………………………………… 146 6.2.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 146 6.3 实例分析―某汽车主轴的瞬态动力学分析 …………………………………………… 155 6.3.1 实例描述 ………………………………………………………………………………… 155 6.3.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 155 第 7 章 车辆结构谐响应分析 ………………………………………………………………… 167 7.1 谐响应分析概述 …………………………………………………………………………… 168 7.2 实例分析―某减速器箱体的谐响应分析 ……………………………………………… 168 7.2.1 实例描述 ………………………………………………………………………………… 168 7.2.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 168 第 8 章 车辆碰撞安全性分析 …………………………………………………………………… 181 8.1 车辆碰撞安全性分析概述 ………………………………………………………………… 182 8.2 实例分析―汽车前保险杠碰撞分析 …………………………………………………… 184 8.2.1 实例描述 ………………………………………………………………………………… 184 8.2.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 184 8.3 实例分析―简易卡车碰撞安全性仿真 ………………………………………………… 195 8.3.1 实例描述 ………………………………………………………………………………… 195 8.3.2 分析步骤 ………………………………………………………………………………… 195 第 9 章 展望 …………………………………………………………………………………… 206 9.1 CAE 软件领域技术展望 …………………………………………………………………… 206 9.2 工业软件辅助技术发展展望 ……………………………………………………………… 207 9.2.1 工业云平台技术 ………………………………………………………………………… 207 9.2.2 软件云化技术 …………………………………………………………………………… 208 9.2.3 硬件技术 ………………………………………………………………………………… 208 9.2.4 云端数据管理与分析 …………………………………………………………………… 209 9.2.5 辅助工具 ………………………………………………………………………………… 209 9.3 国创数字化仿真云平台 …………………………………………………………………… 209 9.3.1 云资源管理 ……………………………………………………………………………… 210 9.3.2 设计数据管理 …………………………………………………………………………… 210 9.3.3 仿真数据管理 …………………………………………………………………………… 210 9.3.4 仿真工具链 ……………………………………………………………………………… 212