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1、摘要汽车工业正面临着全球性的挑战，需要在环境可持续性、能源利用效率和安全性方面做出持续的改进。车架作为汽车结构的核心组成部分,其设计与优化对于实现轻量化、增强性能和降低燃料消耗具有重要意义。本论文旨在研究汽车车架轻量化优化设计的方法和技术,并探讨其在实际应用中的潜力和挑战。首先，我们回顾了车架材料的发展历程，重点介绍了高强度钢、铝合金和复合材料等轻量化材料在车架设计中的应用。然后，我们分析了车架设计中的结构优化方法，包括有限元分析、拓扑优化和形状优化等技术，并探讨了它们在降低车架重量、提高刚度和增强安全性方面的效果。通过对当前研究成果和工业实践的综述,我们发现了一些主要的挑战和机遇。其中，材料
2、选择、多学科优化和制造过程等方面需要进一步研究和改进。同时，我们认识到汽车车架轻量化设计不仅注重重量减轻，还需要考虑到结构的强度、刚度、耐久性和碰撞安全性等多方面因素。最后，我们提出了未来研究的方向。混合材料、复合材料和先进制造技术的应用将是未来车架轻量化设计的关键。此外，多学科优化方法的进一步发展和全面考虑整车系统的设计也是未来研究的重要方向。综上所述，汽车车架轻量化优化设计是一个具有挑战性和前景广阔的领域。通过采用先进的材料和优化技术，我们有望实现汽车结构的轻量化、性能的优化和燃料消耗的减少，推动汽车工业向可持续和环保方向发展。关键词：车架,衡量,纵梁AbstractTheframecon
3、sistsoflongitudinalandcrossbeam.Edgebeamandbeamtypetwokindofmainforms,Compositionofthesideframeiscomposedoftwoislocatedonbothsidesofthelongitudinalbeamsandapluralityofbeams,byrivetingorweldingthelongitudinalbeamandthecrossbeamareconnectedintoarigidframeworkrugged.Stringerisusuallymadebylowalloysteel
4、platestamping,sectionshapeisgenerallyshaped,somemadeofZshapedorbox.Accordingtothedifferentformsofthecarandstructurallayout,longitudinalbeamcanbemadeintoacurvedinthehorizontalplaneandverticalplaneor,aswellasthesectionsection.Notonlytoensurethebeamframetorsionalstiffnessandbearingverticalload,butalsoc
5、ansupportthemainautoparts.Usuallythetruckwith56beam,sometimesmore.StructuralcharacteristicsofthesideframeiseasytoInstallthecab,carriagesandsomespecialequipmentandarrangementofotherassembly,isconducivetothemodifiedvariationanddevelopmentofvarietycar,soitiswidelyusedinthetruckandthemajorityofspecialpu
6、rposevehicle一课题研究的背景与意义41.1课题研究的背景4二设计方案5CAD软件的介绍51.运用CATlA三维软件建立电动汽车车架6三,电动汽车车架作动态性能方面的计算72.1 有限元静力分析的介绍72.2 车架的静力分析84.1 模态分析的介绍114.2 车架的模态分析12五，车架的拓扑优化165.1 拓扑优化的概念165.2 模型的改进165.3 新模型的结构分析185.4 结果的比对195.5 方案可行性研究20六,总结24七，致谢25八，参考文献26-课题研究的背景与意义1.1课题研究的背景随着全球汽车保有量的增长和环境问题的日益凸显，汽车工业正面临着日益严峻的挑战。为了推
7、动汽车行业朝着可持续、高效和环保的方向发展,汽车制造商和研究机构纷纷致力于车辆轻量化技术的研究与发展。在整个汽车结构中，车架作为承载和支撑车身的关键组件，其重量和性能对整体车辆的性能、动力和燃油经济性具有重要影响。传统的汽车车架多采用钢材作为主要材料，尽管钢材具有高强度和良好的成本效益，但其密度较高，会增加车辆的自重和燃料消耗。因此，轻量化车架材料的研究和应用成为减轻车辆重量、提高燃烧效率和降低尾气排放的关键策略之一。近年来，随着材料科学和制造技术的不断进步，各类轻量化材料如高强度钢、铝合金和复合材料等已经开始在汽车车架中得到广泛应用。这些材料具有优异的强度重量比和可塑性，能够有效减轻车架重量
8、并提高整车的燃油经济性。此外，为了充分发挥这些轻质材料的潜力，车架的设计和优化方法也得到了迅速发展，注重考虑结构的刚度、强度、耐久性和碰撞安全性等多方面因素。然而，虽然已经取得了一些重要的研究成果和工业应用，但汽车车架轻量化优化设计仍面临着一些挑战。例如，材料的选择与应用仍需要更加深入的研究，不同材料之间的组合和制造工艺也需要进一步优化，以确保车架在满足轻量化要求的同时保持足够的强度和刚度。此外，车身整体的一体化优化和多学科优化方法的发展也是未来研究的重点方向。因此，深入研究汽车车架轻量化优化设计的方法和技术，解决其中的挑战，不仅对于推动汽车工业的可持续发展具有重要意义，也为实现更安全、更环保
9、的交通运输系统做出贡献。12课题研究的意义研究汽车车架轻量化优化设计的意义在于促进汽车工业的可持续发展、提高车辆性能和降低燃料消耗。以下是一些具体的研究意义：1 .节能减排：汽车行业是全球能源消耗和碳排放的主要来源之一。通过采用轻量化车架设计，可以显著减少车辆的自重，降低燃料消耗和尾气排放,从而有效应对能源和环境问题。2 .提高汽车性能：轻量化车架具有更低的惯性质量，可以提高汽车的加速性能、刹车性能和操控性能。此外，优化的车架设计可以提高整车的刚度和强度，增强行驶稳定性和安全性。3 .扩大电动化应用：电动汽车在未来的交通运输中将发挥重要作用，而电动汽车的续航里程和充电效率与车辆重量密切相关。通
10、过轻量化车架设计，可以使电动汽车的续航里程更长、充电效率更高，推动电动化交通的普及。4 .提升竞争力：随着全球汽车市场的竞争加剧，制造商需要不断提高产品的性能、质量和安全性，以保持竞争优势。轻量化车架设计可以使汽车更具竞争力，满足消费者对节能环保和高性能的需求。5 .推动材料科学和制造技术的发展：为了实现汽车车架的轻量化，需要不断研发新的轻质材料并探索先进的制造技术。这将推动材料科学和制造技术的创新发展，为汽车工业以及其他领域的轻量化应用提供新的机会。6 .增加行业合作与交流：汽车车架轻量化优化涉及多个学科领域，如材料科学、结构力学、优化算法等。相关研究的开展将促进学术界、产业界和政府部门之间
11、的合作与交流，推动行业的共同发展。综上所述，研究汽车车架轻量化优化设计的意义在于推动汽车工业的可持续发展，提高汽车性能和经济性，降低能源消耗和环境污染。这是一个具有深远影响的研究领域，将为未来的交通运输系统和社会的可持续发展做出重要贡献二设计方案2.1CAD软件的介绍计算机辅助设计(Compuler-AidedDesign,CAD)软件是一类用于帮助设计师创建、修改和优化各种设计项目的工具。CAD软件通过数字化的方式代替传统的手工绘图和设计过程，提供了更高效、准确和灵活的设计环境。以下是对CAD软件的一般介绍：1 .功能丰富：CAD软件提供了丰富的设计工具和功能，可以用于绘制几何形状、创建三维
12、模型、进行参数化设计、进行装配和运动仿真等。它们通常支持各种绘图、建模、渲染、分析和文档化功能，使设计师能够完成整个设计流程。2 .二维和三维设计：CAD软件支持二维和三维设计。在二维设计中，设计师可以创建平面图、图纸和工程图，用于表达尺寸、形状和注释等信息。在三维设计中，设计师可以创建立体模型，模拟真实的物体，并进行更加真实的展示和分析。3 .参数化设计：CAD软件通常支持参数化设计，即设计师可以通过定义参数和约束来创建可自动调整的设计。这意味着设计中的尺寸、参数和关系可以被修改，而设计的其他方面将自动更新，提高了设计的灵活性和可修改性。4 .协同设计：CAD软件支持多用户之间的协同工作。设
13、计师可以共享设计文件，进行实时的协作和反馈，加快设计迭代的速度，并促进团队成员之间的有效沟通。5 .物理仿真和分析：许多CAD软件集成了强大的物理仿真和分析工具,用于模拟和评估设计的性能。这可以帮助设计师确定设计的可靠性、强度、动态特性和尺寸优化等，以指导设计改进和决策。6 .文件交换和集成：CAD软件通常支持多种文件格式的导入和导出，以便与其他设计软件进行协作。止匕外，它们也可以与其他工程软件(如分析软件、渲染软件等)进行集成，提高设计流程的整体效率和准确性。7 .应用广泛：CAD软件被广泛应用于各个行业，包括机械制造、建筑设计、电子工程、航空航天、汽车设计、工业设计等。它们对于设计师、工程
14、师、建筑师和制造商来说，是不可或缺的工具。总而言之，CAD软件提供了全面的设计工具和功能，大大提高了设计的效率、准确性和创造力。它们在各个行业的设计工作中发挥着重要作用，并不断演进以适应不断变化的设计需求和技术发展1 .运用CAD软件建立电动汽车车架使用CAD软件建立电动汽车车架是现代汽车设计和工程领域的常见实践。下面是一般步骤和注意事项：1 .收集设计要求：首先，您需要了解电动汽车的设计要求和约束。包括车辆的尺寸限制、载荷要求、悬挂系统、电池包和电动机的位置等。这些要求将指导车架设计的尺寸、形状和其它关键参数。2 .创建车架几何模型：在CAD软件中，您要开始绘制车架的基本几何形状。您可以通过
15、绘制线条、曲线和圆弧等基本几何元素，或者使用绘制工具绘制车架的外轮廓和内部支撑结构。3 .利用约束和参数化设计：使用CAD软件的约束和参数化工具来确保车架满足设计要求。根据车辆的尺寸限制和设计要求，您可以添加尺寸约束、角度约束和关系约束等，使车架的尺寸和形状能够自动调整。4 .考虑强度和刚度：车架需要具备足够的强度和刚度以应对车辆的负载和行驶条件。在设计过程中，您可以使用CAD软件中的分析工具，如有限元分析(FEA),来评估车架的强度，并通过增加支撑结构或材料来加强车架。5 .进行装配和冲突检查：根据车辆的其他组件和系统，进行车架的装配模拟。使用CAD软件的装配功能，将电池包、悬挂系统、驱动系
16、统和其他相关部件装配到车架上。进行冲突检查，确保车架不会与其他部件发生干涉。6 .优化设计：进行车架的优化设计，以减少车架的重量、提高刚度和降低风阻。使用CAD软件中的优化工具，如拓扑优化和形状优化等，来寻找最佳的材料分布和几何形状，以满足设计要求。7 .生成工程图纸：最后，使用CAD软件生成车架的工程图纸。这些图纸将包括尺寸、注释、零部件列表和装配图等信息，以便于制造和组装车架。在使用CAD软件进行电动汽车车架设计时，您还应考虑材料的选择、制造过程和性能分析等因素。同时，与其他工程团队进行协作和沟通，包括电动汽车系统工程师、结构工程师和制造工程师等，以确保车架的综合性能和安全性。需要注意的是
17、，车架设计对于电动汽车的性能和安全性至关重要，因此建议寻求专业的工程支持和验证，确保设计的可靠性和符合相关标准和法规。,电动汽车车架作动态性能方面的计算对于电动汽车车架的动态性能计算，主要关注以下几个方面：1.强度和刚度：车架在行驶和负载条件下需要具备足够的强度和刚度。通过有限元分析（FEA）等计算方法，可以评估车架在正常使用情况下的应力和变形情况，以确保满足强度和刚度要求。2 .振动和共振：电动汽车在行驶过程中会产生振动，车架需要具备良好的抗振性能，以避免共振现象和不稳定行驶。通过振动分析和模态分析等计算方法，可以确定车架的自然频率和振动模式，并进行优化设计以抑制振动问题。3 .阻尼和舒适性
18、：车架的阻尼特性对于电动汽车的舒适性和悬挂系统的性能具有重要影响。通过计算阻尼比和振动衰减等参数，可以评估车架的阻尼特性，并进行设计调整以提升舒适性和悬挂系统的效能。4 .碰撞安全性：电动汽车的车架在碰撞事故中需要提供足够的保护和安全性能。通过碰撞仿真和能量吸收分析等计算方法，可以评估车架在不同碰撞条件下的变形和吸能情况，从而优化车架结构以提高碰撞安全性。5 .操控性能：车架对于电动汽车的操控性能也有重要影响。通过计算车架的回转刚度、侧倾刚度和悬挂系统的几何参数等，可以评估车架对于车辆操控性能的贡献，并进行相应的设计调整以优化操控性能。这些计算可以借助计算机辅助工程软件（如有限元分析软件、多体
19、动力学仿真软件等）进行。需要注意的是，车架的动态性能计算需要考虑多种因素和加载条件，并综合分析静态和动态的情况。此外，计算结果应与相关标准和法规进行对比和验证，确保车架的动态性能符合要求，并为电动汽车的安全性、舒适性和操控性提供支持。3.1有限元静力分析的介绍有限元静力分析是工程领域中常用的一种分析方法，用于研究结构在静力负载下的响应和行为。它基于有限元法（FiniteElementMethOd,FEM）,将实际结构划分为有限数量的元素，并在每个元素上建立适当的数学模型。在有限元静力分析中，结构被离散化为有限数量的小元素，每个元素都是用简单的数学函数表示，如线性多项式。结构中的连接点称为节点，
20、元素在节点之间通过连接关系进行组装，形成整个结构。通过在每个元素上应用物理定律和边界条件，可以形成描述结构响应的线性代数方程组。在进行有限元静力分析之前，需要确定结构的几何形状、材料性质和加载条件等。几何形状可以从计算机辅助设计（CAD）软件中获得，材料性质可以通过实验或经验估计得出。加载条件包括外部作用力、支持条件和约束等。通过求解得到的线性方程组，可以计算结构在给定加载条件下的位移、应力和应变等响应。这些结果可以用于评估结构的强度、刚度和稳定性，并进行设计优化和决策制定。有限元静力分析具有以下特点和优势：1 .精确性：通过细分结构成小元素进行分析，可以更准确地捕捉结构内部的应力和应变分布。
21、2 .灵活性：可以对不同形状、不同材料的结构进行分析，并可以考虑非线性材料和几何非线性效应。3 .可视化：通过有限元软件，可以生成结构的可视化模型，展示位移、应力等结果，帮助工程师理解结构的行为。4 .可靠性：通过实验验证和验证算例，可以验证有限元模型的准确性和可靠性。然而，有限元静力分析也有一些限制和挑战，包括：1 .精度和网格依赖性：有限元方法的精度取决于网格划分的精细程度，不合理的网格划分可能导致计算结果的不准确性。2 .计算资源需求：对于复杂的结构和加载情况，有限元分析可能需要大量的计算资源和时间。3 .参数选择和假设：在建立有限元模型时需要选择适当的参数和假设，这些选择可能会对分析结
22、果产生影响。总之，有限元静力分析是一种常用且有效的工程分析方法，它在结构设计、材料研究和工程决策中发挥着重要的作用。3. 2车架的静力分析将模型导入ansys软件，进行前处理。包括以下步骤:1,划分网格12SJ)0375J03,4,B:StaticStructuralStdticStructuralTime:1.$2014/4/14lli33fixedSupport圜Force:10000N计算结果B:StaticStructuralTotalDeformationType:TotalOcformdtionUnit:mmTime:12014/4/1411:33B:StaticStructura
23、lMaximumPrincipalStressType:MaximumPrincipalStressUnit:MPaTrmc:12014/4/1411:34四,车架的模态分析车架在载荷作用下不仅要发生弯曲变形，而且还要发生扭转变形。薄壁杆件的抗扭性能较差，当汽车在高低不平的道路上行驶时，车架要在更加严重的扭转变形情况下工作，所以分析计算车架强度时，必须考虑薄壁杆件的扭转变形，了解车架的基本构造及材料特性，有利于进行力学分析。3.1 模态分析的介绍模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态
24、振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动千姿百态、瞬息变化。模态分析提供了研究各类振
25、动特性的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与响应并进行双通道快速傅里叶变换（FFT）分析，得到任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合，识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。近十多年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。己有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。4
26、. 2车架的模态分析模态分析结果如下QTabularDataModePFreqUenCyHz234566Mcc4rcal IANSYS MUbphysKsJ一捷振型35.22237.37766.54383.8185.663129.99一捷振型一捷振型C:ModalToUlDeformationTypezTouIDeformationFrequency:35.222HzUnit:mm2014/4/1412d42.3752Max2J11313474158351319615560.79173052782026391OMinC:ModalTotalDeformation2TypezTotaIDefor
27、mdtionFrequency:37377HzUnit:mm2014/4/1412:14Z3875MJX2.12221.85691.59171.32641.06110.795830.530550.26S28OMin二捷振型C:ModalTotalDeformation3三捷振型四阶振型C:ModalTotalDeformation5Type:TotalDeformationFrequency:85.663HzUnit:mm2014/4/1412:151.AUtOma吐2.35052.05671.76291-46911.17530.881440.587630.29381OMin4五阶振型C:Mo
28、dalTotalDeformation6TypezTotaIDeformationFrequency:129.99HzUnit:mm2014/4/1412:153.2198Max2.86212.50432.14651.788814311.07330.71S510.35776OMin五，车架的拓扑优化汽车车架由横梁和纵梁组成，根据其结构特点我们用分部优化法进行优化。用有限元程序对车架的种工况进行整体分析，得到它的内力分布,根据各部分的受力状态进行分部优化，修改各部分的设计变量，将优化后的结构参数组成新的方案，这样就是一次循环或迭代，尔后作一次结构分析,检验这个方案是否可行。4.1 拓扑优化的概念
29、拓扑优化(topologyoptimization)拓扑优化是结构优化的一种。结构优化可分为尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。其中尺寸优化以结构设计参数为优化对象，比如板厚、梁的截面宽、长和厚等；形状优化以结构件外形或者孔洞形状为优化对象，比如凸台过渡倒角的形状等；形貌优化是在已有薄板上寻找新的凸台分布，提高局部刚度；拓扑优化以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，可以在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，是结构优化最具发展前景的一个方面。图示例子展示了尺寸优化、形状优化和拓扑优化在设计减重孔时的不同表现
30、拓扑优化的研究领域主要分为连续体拓扑优化和离散结构拓扑优化。不论哪个领域，都要依赖于有限元方法。连续体拓扑优化是把优化空间的材料离散成有限个单元(壳单元或者体单元)，离散结构拓扑优化是在设计空间内建立一个由有限个梁单元组成的基结构，然后根据算法确定设计空间内单元的去留，保留下来的单元即构成最终的拓扑方案，从而实现拓扑优化。目前连续体拓扑优化方法主要有均匀化方法口、变密度法2、渐进结构优化法3(ESo)以及水平集方法4等。离散结构拓扑优化主要是在基结构方法基础上采用不同的优化策略(算法)进行求解，比如程耿东的松弛方法5,基于遗传算法的拓扑优化等。5. 2模型的改进从分析结果可以看出，中间部分受力
31、变形比较大，从而可以通过在中间部分加筋来改善中间的强度。选取一种方案进行模型的更改更还好的模型如下()D:CopyofSUtkStructuralMechanical(ANSYSMukiphytict)FEMVwUUohHdp。/Soive叩9西。OWoHET千(、商IE)(E)I$；：，h Shew Vertices 槛 Wirfrm Ed9 Coloring / H H Thkk AnnO Show Coordif*te SytlmsAS*Cw COOrdi2 SyWtE Edge Cokxing VerticesSolution De4orma6 Strain re55 Energy U
32、neerized Stress Probe A Took flLer Defined Rewh CoordimOMtBfWSUf-EModd(D4)QGcwtrACoorWSBlEMe*石StAtKMrvctmI(DS)B-DSoLOonWonMonTotalDef11tonM*cwnncc4StrtttDU；kc4Solution(B6StXusDone-MhRefinementMaxRe*nenentLoopsLRffinmtnQtph2D:CopyofStaticStructuralStaticStructure!Time:1.52014/4/1412幺4D:CopyofSUtiCStr
33、ucturalTotalDcFormabonType:TotalDeformationUnit:mmTime:1D:CopyofStaticStructuralMaximumPnncipdlStressType:MaximumPrincipalStressUnit:MPaTime:12014/4/1412)44Automt15.71312.7469.77636.81083.84330.87587-2.0916-5.05918j0266Min更改以后再次计算，得到的结果可以看出，增加筋能够提升中间部位的力学性能。所以这个方案是可行的。另外还可以对其他更改方案进行验证。随着计算机技术的迅速发展，在
34、工程领域中，有限元分析(FEA)越来越多地用于仿真模拟，来求解真实的工程问题。这些年来，越来越多的工程师、应用数学家和物理学家已经证明这种采用求解偏微分方程(PDE)的方法可以求解许多物理现象，这些偏微分方程可以用来描述流动、电磁场以及结构力学等等。有限元方法用来将这些众所周知的数学方程转化为近似的数字式图象。早期的有限元主要关注于某个专业领域，比如应力或疲劳，但是，一般来说,物理现象都不是单独存在的。例如，只要运动就会产生热，而热反过来又影响一些材料属性，如电导率、化学反应速率、流体的粘性等等。这种物理系统的耦合就是我们所说的多物理场，分析起来比我们单独去分析一个物理场要复杂得多。很明显，我
35、们需要一个多物理场分析工具。在上个世纪90年代以前，由于计算机资源的缺乏，多物理场模拟仅仅停留在理论阶段，有限元建模也局限于对单个物理场的模拟，最常见的也就是对力学、传热、流体以及电磁场的模拟。看起来有限元仿真的命运好像也就是对单个物理场的模拟。这种情况已经开始改变。经过数十年的努力，计算科学的发展为我们提供了更灵巧简洁而又快速的算法，更强劲的硬件配置，使得对多物理场的有限元模拟成为可能。新兴的有限元方法为多物理场分析提供了一个新的机遇，满足了工程师对真实物理系统的求解需要。有限元的未来在于多物理场求解。千言万语道不尽，下面只能通过几个例子来展示多物理场的有限元分析在未来的一些潜在应用。压电扩
36、音器(PieZoaCOUStiCtranSdUCer)可以将电流转换为声学压力场，或者反过来，将声场转换为电流场。这种装置一般用在空气或者液体中的声源装置上，比如相控阵麦克风，超声生物成像仪，声纳传感器，声学生物治疗仪等，也可用在一些机械装置比如喷墨机和压电马达等。压电扩音器涉及到三个不同的物理场：结构场，电场以及流体中的声场。只有具有多物理场分析能力的软件才能求解这个模型。压电材料选用PZT5-H晶体，这种材料在压电传感器中用得比较广泛。在空气和晶体的交界面处，将声场边界条件设置为压力等于结构场的法向加速度，这样可以将压力传到空气中去。另外，晶体域中又会因为空气压力对其的影响而产生变形。仿真
37、研究了在施加一个幅值200V,震荡频率为300KHZ的电流后，晶体产生的声波传播。这个模型的描述及其完美的结果表明在任何复杂的模型下，我们都可以用一系列的数学模型进行表达，进而求解。多物理场建模的另外一个优势就是在学校里，学生们直观地获取了以前无法见到的一些现象，而简单易懂的表达方式也获得了学生们的好感。这只是KrishanKumarBhatia博士在纽约Glassboro的Rowan大学给高年级的毕业生讲授传热方程课程时介绍建模及分析工具所感受到的，他的学生的课题是如何冷却一个摩托车的发动机箱。Bhatia博士教他们如何利用“设计一制造一检测”的理念来判断问题、找出问题、解决问题。如果没有计
38、算机仿真的应用，这种方法在课堂上推广是不可想象的，因为所需费用实在是太大了。COMSOLMultiphysics拥有优秀的用户界面，可以使学生方便地设置传热问题，并很快得到所需要的结果。“我的目标是使每个学生都能了解偏微分方程，当下次再遇到这样的问题时，他们不会再担心，Bhatia博士说，“这不需要了解太多的分析工具，总的来说，学生都反映这个建模工具太棒了很多优秀的高科技工程公司已经看到多物理场建模可以帮助他们保持竞争力。多物理场建模工具可以让工程师进行更多的虚拟分析而不是每次都需要进行实物测试。这样，他们就可以快速而经济地优化产品。在印度尼西亚的MedradInnovationsGroup中
39、，由JohnKalafut博士带领着一个研究小组，采用多物理场分析工具来研究细长的注射器中血细胞的注射过程，这是一种非牛顿流体，而且具有很高的剪切速率。通过这项研究，Medrad的工程师制造了一个新颖的装置称为先锋型血管造影导管（VangUardDxAngiographicCatheter）0同采用尖喷嘴的传统导管相比，采用扩散型喷嘴的新导管使得造影剂分布得更加均匀。造影剂就是在进行X光拍照时，将病变的器官显示得更加清楚的特殊材料。另外一个问题就是传统导管在使用过程中可能会使得造影剂产生很大的速度，进而可能会损伤血管。先锋型血管造影导管降低了造影剂对血管产生的冲击力，将血管损伤的可能性降至最低
40、。关键的问题就是如何去设计导管的喷嘴形状，使其既能优化流体速度又能减少结构变形。KaIafUt的研究小组利用多物理场建模方法将层流产生的力耦合到应力应变分析中去，进而对各种不同喷嘴的形状、布局进行流固耦合分析。“我们的一个实习生针对不同的流体区域建立不同的喷嘴布局，并进行了分析，KalafUt博士说，“我们利用这些分析结果来评估这些新想法的可行性，进而降低实体模型制造次数”。摩擦搅拌焊接（FSW）,自从1991年被申请专利以来，已经广泛应用于铝合金的焊接。航空工业最先开始采用这些技术，正在研究如何利用它来降低制造成本。在摩擦搅拌焊接的过程中，一个圆柱状具有轴肩和搅拌头的刀具旋转插入两片金属的连
41、接处。旋转的轴肩和搅拌头用来生热，但是这个热还不足以融化金属。反之，软化呈塑性的金属会形成一道坚实的屏障，会阻止氧气氧化金属和气泡的形成。粉碎，搅拌和挤压的动作可以使焊缝处的结构比原先的金属结构还要好，强度甚至可以到原来的两倍。这种焊接装置甚至可以用于不同类型的铝合金焊接。空中客车（AirBUS）资助了很多关于摩擦搅拌焊接的研究。在制造商大规模投资和重组生产线之前，Cranfield大学的PaulColegrove博士利用多物理场分析工具帮助他们理解了加工过程。第一个研究成果是一个摩擦搅拌焊接的数学模型，这让空客的工程师“透视”到焊缝中来检查温度分布和微结构的变化。Colegrove博士和他的
42、研究小组还编写了一个带有图形界面的仿真工具，这样空客的工程师可以直接提取材料的热力属性以及焊缝极限强度。在这个摩擦搅拌焊接的模拟过程中，将三维的传热分析和二维轴对称的涡流模拟耦合起来。传热分析计算在刀具表面施加热流密度后，结构的热分布。可以提取出刀具的位移，热边界条件，以及焊接处材料的热学属性。接下来将刀具表面处的三维热分布映射到二维模型上。耦合起来的模型就可以计算在加工过程中热和流体之间的相互作用。将基片的电磁、电阻以及传热行为耦合起来需要一个真正的多物理场分析工具。一个典型的应用是在半导体的加工和退火的工艺中，有一种利用感应加热的热壁熔炉，它用来让半导体晶圆生长，这是电子行业中的一项关键技
43、术。例如，金刚砂在2,000oC的高温环境下可以取代石墨接收器，接收器由功率接近IOKW的射频装置加热。在如此高温下要保持炉内温度的均匀，炉腔的设计至关重要。经过多物理场分析工具的分析，发现热量主要是通过辐射的方式进行传播的。在模型内不仅可以看到晶圆表面温度的分布，还可以看到熔炉的石英管上的温度分布。在电路设计中，影响材料选择的重要方面是材料的耐久性和使用寿命。电器小型化的趋势使得可在电路板上安装的电子元件发展迅猛。众所周知，安装在电路板上的电阻以及其他一些元件会产生大量的热，进而可能使得元件的焊脚处产生裂缝，最后导致整个电路板报废。多物理场分析工具可以分析出整个电路板上热量的转移，结构的应力
44、变化以及由于温度的上升导致的变形。这样做可以用来提升电路板设计的合理性以及材料选择的合理性。计算机能力的提升使得有限元分析由单场分析到多场分析变成现实，未来的几年内，多物理场分析工具将会给学术界和工程界带来震惊。单调的“设计一校验”的设计方法将会慢慢被淘汰，虚拟造型技术将让你的思想走得更远，通过模拟仿真将会点燃创新的火花。自2000年以来,国内外对非线性结构问题的数值解法做了大量的研究。修正的牛顿拉普森迭代法的出现,为保证计算精度提供了保障。但是,对求解结构极限强度而言,这种方法仍很难找到极限点。Wright&Gaylord发展了假想弹簧法以保证后极限强度区域结构刚度矩阵的正定,并成功应用于框
45、架结构的分析。Bergan等提出了当前刚度参数法,来抑制临界区域的平衡迭代进而穿越极限点。Batoz提出了位移控制法,通过施加已知位移变化过程反求结构内力,从而穿越极限点求出结构的后极限强度响应。Riks首次提出弧长控制法,1981年由CrisfieldRamm、Powell和Simons等人做了改进,并与修正的牛顿拉普森法相结合,成功地实现了求解后极限平衡路径中的“阶跃”(SnaP-through)问题。高素荷等人对网格划分密度与有限元求解精度的关系进行了研究。通过对不同网格密度、不同单元类型的有限元力学模型计算结果与精确解的分析比较,探索研究单元网格划分与有限元求解精度的内在联系,为在保证
46、有限元解满足工程实际精度要求的前提下,确定合理的网格密度,提高有限元分析效率进行了有益的探索。研究证明:对于几何尖角处、应力应变变化较大区域,有限元分析时应选择高阶次单元,并适当增加单元网格密度。这样,既可保证单元的形状,同时,又可提高求解精度、准确性及加快收敛速度。全自动划分网格时,优先考虑选用高阶单元。在网格划分和初步求解时,应做到先简后繁,先粗后精。由于工程结构一般具有重复对称或轴对称、镜象对称等特点,为提高求解效率,应充分利用重复与对称等特征,采用子结构或对称模型以提高求解效率和精度。16国内有限元发六,总结有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连工域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提
