有限元仿真技术能够有效缩短产品开制周期、降低开发成本、优化产品质量，在汽车的产品开发中得到了广泛应用。随着计算机技术的快速发展，结构有限元分析（FEM）已成为一种非常成熟的验证手段。
随着计算机技术的快速发展，结构有限元分析（FEM）已成为一种非常成熟的验证手段。本文以重型载货车前下视镜结构的FEM分析验证为例，对FEM的分析过程进行了详细的介绍。
在公司建立CAE分析标准后，我们利用计算机技术对早期的设计方案进行了验证分析，发现很多产品存在着设计缺陷，为优化产品质量提供了有力依据。下面，我们以视镜结构设计为例，详细介绍一下FEM的分析过程。
根据用户使用需要，我公司对前下视镜结构进行了设计更改。为了在早期预测该结构的可靠性，避免过长时间的设计试制过程，采用CAE方法对其可靠性进行预测是必要的。在实际使用过程中，该结构可能出现的问题有刚度、强度、振动，需对该结构进行模态、动响应和静态强度的分析。
模态分析
1. 分析目的
了解前下视镜的固有特性，主要考察低阶模态固有频率及振型，从而定性分析前下视镜的可靠性。
2. 前处理
将三维几何模型导入有限元软件中，如图1所示。
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图1 装配体几何模型
（1）建立有限元网格模型：分析前下视镜总成的结构，支架是影响前下视镜能否稳定工作的主要结构。因此，只要对支架结构做有限元分析，将前下视镜作为集中质量单元来处理。用四边形壳单元对支架结构进行网格剖分，单元尺寸5mm，得到的有限元模型，如图2所示。
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图2 有限元模型
（2）主要参数与材料常数见表1。
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表1 材料常数表
（3）边界条件施加：约束支架安装孔中心节点所有自由度。
（4）计算结果及分析：前五阶模态结果见表2。从计算结果来看，前两阶模态频率较低，结构的刚度较小，容易发生低频强度问题而影响总成的可靠性。为此，需要进一步进行动响应分析以确定支架的可靠性。
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表2 模态计算结果
频响分析
1. 计算目的
根据公司前下视镜标准，计算在0～45Hz频率和一定振幅的激励作用下，结构的位移和关键点的应力响应情况。
2. 前处理
使用模态分析结果进行频响分析，在支架的安装固定点施加Z方向和Y方向的位移激励函数，计算在0～45Hz范围内下视镜处的位移和关键点的应力响应。
3. 计算结果及分析
低频激励下位移关键点和应力关键点如图3所示。图4为位移关键点p3在施加两个方向激励情况下的位移响应，图5、图6分别为位移关键点p1和p2在施加Z方向和Y方向激励情况下的应力响应。
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图3 关键位置示意图
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图4 p3点位移响应
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图5 p1点应力响应
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图6 p2点应力响应
因Z方向的激励是整车振动的主要方向，以下对Z方向激励作用下的响应进行讨论。
从图4来看，位移最大值和应力最大值均发生在共振频率处，当施加Z方向激励，频率为16Hz和25Hz时，p3点最大位移达到29.72mm和77mm。根据公司前下视镜的安装标准，该后视镜位移响应已超出标准允许范围，结论是该结构不符合要求。
图5显示在两个出现共振峰的频率下，p1点最大应力分别达到336MPa和690MPa，均超过材料的屈服极限。图6显示p2点最大应力分别为30MPa和557MPa。在25Hz激励频率下，p2点应力超过材料屈服极限。
静力学分析
1. 分析目的
根据公司标准，考察结构在受到大的加速度载荷时，强度是否能满足要求。
2. 前处理
在进行模态分析的有限元模型上进行静力学分析，约束支架安装固定点全部自由度，并根据公司标准对结构施加方向为Z、大小为5g的重力加速度载荷。
3. 计算结果及分析
图7显示p1点的等效应力最大，达到174.5MPa，小于材料的屈服极限。但若考虑疲劳破坏，该处仍是比较危险的。
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图7 等效应力解
结论
通过对模态、动响应分析和静力学的计算结果进行分析，我们确定，前下视镜结构件不符合标准要求，应修改结构以提高其刚度和强度。实践表明，在前下视镜结构件的优化过程中，FEM能够充分满足对产品品质分析和质量改善的需求。
