有限元法是一種高效能的計算方法，通過電子計算機將復雜的問題簡化成為具有有限個自由度的問題，然后采用結構矩陣分析法進行求解。在汽車設計中，有限元法能降低計算成本，節(jié)約計算時間，提高計算速度，使計算結果更準確，值得工程師應用。
汽車車身是汽車主要的受力結構，為了延長車身的疲勞壽命、滿足汽車裝配和用戶使用要求，在設計車身時，要保證車身具有足夠的強度和剛度，能滿足人機工程要求和乘坐舒適，保證車身抗沖擊性強，合理控制汽車發(fā)動時產生的噪聲和振動，車身設計結構合理、制造維護方便等。傳統(tǒng)方法是將復雜問題簡單化，然后根據簡單化后的問題提出一些假設，最后得到一個能夠計算的簡單問題。這種方法計算出的結果不準確。有限元法的主要思想是離散思想，將復雜的問題簡化成為有限個單元的問題，然后采用結構矩陣分析法進行分析，大大提高了計算速度和精確率。
有限元法的特點
1.1.離散思想。有限元法借助離散思想，將分析的元素看成是由有限個單元組成的，將有限個單元形成一個整體模型，這個模型僅在單元之間的節(jié)點處有連接。對模型內的各個單元進行假設，假設每個不同的單元有不同的位移模式，位移模式通過節(jié)點的位移來描述。通過這種方法，我們想要得到每個單元的變形和單元應力，僅僅需要求解節(jié)點位移。盡量將剛度和相鄰單元大致相當的單元劃分到同一整體模型中，在計算時可以采用正方形或等邊三角形的單元形態(tài)，這樣可以減小誤差，使計算結果更準確。
1.2.有限元法計算過程簡單。整個模型內的代數方程求出結果后再引入有限元法的邊界條件。當邊界條件發(fā)生變化時，內部單元和邊界單元的場變量函數保持不變，節(jié)約計算時間，提高工作效率[1]。
1.3.有限元方法簡便易掌握。有限元法是將復雜的問題化成簡單的問題，方法簡單，工程技術人員容易理解和掌握。
1.4.有限元法應用廣泛。有限元法能夠處理較復雜的材料性質問題和非均質連續(xù)介質問題，適用于邊界條件和復雜幾何形狀的應力分析。
1.5.有限元法是通過大中型電子計算機來進行計算的。它有專門的操作軟件。使用者可以針對不同的工程問題選擇不同的軟件，直接套用計算[2]。
有限元法在汽車設計中的應用
在汽車設計中，有限元法能對所有零部件的強度、剛度、穩(wěn)定性進行分析，還能通過計算機屏幕分析各個結構的動態(tài)模式。有限元法主要應用于汽車車身設計。車身主要起到承載作用，是汽車結構的重要組成部分，是汽車設計中最復雜的結構。
2.1.小客車設計
在設計汽車車身時，最重要的是要保證車身具有足夠的強度、剛度和抗沖擊性，合理控制汽車發(fā)動時產生的噪聲和振動。將車身的覆蓋件、承載骨架和其他加強件看成是由板單元和梁單元組成的動力學模型和線性靜力學模型。骨架與蒙皮連接處有較好的彈性，因此動力學模型可以用蒙皮骨架結構模擬，模擬汽車外殼的抗壓彎剛度。模擬時應限制殼單元平面的旋轉自由度。通過數學模型中的未知數、節(jié)點、單元和子結構，可以轉化為動力學中的未知數和節(jié)點，從而計算出車身剛度、振動頻率和車身最佳輕量。
汽車后橋副架在設計時材質必須輕巧，抗疲勞破壞度高，才能承受后橋帶來的扭轉力和彎曲。在設計時，將后橋副架看成是由有限個梁單元和板單元組成的線性靜力學模型。通過數學模型中的未知數、帶寬、節(jié)點、單元，來計算處于轉彎、加速、制動和直向行駛情況下的靜態(tài)應力值。
汽車前懸掛包括減震器、拉桿、彈簧三部分，是一個較復雜的結構。使用有限元法可以分析前懸掛的力學特性。在設計前懸掛時，將前懸掛的彈簧、剛性連接梁和鉸看成是由有限個梁單元組成的線性靜力學模型。在這個線性靜力學模型中，將彈簧、剛性連接梁、鉸應用在同一位置上。通過數學模型中的未知數、帶寬、節(jié)點和有彈簧的單元，來計算由于被測向力作用導致的側傾和前束。
2.2.大客車設計
大客車在車身設計時要特別注意計算自振頻率和標準振型。將車身的覆蓋件、承載骨架和其他加強件，看成是由有限個板單元和梁單元組成的線性靜力學模型和動力學模型，并結合子結構方法。通過數學模型計算出未知數、節(jié)點和單元，并計算出在垂直彎曲、水平彎曲、扭轉狀態(tài)下，車身的剛度、應力、自振頻率和車身自重。
在大客車齒輪和零件的彈性性質計算中，也能應用有限元法。將齒輪和軸看成是由有限個單元組成的非線性靜力學模型。齒的單元由立方體組成，齒輪和軸由梁單元組成。在數學模型中，可以計算出未知數、接觸線上的節(jié)點數、全部節(jié)點、單元和帶寬，然后計算輪軸剛度、齒輪的制造誤差。
計算機模擬結構大變形，能分析汽車碰撞中車身結構的強度、剛度、變形。計算機模擬人體整體動力學相應的模型，能分析人體動力學。模擬時需要采用有限元法設計碰撞試驗。將大客車駕駛室看成是由彈簧單元、減震器單元和梁單元組成的非線性靜力學模型。在計算駕駛室剛度和強度時，可以先按靜力學有限元法進行分析計算，然后將結果模擬成線性元件，再按動力學有限元法計算。有限元法在汽車模擬碰撞試驗中的應用，能有效減少試驗次數、降低碰撞成本、節(jié)約時間。

有限元法就是將復雜問題簡化為簡單的問題，借助計算機計算求解。與傳統(tǒng)的計算方法相比較，有限元法的計算過程簡單，方法簡便易掌握。計算機的快速發(fā)展促使有限元法在不同工程中廣泛應用。在汽車設計中，有限元法不僅應用于汽車結構設計，能計算剛度、強度和抗沖擊性，還能控制汽車車身內部的噪聲，計算汽車行駛的空氣動力、汽車碰撞應力等。在計算過程中，運算速度更快，運算結果更精確，大大提高了設計人員的工作效率，值得汽車工程師在設計中推廣應用[3]。