采用非线性有限元方法的车架动态受力分析

采用非线性有限元方法的车架动态受力分析Gyu Ha Kim*, Kyu Zong Cho摘要：对于一种完整的车辆工程和发展项目来说，结构完整性是对客车或者轻型卡车的基本要求。车辆产品性能的结果是以耐久性、NVH、防撞性以及乘员安全来衡量。车辆的性能水平直接影响到车辆的市场化、利润，最重要的是未来的汽车制造商。在本研究中，我们使用虚拟实验场方法（VPG）来获取动态压力或拉力的分布情况，VPG 使用非线性的、动态的、有限单元法，这些方法大大扩展了传统线性、静态假设的使用范围。VPG 的方法也是利用现实的轮胎/路面相互作用的边界条件。为了证实预测的动应力和疲劳临界区，进行了单一碰撞实验、道路模拟加载以及现场试验。对预测结果与实验结果进行比较,综合寿命预测方法论的可行性得到了验证。关键词:行驶与操纵；VPG 方法；动态应力分析；非线性有限单元法1 前言在车辆开发过程中，耐久性测试,以及耐撞性测试,需要投入大量的时间和费用。最近 CPU 和应用软件的迅速发展, 现在使用计算机辅助工具进行耐久性设计是可能的,即使车辆原型是成熟的。这降低了耐久性实验和工程实际车辆生产的规定时间。已有的动力-应力分析计算了车辆疲劳主要动应力历程和疲劳表现之后动态分析及受力分析与相关的软件应用,如 DADS 跟 NASTRAN 程序,然后整合动态加载历程和应力系数。当各部分的灵活性考虑到的话，这种方法是一个复杂的过程。但是,我们还是不能准确的考虑轮胎材料以及非线性的组件表面之间的相互作用。这种方法也要求分析师在各种软件应用在各个方面对其进行分析。这需要大量的人力和时间。为了补充现有的方法进行动态应力分析,本研究针对:(1)发展 VPG 方法,可能仅用一个模型就能够生产所有必要的结果,其中包括一项计划,一个过程；*联系作者电子邮件: kimgyuha 电话 : +82-62-530-0246; 传真 : +82-62-530-1689韩国，Gwangju 500-757 ，Yongbong-dong. Buk-gu，300，国立全南大学，机械工程系（手稿收到于 2002 年 12 月 23 日，:修订于 2003 年 7 月 19 日）图 1 使用 VPG 对疲劳强度评价分析的程序图(2)大大降低时间和人力的需要构建模式设计分析动力学、准静态应力及疲劳；(3)准确分析疲劳度,改善了动态应力的准确性。图 1 显示的是使用 VPG 对疲劳强度评价分析的程序图。2 现有的动态应力分析方法2.1 车辆动态分析多体动力学分析程序,可用于动态运动分析，也是利用动态分析一辆汽车结路面参数库有限元分析前处理悬架参数库 轮胎模型创建计算机辅助设计界面 加载边界条件材料模型 质量保证测试非线性动力学有限元分析 接触算法实时动画信号处理应力应变云图疲劳寿命预测曲线绘制前处理器求解器后处理器构。在此研究中,研究了多用途的汽车上有一个框架。分析模型的构建使用了DADS,商业 CAE 工具。它认为所有部件都是严格的刚体。然而,框架的灵活性,被认为是必要的(DADS;Shin 和 Yoo,2000 年)。当部分被认为是僵硬的,检查主要振动频率的零件在一个高得多的地区的路负载是一个重要的研究,。然而明确的定量标准,尚未有寻获。用于该研究中的前悬挂的车辆应是一个独立悬架双横臂的类型。该悬架是一种轴有四个链接。该模型的仿真在进行的轮子的凹凸测试中经过双方的速度同时为 40 公里/小时。目的是为了计算每节悬挂部件的负载对车辆反应力及力矩平衡的影响。假定撞的是一个直与宽 160 毫米,高 85 毫米。车辆被以这样一种方式渡过凹凸到达一个静力平衡(eta / VPG;Papadrakakis,1981 年)。图 2给出的是车架碰撞运行测试图形动画。图 2、 车架碰撞运行测试图形动画2.2 准静态应力分析由动应力分析的历史来看,其中最流行的一种准静态应力分析方法,可以介绍基于有限元应力分析利用在关节运动各组成部件等部位力及力矩平衡的反应受到限制。考虑弹性物体的灵活性，用 DADS 对多体动力学系统分析其运动方程为(,)()0TqexMSUQ（1）对于柔软车体的弹性变形,如果我们忽略了速度和加速度就可以从公式（1）得到公式(2)。()0TqexMRUaQ（2）如果我们考虑的是有限元模型的自由度，公式(2)变成()Tex qUaKuQMR（3）如果我们表达一种一般加载历程为铁(t)的应力-时间历程,在车体某一特定点可以介绍一种形式具有 n 加载历程的线性函数,如方程(4)所示。i=1、n ()()i itfFt（4）当 为单位力向量加载历程时，方程可如公式（5）所示i=1、n ()()iiiFtCte（5）在静态应力分析中,如果一个应力场是在恒定的某一特定时间,我们可以说,线性算子 f 是独立于时间的。由叠加原理和静态假设,可以得到方程(6)。11()()nnii iii ifCteCtfe（6）这个公式在计算某一特定时间应力-时间历程时非常有用。在本研究中,我们建立了有限元模型的框架(图 3)和应用静态应力分析和叠加原理模型以取得动态应力的历程。当分析模型以 40 公里/小时辗过一个凹凸跑时，在不同的分析结果中,图 4 和 5 代表第一点和第二点应力-时间历程。图 3、 准静态应力分析模型图 4、 第一点的动态应力-时间历程图 5、第二点的动态应力-时间历程3 通过虚拟试验场进行动态应力分析的方法直到这一点,正如图 6 显示, 使用相同的分析软件，现有静态应力分析方法不可进行动态及受力分析。这是因为在数据界面软件的处理过程中它花了大量的时间和金钱(张与唐,1996)。图 6、现行的方法与假设然而,通过动态应力分析方法。通过在虚拟试验场,我们可以揭示路面与汽车轮胎之间的接触以及相互作用问题, 非线性材料组件的边界条件、削减成本等问题(Han 等,2000 年)。图 7 阐述了虚拟试验场的方法基本概念。此外,图 8显示的是能适应仿真分析的三种公路形状。载荷 结构车辆动力学分析 子系统有限元模型-线性，弹性行为-零件间无交互作用准静态应力分析假设静态分析能充分模拟动力学事件图 7、VPG 概念（a）波纹型 （b）圆石型 （c）深穴型图 8、典型路面成功的轮胎模型必须能够提供车辆控制、稳定性、调动各力和扭矩从路/轮胎交互作用到一辆汽车底盘/暂停系统的重量。在此模型中，轮胎内部的刚度和阻尼特性对加载条件下动态效应方面的影响也必须考虑在内。在这项研究中, 为了建模最现实的轮胎以及对轮胎模式进行 LS-DYNA 瞬态和准静态动力效应的分析,我们使用了一个薄壳和固体元素模拟了几种轮胎测试。车辆的模型设计是应用采用了 DADS 的相同的动力学分析方法。现在,图 9 所示的是车辆悬挂部分和轮胎模型的前部和后部。（a）前悬架部分 （b）后悬架部分图 9、悬架和轮胎模型仿真对该模型进行了由同一静态应力分析方法的研究。分析模型的图象如图 10 所示。为了降低假想分析所消耗的时间,除了车架和轮胎外所有的部件及路面都是刚体。图 11 显示运动车辗过了一个凹凸跑及使用 VPG 方法对其进行计算的图形动画。图 12 和 13 显示了动应力的变化情况。在过去,用静态应力分析方法,基于研究人员的经验和他们自己的判断来选取弱点。然而,今天,应用 VPG模拟方法,我们可以使用应力分布的图形动画不断地观察每个步骤应力分布情况,洞悉薄弱环节。图 10、VPG 分析模型 图 11、碰撞运行测试图形动画图 12、第一点动态应力-时间历程(VPG) 图 13、第二点动态应力-时间历程(VPG)4 比较分析和实验根据静态分析方法和 VPG 模拟方法,我们对他们创造的反复荷载的公路表面裂纹的同一点进行了研究。因此,我们选择两个点来检查历史上分析当汽车辗过凸起时动应力变化情况结果的精确度,如图 14,我们将在车架上设置一个应变计和测量动态应力-时间历程在 40 公里/小时的速度凹凸跑。然后,我们将这个结果与动态应力-时间历程的第一点、第二点相比较。图 14、凹凸运行测试图 15 对动态应力-时间历程,准静态试验,模拟 VPG 第一点、第二点进行了比较分析。虽然总体趋势分析结果几乎是相等的,我们可以发现其静态分析表明一种比实验和不同应力较大的压力图形。从实际出发，这种动态应力-时间历程可以带来不同或有缺陷的计算。（a）第一点 （b）第二点图 15、动应力历程的比较预测的位置的裂缝分第一点和第二点,通过准静态应力分析和 VPG 仿真，这是一种一样的道路模拟加载和实际车辆耐久性测试。图 16 和 17 表示车辆在真正的耐久性测试中裂缝传播的图像。图 16、第一点的疲劳裂纹 图 17、第二点的疲劳裂纹以量化方式比较凹凸不平的运行仿真和真正地测试结果是不可能的。然而,因为通常车架的损害来自弯扭载荷，我们可以通过分析车架一个包含弯曲和扭转负载的凹凸跑来决定薄弱环节。5 结论通过 VPG 模拟方法并结合张紧力和拉紧力之间的关系，我们就能模拟真实的驾驶环境。我们能够建立一个标准的分析预测车辆框架疲劳寿命的方法。这给出了一种比静态分析方法更好的分析方法。值得一提的是,该 VPG 模拟方法能够较好地模拟汽车零部件、应力、应变之间以及各种表面轮廓之间的接触问题。在开发新车型过程中这可能被用来节省时间和成本。另外,在耐久性优化技术的基础上和此分析方法相结合，这可能是一种更好的设计工具。研究的主要内容及技术的特点如下:为了分析动态应力,我们研制比现有的动态应力分析方法更能够节省时间和成本的虚拟实验场方法。(2)因为如果没有任何产品更新，VPG 模拟方法就不能使用,所以通常我们可以在每一个新模型的分析上节约超过 90%的时间。(3)只使用凹凸跑的应力分析 VPG 仿真,我们可以预测车辆实际耐久性测试的准确的点。(4)VPG 模拟方法也能用于噪音悬吊系统分析和汽车动态分析。6 致谢作者要感谢 BK21(Brain Korea 21)为办理该研究工作所提供的金融支持。7 参考文献Baek, W. K., 1992, “A Study on Fatigue Life Prediction of Suspension Systems Using CAE,“ KSAE Paper No. 923875. DADS flex manual, CADSI, P.O. Box 203, Oakdale, Iowa 52319. DADS users manual, CADSI, P.O. Box 203, Oakdale, Iowa 52319.Han, D.H., et al., 2000, “Development and Comparative Study on Tire Models in the AutoDyn7 Program,“ KSME International Journal. Kuo, E.Y. and Kelkar, S.G., 1995, “Vehicle Body Structure Durability Analysis,“ SAE Paper No. 951096. Shin, S. H. and Yoo, W. S., 2000, “Comparative Study of Dynamic Analysis Techniques in Vehicle Simulation,“ KSME International Journal.Zhang, Y. and Tang, A., 1996, “The CAE Revolution and the Development of the Virtual Proving Ground Approach,“ The 4th International LS-DYNA Conference, Minneapolis, Minnesota, Sept. Zhang, Y., et al., 1997, “Validation of a FEA Tire Model for Vehicle