基于刚柔耦合的车身结构疲劳分析-车辆工程硕士论文

湖南大学 硕士学位论文 基于刚柔耦合的车身结构疲劳分析 姓名：唐传 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：陈涛；成艾国；丰勇 20120525 基于刚柔耦合的车身结构疲劳分析 摘要 车身作为车辆的关键承载结构，其强度和疲劳性能是保证整车可靠性和耐久 性的重要指标。车身结构性能分析的传统方法主要有静强度分析和可靠性试验。 基于静强度的车身结构设计往往使结构趋于无限寿命，同时可靠性试验周期较长、 成本高且难以快速识别结构的疲劳性能。因此耐久性虚拟试验技术将为车身结构 疲劳性能评估和设计提供一种快速有效的方法。 作为一项工程研究项目，本文将结合有限元分析、虚拟样机建模、虚拟试验 和疲劳寿命预测等技术对车身结构进行疲劳分析，同时进行试验验证和结构优化。 以虚拟试验技术为支撑对整车进行耐久性试验和车身结构疲劳分析，能够快速有 效地评估结构的疲劳性能，缩短车身开发周期并降低成本，提高产品质量。因此 本文的研究内容具有很好的理论指导和工程应用意义。 本文选取某款商务车作为分析车型，首先进行车身结构有限元建模和柔性体 建模，并基于虚拟样机技术建立整车刚柔耦合多体模型；接着构建耐久性虚拟路 面并作为激励对整车进行虚拟试验，获取车身边界动态载荷；最后利用静态叠加 法对车身结构的疲劳薄弱区域进行疲劳寿命预测，并重点对路试丌裂的后摆臂支 座进行疲劳分析和结构优化，最终总结出基于耐久性虚拟试验的车身结构疲劳分 析预测的基本流程。 关键词：车身结构；刚柔耦合；静态线性叠加；疲劳寿命预测；安全因子 I I A b s t r a c t A sak e yb e a r i n gs t r u c t u r eo fm ev e h i c l e ，t h eS t r e n g t ha n df a t i g u ep e r f b m a n c eo f t h eb o d ya r ei m p o r t a n ti n d e x e st oe n s u r et h er e l i l b i l i t ya n dd u r a I b i l i t yo ft h eV e h i c l e T h e nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fp e r f o 咖a n c ea n a l y s i s o nb o d ys t r u c t u r em a m l y c o n t a i ns t a t i cs t r e n g t ha n a l y s i sa n dr e l i a b i l i t yt e s t T h eb o d ys t r u c t u r ed e s i g nw h l c h 1 s b a s e do ns t a t i cs t r e n g t ht e n d st om a k em ef a t i g u el i f eo ft h es t r u c t u r ei n f i n i t e A tt h e s a m et i m e ，t h er e l i a b i l i t yt e s th a sl o n g e rc y c l e ，h i g hc o s ta n di s d i f f i c u l tt oq u i c k l y i d e n t i f yt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h es t r u c t u r e T h e r e f o r e ，t h eV i r t u a ld u r a b i l i t yt e s t t e c h n o l o g yw i l lp r o v i d eaf a s ta n de f f e c t i v em e t h o df o rt h ee V a l u a t i o na n dd e s i g no f t h eb o d ys t r u c t u r ef a t i g u ep e r f 0 n n a n c e A sa ne n g i n e e r i n gr e s e a r c hp r o j e c t ，t h i ss t u d yw i l l c o m b i n et h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st e c h n o l o g y ，v i r t u a lp r o t o t y p em o d e l i n gt e c h n o l o g y ，V i r t u a l t e s tt e c h n o l o g y a n df a t i g u e1 i f ep r e d i c t i o nt e c h n 0 1 0 9 yt o g e t h e rt oc o n d u c tt h ef a t i g u ea n a l y s i so ft h e b o d vs t r u c t u r ea n dt h e l ic o n d u c tt h et e s to fe x p e r i m e n t a lV e r i f i c a t i o na n ds t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n T h em e t h o dw h i c hc o n d u c t e dt h ed u r a b i l i t yt e s ta n df a t i g u ea n a l y s i so f t h eb o d vs t r u c t u r eb a s e do nt h ev i r t u a lt e c h n o l o g yc a nq u i c k l y a n de f f e c t i V e l y e v a l u a t et h ef a t i g u ep e r f 0 册a n c eo ft h es t m c t u r e ， s h o r t e nt h ed e V e l o p m e n tc y c l e ， r e d u c et h ec o s ta n di m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t y C o n s e q u e n t l y ，t h i ss t u d yh a sg o o d m e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dp r o j e c ta p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c e T h i sp a p e rt o o kc e r t a i nb u s i n e s sm o d e la st h eo b j e c to fs t u d y ，f i r s t l yb u 订tt h e f i n i t ee l e m e n tm o d e la n dt h e n e x i b l em o d e lo ft h eb o d ys t r u c t u r e ， a n dt h e n e s t a b l i s h e dt h er i g i d n e x i b l ec o u p l i n gd y n a m i cm o d e lo ft h e V e h i c l eb yV i r t u a l p r o t o t y p em o d e l i n gt e c h n o l o g y N e x t ，t h ed u r a b i l i t yV i r t u a lr o a dw a s b u i l ta n du s e da s t h ee x c i t a t i o no ft h ev e h i c l ev i r t u a lt e s t ，a n dt h e no b t a i n e dt h ed y n a m i cb o u n d a r y 1 0 a d so ft h eb o d y F i n a l l y ，p r e d i c t e dt h ef a t i g u el i f eo ft h ef a t i g u e w e a ka r e ao ft h e b o d ys t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h es t a t i cs t a c k i n gc a l c u l a t i o nm e t h o da n df o c u s e do nt h e a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h er e a rs w i n ga r mm o u n t i n gb a s e w h i c hh a sc r a c k s d u r i n gt h ed u r a b i l i t yt e s t A sas u m m a r y ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dab a s i cp r o c e s st 0 r f - a t i g u e1 i f ep r e d i c t i o no ft h eb o d ys t r u c t u r eb a s e do nd u r a l b i l i t yV i r t u a lt e s t K e yW o r d s ：A u t o m o b i l eb o d ys t r u c t u r e ；R i g i d n e X i b l e c o u p l i n g ；S t a t i ca n dl i n e a r s u p e 印o s i t i o n ；F a t i g u e1 i f ep r e d i c t i o n ；S a f e t yf a c t o r I I I 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 强度、刚度和疲劳寿命是评价工程结构和机械使用可靠性和耐久性的三个基本 指标，而机械零构件8 0 以上的失效是由于疲劳破坏，因此对机械结构进行疲劳 强度分析和性能设计至关重要【1 1 。汽车作为复杂的机械系统，其可靠耐久性是整车 质量的重要保证，也一直是各大汽车企业及机构的重点工作和研究内容。 现代轿车设计理念已由无限寿命设计发展到有限寿命设计，使整车系统和部件 在使用期内功能完好且不发生疲劳破坏；而达到使用期后，零构件应尽可能多地 达到损伤极限，从而实现产品轻量化，节约材料、降低能耗、减少成本【2 】。车身作 为车辆的主要承载结构，为乘员提供活动空间和存放货物，而典型的承载式车身 则同时是底盘部件和车身附件的安装基础，因此车身结构必须具备足够的刚度和 强度性能。汽车行驶过程中，由于路面的不平整、车辆承载状态和使用环境( 如 气候和风向) 等因素的影响，车身结构通常承受着交变载荷的作用，而这种交变 载荷对车身结构强度影响较大，往往会引起一系列的强度问题即疲劳强度问题【3 】。 因此，车身结构设计除了满足基本的静强度外，更重要的是依据疲劳理念进行结 构设计、分析和优化，从而使结构具备合理的疲劳强度。 而传统的汽车疲劳耐久性工程一般通过可靠性试验来进行，包括实际使用道 路试验、试车场实验和室内台架试验【4 】。目前国内汽车企业通常以大规模和长周 期的外场试验来进行汽车可靠性验证，能够较为可靠地评价车辆的疲劳耐久性， 但耗时、成本高且难以快速检测出实际用户所遇到的车辆问题根源，而且试验只 能在样车制造以后进行，对汽车产品概念设计及详细设计初期的指导作用有限， 存在只能检测而无法预测问题的局限性【5 】。同时国外各大汽车企业及研究机构对 先进的室内台架试验进行了系统深入的理论和工程应用研究，取得了显著的成果， 但是仍然存在成本高、周期长且难以快速找出问题根源等限制。而现代C A E 技术 主要应用于结构拓扑设计及优化、多体仿真分析、结构有限元分析和设计优化等 工程领域，往往缺少客观数据的输入和试验验证，同时缺少多种分析技术结合的 应用研究。 随着c A E 技术的发展，基于虚拟样机的虚拟试验场技术在世界各大汽车企业 得到广泛应用。结合结构C A D 设计、有限元分析、多体动力学、系统优化设计 和虚拟试验等多种技术，在产品研发过程中基于耐久性虚拟试验对关键结构进行 疲劳寿命预测，能够快速有效地判断关键零部件和系统结构的疲劳寿命薄弱部位， 为汽车系统级和部件级的疲劳耐久性分析提供了一种新的设计、评估及优化方法。 基于刚柔耦合的车身结构疲劳分析 同时虚拟试验技术已超越汽车产品开发的概念和设计阶段，正逐渐与外场试验和 室内台架试验相结合，与传统方法对比其技术优势和先进性得到不断凸显。本课 题以A D A M S 虚拟样机设计软件为平台，通过建立整车的刚柔耦合多体动力模型， 组合典型的虚拟道路对整车进行耐久性虚拟试验，并结合疲劳分析理论和F a t i g u e 软件对车身结构关键零部件进行疲劳寿命分析，实现对车身结构的疲劳耐久性快 速有效的分析判断和优化，最后总结出一套以耐久性虚拟试验技术为支撑的车身 结构疲劳寿命预测流程。研究成果将为相关汽车企业提供工程应用参考，使企业 在车身结构设计阶段能够降低研发成本、缩短设计周期并提高产品质量，从而提 升企业的核心竞争力。 1 2 研究现状和前景 疲劳一般定义为材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化【6 】。疲劳 作为重要的科学研究内容，系统分支庞大且涉及理论广泛而深入，至今仍是较为 热门的研究方向。 在疲劳损伤理论研究方面，形成了比较系统成熟且应用广泛的四种理论方法， 包括线性疲劳累积损伤理论、双线性累积损伤理论、非线性累积损伤理论和以由 试验和分析总结出的经验半经验公式为理论的损伤累积法则【7 】【8 】【9 】。 在疲劳寿命估算方面，国内外相关机构和企业深入研究并取得了丰硕的成果。 H a s s a n 6 岬a n 、张行和崔德渝提出了损伤力学有限单元附加载荷方法以改进和发 展疲劳寿命预估，从而解决高周疲劳、中周疲劳和考虑损伤各向异性条件的寿命 问题【l o 】。L i p i n gH u a n g 、H a dA g r a w a 总结出基于计算机仿真分析的车身结构疲劳寿 命分析的基本方法【l I 】。对于疲劳分析软件的开发，国外则已研发出一系列优秀且 成熟的软件产品，包括英国n C o d e 公司的n s o n 软件、M S C 公司的M S C F a t i g u e 软件 和比利时L M S 公司的F a l a n c s 软件等，这些软件产品为准确预测汽车的可靠耐久性 提供了丰富的分析平台并在各知名汽车企业中得到广泛应用。 在结合虚拟试验技术进行汽车可靠性研究方面，国外进行了大量研究，国内 则处于起步阶段。W B F E R l w 和P R F R I S E 通过对实车进行试验和虚拟仿真从而 结合两者对汽车耐久性试验的流程进行优化；H O p p e m a n n ，M B a e c k e r 和 T L a n g t h a l e r 等人则利用虚拟技术T W R ( T i m eW a V e f o r i l lR e p l i c a t i o n ) 对整车进行虚 拟的耐久性试验分析并获取相应的模型驱动信号【1 3 】；R F O L K S O N 和 F M A H M M U D 对如何将虚拟试验技术运用于轿车产品开发流程中进行了系统研 究【1 4 】；D u s t i n s A l d r i d g e 研究了轿车研发过程中的耐久性并对耐久性分析的基本 流程进行总结【1 5 】；E N e u w i n h ，K H u n t e r 和P S i n g h 等人建立了整车虚拟样机模型 并实现了耐久性试验仿真【1 6 】；P e l l e f C a r l b o m 综合运用多体动力学和有限元法对 关键结构的疲劳耐久性实现了仿真分析【1 7 1 ；K l a u sJ o e r g D i t t m a n n E J o s e f A l b r i g h t 2 和C s t o p hL e s e r 系统地阐述了虚拟试验模型的验证理论和方法【1 8 】。 国外对虚拟试验技术的研究较为系统和深入，而国内各企业和高校也努力积 累经验，并取得了一定的研究和应用成果。同济大学的陈栋华等对实车进行了道 路载荷谱采集并对整车进行了刚柔耦合多体动力学建模，同时以此为基础进行了 整车耐久性虚拟试验并有效地评估了底盘部件的疲劳寿命【1 9 】。吉林大学吴碧磊等 建立了驾驶室的刚柔耦合动力学模型，并以试验采集的加速度信号作为输入，实 现了驾驶室的疲劳寿命分析【2 0 】。同济大学徐刚、周钱等结合试验场车辆载荷谱和 有限元法对后桥进行疲劳寿命分析并进行室内台架试验以校核分析结果，证明了 该方法在预测系统内受力较为复杂部件的疲劳寿命方法的有效性【2 - 】。 因此，随着虚拟试验技术的成熟和广泛应用，其将为汽车可靠性研究和应用 提供一种更为准确可靠的技术手段，并全面实现整车性能的虚拟试验和分析。 1 3 研究思路及工作内容 1 3 1 学术构想及思路 耐久性试验是通过样车的实际道路行驶或者试验场、室内台架加速试验来评 价车辆及其零构件的抗疲劳性能，有效性和可靠性较高，但是周期长、成本高且 具有可检测但不能预测的局限性；而仿真分析则是通过建立虚拟模型，获取载荷 边界，并依据相关理论和分析技术进行结构疲劳寿命预测和优化，相对周期短、 成本低且能够贯穿于整个产品技术设计阶段，直到后续的产品试验验证，实现产 品的全面性能设计，但是仿真分析往往缺少虚拟模型的验证、准确载荷的输入以 及分析结果的校核。因此，结合虚拟样机技术的虚拟试验方法将为整车可靠性研 究提供一种新思路。成熟的虚拟样机建模技术保证了整车模型的准确性和可靠性， 并具备全面的模型性能验证功能；而基于典型道路试验研究的虚拟路面，为虚拟 试验模型提供了更加接近现实的载荷激励；综合两者的虚拟试验技术最终能够实 现对车辆系统级和部件级的疲劳耐久性进行快速有效的分析判断、设计及优化， 从而缩短研发时间并提高产品质量。 1 3 2 研究内容及技术路线 本课题涉及到有限元方法、多体动力学、系统设计及优化、虚拟试验和疲劳 寿命预测等多学科的理论和应用研究，是综合性的研究项目。主要研究内容为： ( 1 ) 结合有限元分析技术，运用前处理软件H y p e r m e s h 对车身结构进行有 限元建模，通过M S CP a t r a n N a s t r a n 软件对车身模型进行模态分析和验证，分析 获取横向稳定杆和车身结构的模态中性文件，并建立相应的柔性体模型。 ( 2 )结合虚拟样机技术，运用A D A M S 软件对整车进行刚柔耦合多体动力 学建模，并对悬架和转向系子系统进行仿真分析和验证。 基于刚柔耦合的车身结构疲劳分析 ( 3 ) 对海南汽车试验场进行调查分析，调用V P G 数据库中的美国M G A 汽 车试验场道路模型，通过各种典型路面模型的组合得到与海南汽车试验场可靠性 道路相对应的总体虚拟路面，最后通过路面数据文件的编辑建立A D A M S 虚拟路 面及相关路面文件。 ( 4 )建立虚拟试验驱动控制文件并对仿真求解器进行参数设置，组装虚拟 试验模型并进行仿真分析，最后获取虚拟试验过程中的车辆动态参数和车身各通 道的动态载荷数据，并对动态载荷数据进行功率谱密度分析以验证数据的有效性 和可靠性。 ( 5 )利用准静态叠加法计算得到车身结构单元的应力响应，参照材料疲劳 特性曲线，依据疲劳累积损伤理论并结合F a t i u g e 软件对车身结构关键部位如各 门框区域和主要承载件进行疲劳分析，并重点对路试开裂的后摆臂支座进行结构 优化和分析，然后对疲劳分析结果进行试验对比验证和可靠性评价，最终总结出 一套基于虚拟试验技术的车身结构疲劳分析流程。 综上所述，本课题的技术路线可概括如图1 1 ： 图1 1 研究的主要技术路线 4 工程硕士学位论文 第二章车身有限元建模及模态分析 现代汽车大部分为承载式车身，需要满足基本的刚度、强度和疲劳耐久性、 轻量化、安全以及舒适性等各方面性能要求，其车身结构力学特性决定了整车的 品质。在产品设计阶段，依据车身的几何、材料及边界条件等信息建立有限元分 析模型并进行分析，可初步获取车身的静态和动态特性。 2 1 有限元法理论基础 离散化是有限元法思想中的重要理论依据，其设想将连续体划分为有限个数 的单元，单元间仅在有限节点上相连接且只由节点传递单元间的相互作用力，从 而以离散得到的有限单元的组合来表示原连续体。依据分块近似的思想，每个单 元的位移分量变化规律分别以简单函数来近似表示，再根据变分原理( 虚位移原 理) 确定单元节点力与位移的关系，最后组合这些单元的关系特性即得到一组以 节点位移为未知量的平衡方程组，考虑边界约束条件的同时对这些代数方程组进 行求解，得到各离散节点的位移分量并根据物理本构方程计算出各单元应力【2 z 】。 2 2 有限元法的分析流程 有限元法的一般分析步骤可分为结构离散化、选取位移模式、单元力学特性 分析、建立平衡方程和节点位移及应力求解【2 3 】。 1 结构离散化 结构的离散化就是将分析对象划分为有限个数的单元组合，并在各单元的相 应位置建立节点，以相邻节点连接来保证单元相关参数的连续性，并使所有单元 组合成为一个集合体从而代替原有结构。 2 选取位移模式 有限元法一般采用位移法进行计算，即以节点位移分量作为基本未知量，其 他参量如单元位移、应变和应力则通过节点位移来表示。由于实际结构的位移是 连续分布的，而节点位移不能完整地表述结构连续位移，有限元法则通过假定单 元的位移分布形式( 即单元位移函数) ，使其满足节点的位移连续条件和单元边界 的位移连续条件。多项式是有限元法分析中普遍采用的位移函数，可以更好地逼 近一般光滑的曲线和曲面。如已知位移模式，则单元内任一点的位移关系可用节 点位移表示为： 缸) = 【】 ( 2 1 ) 基于刚柔耦合的车身结构疲劳分析 式中：函 为任意单元节点的位移列阵， 母。为单元的节点位移列阵，【】为 形函数矩阵。 3 分析单元特性 选定位移模式后，需根据单元的几何、材料性质及节点信息等参数对单元的 力学特性进行分析。 ( 1 ) 根据几何方程，由式( 2 1 ) 得到以节点位移为变量的单元应变关系式 转) = 防】 艿) 8 ( 2 2 ) 式中：墨) 为任意点的应变列阵，防】为单元应变矩阵。 ( 2 ) 根据本构方程，由式( 2 2 ) 得到以节点位移为变量的单元应力关系式 p ) = 【D 恬) 砖。 ( 2 3 ) 式中：p 为任意点的应力列阵，【D 】为弹性矩阵。 ( 3 ) 根据变分原理，建立节点力与节点位移间的关系式，得到单元的平衡方程 扩) _ 【K n 讲 ( 2 4 ) 式中：杪) 为单元上的节点力列阵， K 】。为单元刚度矩阵。 4 建立平衡方程 首先根据各单元的刚度矩阵集合成结构的整体刚度矩阵，然后将各单元的等 效节点力的列阵集合成整体的载荷列阵，从而建立整体结构的平衡方程： 扩) = k 弦) ( 2 5 ) 式中： F ) 为载荷列阵，k 】为整体刚度矩阵，p 为结构节点位移列阵。 5 求解节点位移 由结构平衡方程组( 2 5 ) 可求解出未知的节点位移，再根据式( 2 3 ) 和节 点位移求解出各单元的应力。 2 3 车身结构有限元建模 汽车车身的轮廓曲面复杂且构件较多，其造型设计是车型研发过程的关键环 节，也是进行工艺设计、模具制造和有限元建模及分析的基础。本节则在企业现 有汽车车身三维U G 模型基础上，对车身结构进行有限元建模。合理准确的有限 元模型建立是进行有限元分析的首要条件，对有限元分析的运算规模和结果的精 确度有着直接影响。车身结构有限元建模包括以下主要工作：几何模型处理、选 择单元类型及划分网格、赋予部件材料属性、模型连接和装配等。 6 2 3 1 主要材料参数 车身材料主要有钢材、玻璃和粘胶三种，其材料参数如下表2 1 。 表2 1 车身模型主要材料参数 2 3 2 车身结构模型 完整的车身结构有限元模型如图2 1 ，模型单元类型主要是壳单元( 四边形 和三角形单元) ，主要连接方式为点焊( S p o tW e l d s ) 和一维单元( R b e 2 R b e 3 ) 连接。模型总节点数5 5 0 4 6 4 ，总单元数5 3 7 3 7 5 。 2 4 结构模态分析 图2 1 车身结构有限元模型 车辆在行驶过程中，由于发动机运转、起伏路况以及高速行驶时风力等振动 源的激励，车身结构会产生振动。当以上振源的激励频率接近结构整体或局部的 固有频率时，结构将产生共振而进行强烈振动，甚至发生破坏。良好的车身振动 特性是整车舒适性、可靠性和安全性等重要性能的保证，因此必须对车身结构振 动特性进行分析和优化从而得到合理的结构固有频率，而模态分析技术是解决结 构振动问题有效且经济的关键方法。 模态分析的关键思想是利用线性系统的叠加原理对复杂系统进行振动分析， 主要工作是对描述结构系统动态特性的固有频率、阻尼比以及振型等参数进行分 析确定，而获取结构模态参数的方法一般有理论分析和试验分析两种【z 。】。 2 4 1 模态理论分析法 模态理论分析方法的基本思想是以模态矩阵作为变换矩阵，将线性定常系统 振动微分方程组中的物理坐标通过矩阵变换而转换为模态坐标，并将以模态坐标 和模态参数为参量的独立方程代替原系统的耦合方程，实现系统耦合方程解耦从 基于刚柔耦合的车身结构疲劳分析 而简便地求解系统的模态参数【2 5 】。 在线性条件下，可将连续的非线性物理结构离散为线性振动系统，而线性系 统的运动微分方程可表示为： 阻】函) + C ) + 医】& = p 】 式中：】为结构整体质量矩阵；【c 】为结构整体阻尼矩阵； 度矩阵；函) 为结构位移响应向量；p 】为激励力向量。 ( 2 6 ) k 】为结构整体刚 由于结构固有频率与载荷无关而且结构阻尼一般较小，因此模态分析中可取 【F 】= o ，同时忽略阻尼不计，则由式( 2 6 ) 得到无阻尼自由振动方程： 阻】缸) + k ) = o( 2 7 ) 弹性体的自由振动可以用简谐振动的组合来表示，由式( 2 7 ) 可转化： 卜国2 阻) = o( 2 8 ) 式中：缈：为方程特征值，缈为结构系统的固有频率。 因此求解振动方程( 式2 8 ) 的特征值即进行模态分析，从而可获取结构的 固有频率q ( f _ 1 ，2 ，z ) 和结构位移响应向量 z f ，即结构的振型。 2 4 2 模态试验分析法 模态试验分析法是以一定的激振力激励系统并获取相应的系统响应，然后分 析处理激振力和系统响应数据从而识别并确定系统相关模态参数的试验方法。模 态参数一般是指由试验测得系统的极点( 固有频率和阻尼) 和振型( 模态向量) f 2 4 】。 对结构的动态特性进行测定时，常利用激振器对结构或结构的支撑装置进行激励 从而使结构进行简谐振动，然后测量并获取结构特定点的动态数据，经过数据处理 后得到结构的模态参数信息。 2 4 3 车身模态分析及验证 车身结构是具有多自由度的复杂系统，很难对其所有固有频率和振型向量进 行分析获取，而对车身结构动态响应贡献最大的是低阶固有频率及其相应的振型 向量，因此车身结构模态分析往往只对系统响应中的低阶固有频率和振型向量进 行分析研究。下面选取了车身结构比较重要的三个典型模态参量进行研究，包括 尾门框扭转变形模态、整车一阶弯曲模态和整车扭转模态。由表2 2 可知，仿真模 态的振型与试验模态振型描述较为一致，对应阶次固有频率值的相对误差在4 范 围内，说明车身模型的动态特性与实车特性较为一致，模型可靠性较高。 程砂! I 学位论文 图2 2 整车一阶模态 图2 4 整车扭转模态 2 5 本章小结 图2 3 整车一阶弯曲模态 木章简要地介缁厂有6 艮元分析方法和模态分析法的相关理论和分析流程，并 对车身结构进行了有限元建模、模态分析和验证。结果表明车身模型的模态分析 结果J 试验数据较为一致，有5 陵冗模型的动态特性与实1 i 符合程度较高，这为有 5 艮兀分析和结构优化提供1 r 准确叮靠的模型基硎j 。 基于刚柔耦合的车身结构疲劳分析 第三章柔性体建模及模型校验 3 1 柔性体理论 z s 】 A D M A M S F l e x 中的结构弹性特性以模态柔性来描述，基本思想是以模态集 合来表示柔性体，依据模态展开法弹性位移可通过线性组合相应的模态向量和模 态坐标来描述，而柔性体的变形运动则以计算得到的物体每一时刻的弹性位移来 表示。 3 1 1 柔性体的系统坐标系 图3 1 节点P 的坐标表示 柔性体的坐标系由惯性坐标系( P ) 和动坐标系( P 6 ) 组成，如图3 1 所示。惯性 坐标系作为全局坐标系，不随时间变化；动坐标系建立在柔性体上，通过相对于 惯性坐标系的有限移动和转动来描述柔性体的运动，而其在惯性坐标系上的坐标 称为参考坐标。 3 1 2 柔性体的表示 一般的刚体运动可通过分解成几类较为简单的平面运动来进行运动分析，而 柔性体的运动( 特别是小变形情况下) 与刚体运动相类似，酲口当柔性体运动时其 运动状态可分解为：刚性移动+ 刚性转动+ 变形运动。如图3 1 为柔性体上任意点 P 的坐标表示，其位置向量表示为： r = r o + 彳b 口+ “p J( 3 1 ) 式中：厂为P 点的位置向量( 惯性坐标系) ，。为浮动坐标系原点的位置向 量( 惯性坐标系) ，A 为方向余弦矩阵，甜。为相对变形向量，s 。为柔性体未变形 时p 点的向量( 浮动坐标系) 。 对于点p 处单元的相对变形可通过模态坐标来表示： 1 0 工程硕士学位论文 “p = 西p g ， ( 3 2 ) 式中：口为点P 的变形模态矩阵；口为变形的广义坐标。 而考虑节点尸变形前后的方位和模态后，得到柔性体的广义坐标： 孝= 卜J ，z 缈口订= 【，yg 】1 ( 3 3 ) 式中：扣1 ，2 ，M 。 3 1 3 柔性体动力学方程 根据拉格朗日方程的推导计算，得到柔性体的动力学方程： 丢( 券) - 嚣+ 嚣+ 篝卜一Q - - - c3 l 沙= o 式中：沙为约束方程，A 为与约束方程相对应的拉氏乘子，f 为式3 3 定义的 广义坐标，Q 为投影到手上的广义力，为拉格朗F 1 项( = 丁一矿，丁和分别 表示动能和势能) ，r 为能量损耗函数。 3 2 柔性体建模流程 柔性体的建模方法一般有离散坐标法、自动柔性化法和模念中性文件法三种， 其中引入模态中性文件法的柔性体建模步骤如下【2 7 】： ( 1 ) 建立目标部件的有限元模型，并在模型边界约束点处建立多点约束( M P C ) ； ( 2 ) 定义外部节点、设置求解工况和输出参数： ( 3 ) 运用有限元求解软件N a s t r a n 来分析获取模态中性文件； ( 4 ) 将模态中性文件引入A D A M S ，生成柔性体部件或替换原刚体部件并校核模 型，最后在模型边界硬点处建立约束从而构建目标部件的多体模型。 3 3 横向稳定杆柔性体建模 现代汽车大部分都采用横向稳定杆来加大悬架的侧倾角刚度，以改善汽车的 行驶稳定性。 3 3 1 横向稳定杆结构 横向稳定杆的结构如图3 4 ，其主要由横向杆、连接杆以及连接轴套、铰接 结构组成。 基于刚柔耦合的车身结构疲劳分析 图3 4 横向稳定杆结构 卜横向杆2 一连接衬套3 一连接杆4 一连接铰链 3 3 2 横向杆有限元建模 横向杆的有限元模型如图3 5 ，材料参数如表3 1 。结构单元类型选择四面 体单元，网格边长为5 m m ，模型节点总数为4 9 3 9 ，单元总数为1 6 0 8 3 。 图3 5 横向杆有限元模型 表3 1 横向杆的材料参数 3 3 3 柔性体生成及模型校验 对横向杆有限元模型进行自由模态分析并获取模态中性文件，导入A D A M S 软件并生成柔性体，然后通过柔性体的信息数据来校核模型的准确性。 有限元计算模态和M N F 生成柔性体模态对比结果如表3 2 ，A D A M s 柔性体 与有限元模型的固有频率相比较，固有频率数值相差不超过1 ，而由图3 6 至3 1 1 中A D A M S 柔性体和有限元模型的前三阶模态( 除刚体模态外) 振型图可知，两 者相应阶次的模态振型较为一致，故生成的柔性体在传输转换过程中正确无误。 1 2 ，州! I 二；：f 记沦文 表3 2 横向杆柔性体模态数据与有限元分析模态结果对比 阶次 A D A M S ( H z )N A S T R A N ( H z ) 阶次A D A M S ( H z )N A S T R A N ( H z ) 0 5 3 7 3 2 1 0 6 3 9 l 1 0 6 5 9 l l3 0 7 5 l 2 1 4 4 3 5 2 7 5 7 3 7 0 5 3 7 3 0 1 0 6 4 0 1 0 6 6 0 l3 0 7 0 2 1 4 4 0 2 7 5 7 0 4 8 5 0 414 8 4 8 0 5 3 5 8 0 9 8 0 6 0 4 4 8 2 5 4 7 9 8 5 7 5 5 5 8 6 9 7 6 6 l l3 6 5 3 7 5 3 5 7 0 8 0 5 6 0 8 2 4 7 0 8 5 6 1 0 8 6 8 5 0 1 13 5 0 133 6 0 0 6 63 6 0 0 0 2 1 1 1 8 6 4 5 8 1 l8 5 0 图3 6A D A M S 柔f 生体第7 阶模态 厂、 、 图3 8A D A M S 柔性体第8 阶模态 图3 1 0A D A M s 柔性体第9 阶模态 3 3 4 建立横向稳定杆多体模型 图3 7 有限元模型第7 阶模态 l 、上 图3 9 有限元模型第8 阶模态 图3 1l 有限元模型第8 阶模态 1 连接约束 为J ，缓冲隔振和减低噪声，横向稳定杆与1 i 身的连接处均宵橡胶支承，连接 点处的媳掣结构形j = = 如图3 12 所尔【2 刖。，其。 ，( a ) 掣为最媳，魁的叫：一乍肖结构，其r f - 的橡胶兀件川川J 二稳定卡j 减震器m 环处的连接：( d ) 巧! 结构限制1 广稳定f 叫* 部 H ” “ 憾 坶 加 巧 7 8 9 m 他 綦于刚柔耦合的乍身结构疲劳分析 的横向位移，用于需要稳定杆兼起导向元件作用的情况：( e ) 型用丁稳定杆中段 与车架( 车身) 的连接：( b ) 型和( c ) 型用于稳定杆端部与车轮的连接。 F ：镬。，母 逦嚣 一 ( b ) 商蠡蔺姻 净 卿膏 罔蓟墨 图3 1 2 稳定杆连接处的典型结构形式 木文中的横向稳定杆与车身连接处选用( e ) 型橡胶衬套，其结构如图3 13 ， 其参数曲线则如图3 14 所示。而横向杆与连接杆之间为恒速副连接，连接杆与减 振器之间为球铰连接。 x1 矿 横自奠定杆隹接蠢啊度曲岐 ：F 蔼盯刁 【洲魔 ，7 i：；，一，一 ，一，7 j 、匕一一Jj _ 打_ j 一 一1 矿_ I l 图3 13 衬套结构 图3 1 4 横向稳定杆衬套参数曲线 2 组建横向稳定杆多体模型 在A D A M S 软件中对柔性体建立约束时，需要在连接处建立一个无质餐连接 物体( I n t e r f a c ep a r t ) ，将兀质量连接物体与柔性体进行吲定连接，然后将连接约 束施加在哑物体l ：( I n t e r f a c ep a r t ) 。如图3 15 为横向稳定杆多体模型。 3 4 白车身柔性体建模 图3 15 横向稳定杆多体模型 | ， 年身及4 i 身焊接总成是乍身结构件和午身覆，箍件焊( 或铆) 接存1 起的 结构体， i 要包括地板、顶盖、自仃舱和前后侧刚等几个部分。 1 4 3 4 1 生成车身柔性体 在白车身有限元模型基础上，求解车身模型的自由模态并获耳义模态中性文件， 然后导入A D A M s 软件中牛成柔性体模型，车身柔性体模型如图3 16 。 图3 16 白车身柔性体椟型 3 4 2 校验柔性体模型 A D A M S4 i 身柔性体模态信息数据与有限元分析模态结果对比如表：3 3 ，两者对 应阶次的同有频率值相差不超过1 ，整4 二一阶模态、整车一阶弯曲模态和整车扭 转模态的对应振型如图3 17 至3 2 2 所示，变形较为一致，因此柔性体转换过程 准确无误。 表3 3 车身柔性体模态数据与有限元分析结果对比 图3 17A D A M s 柔性体整车一阶模态图3 18 有限元模型整车一阶模态 基于刚柔耦合的下身结构疲劳分析 图3 19A D A M S 柔性体整车一阶弯曲模态 图3 2 0 有限元模型整车一阶弯曲模态 图3 2 1A D A M S 柔性体整车扭转模态图3 2 2 有限元模型整车扭转模态 3 4 3 建立车身边界约束 在车身各硬点处建立无质量连接：部件( I n t e r f a c ep a r t ) ，并将无质量连接部件 与车身柔性体进行固定连接，连接方式如图3 2 3 和3 2 4 所示。 图3 2 3 车身柔性体边界约束模型图3 2 4 局部边界约束( 放大图) 3 5 本章小结 本章较为系统地阐述了柔性体的相关理论和方法，总结厂柔性体建模的 一般流程，并对横向稳定杆和白车身进行J ，柔性体建模和模型校核，同时依 据实际结构边界条件建立了横曲稳定杆和白车身与其他部件之间的连接和约 束条件。横向稳定杆柔性体的建立，使悬架系统设计满足J ，导向杆系弹性变 形的实际情况，从而使悬架建模准确性提高：而在整车模型r ；I 入车身柔性 体，既叮以考虑剑车身弹性变形而仿真获取乍身结构的动态澎力应变响应， 同时使车身结构的边界载荷分析更肌l 准确，而动态应力应变响应和边界载荷 是进行乍身结构疲劳寿命必不可少的数据输入。 工程硕士学位论文 第四章整车刚柔耦合建模及悬架分析 A D A M S C a r 是M D I 公司与A u d i 、B M W 、R e n a u l t 和V b l v o 等世界知名企业 共同合作开发的轿车整车设计模块，建模和仿真分析精度较高，实现了模板、子 系统与总成装配之间的系统分级建模及整车装配，同时对整车模型可实现多个标 准定义的试验和自定义试验，涵盖了几乎所有的国标车辆动力学试验方法。 4 1 多刚体动力学理论基础【2 9 】 4 1 1 广义坐标的选择 A D A M S 软件中刚体的广义坐标是以刚体质心的笛卡尔坐标和反映其方位的 欧拉角来表示的。刚体f 的广义坐标描述如下： 刚体f 的笛卡尔坐标g ，= 【z ，y ，z ，秒，缈】7 ，刚体具有六个自由度；刚体系统的 广义坐标矢量Q = 【g 】，g ：，g ，g 。弘以为系统中刚体构件的数目。 4 1 2 运动学分析 对系统进行运动学分析时，其自由度为零，因此只求解如下系统约束方程即 可得到系统的坐标向量： ( g ，f ) = 0( 4 1 ) 式中：为代数方程列阵，用以表示系统约束关系；g 为广义坐标列阵。 对约束方程分别对时间求解一阶、二阶导数，即得到厶时刻的速度和加速度： 褂一警 2 ， g ”= 一降喜喜老“+ 采卜若( 孙 3 ， 而f 。时刻的约束反力可由以下公式求解得到： ( 考 r 允= 一丢( 若 7 + ( 考 7 + Q c 4 4 ， 1 7 基于刚柔耦合的车身结构疲劳分析 4 1 3 动力学分析 进行系统动力学分析时，可根据拉格朗日第一类方程，可建立如下系统的动 力学方程，从而求解构件的速度、加速度、位置以及运动约束反力： 丢( 嚣 r 一( 鼍) r + 乙p + g 乙= Q 厂( g ，f ) ：0 完整约束方程 ( 4 5 ) g G ，g ，f ) ：o 非完整约束方程 式中：丁为系统的功能，g 为系统的广义坐标列阵，Q 为广义数组，p 、分 别为对应于完整约束和非完整约束的拉氏乘子列阵。 系统动力方程的一般形式为： f ，b ，甜，“，兄，f ) = o G ( ”，g ) = “一g ( 4 6 ) l 矽b ，f ) = o 式中：“为广义速度列阵，q 为广义坐标列阵，G 为用来表示系统广义速度 的代数方程列阵，痧为用来表示系统约束的代数方程列阵，五为约束反力和作用 力列阵，F 为系统动力学微分方程。 4 2 整车建模思路及流程 汽车是一个多自由度的“质量冈0 度阻尼”复杂动力学系统，A D A M S C a r 模 块提供了一种功能强大的整车系统分级建模及装配组合的模块化建模方法：首先 从系统级别分析整车系统构成，划分车辆子系统，建立子系统模板，在模板基础 上详细构建子系统总成模型，然后以各子系统总成为构架，通过各子系统总成之 间的连接及约束关系组装建立整车模型，最后赋予整车模型完整的动力学参数从 而完成整车系统动力学建模。整车多体动力学建模流程如图4 1 ，具体的整车建 模步骤如下： ( 1 )分析整车系统构成，划分整车系统各子系统( 一般包括车身、悬架、 转向系、制动系、动力系和轮胎子系统) ，同时确定各子系统之间的相互约束关系 并获取整车参数。 ( 2 )分析各子系统构件的拓扑结构和连接约束关系，并根据实际情况进行 一定的简化和等效处理，建立相应的子系统模板。 ( 3 )以各子系统模板为基础，定义并赋予子系统相应的运动学参数，从而