（光学工程专业论文）国产某a级车车身结构分析与优化研究.pdf

摘要 摘要 现代生活中，汽车具有了越来越重要的地位。而在不远的将来，中国将成为 世界上汽车保有量和需求量最大的国家之一，充分考虑能源环境的制约，壮大自 主品牌和自主开发能力成了当务之急。 车身是轿车的关键总成，它的构造决定了整车的力学特性，对车身进行静动 态分析不仅能考察车身结构的整体刚度特性，而且可以指导人们对车身结构进行 优化以及响应分析。本文通过与国内某汽车生产企业的合作，进行了某国产a 级 车车身结构分析与优化方法研究。 针对该a 级车白车身，建立完整的车身有限元模型，计算其模态和静态刚强 度特性，并与同类型车进行比较，查看结构特性的合理性s 讨论了焊点直径和焊点间距对刚度和模态参数的影响，并控制焊点应力和车 身强度。 在进行结构厚度优化前计算了板件厚度对模态、刚度和强度的灵敏度，为结 构优化时设计变量的选取提供有价值的信息，提高了优化效率。 结合多目标全局优化等现代车身设计方法，研究汽车轻量化技术，包括板厚 的改变、零部件的优化分块等。在主要部件板厚优化的结果使总质量略有下降的 同时，各个工况的刚强度得到进一步满足。 最后，总结了全文，并对今后研究方向进行了展望。 关键词：a 级车，动静态特性，焊点直径及间距，结构灵敏度，板厚优化 a b s t r a c t a b s t r a c t i nm o d e r nl i f e ，a u t o m o t i v ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei no u rl i v e s i nt h en e a rf u t u r e ， c h i n aw i l lb e c o m eo n eo ft h ec o u n t r i e sw i t hl a r g e s tn u m b e r sa n dg r e a t e s td e m a n d i n g f o ra u t o m o t i v e s s ot h eu r g e n tt a s ki st ot h i n ka b o u tt h er e s t r i c t i o no fe n e r g ya n d e n v i r o n m e n t ，e x p a n d i n gd o m e s t i cb r a n da n de n h a n c et h ec a p a b i l i t yf o ri n d e p e n d e n t d e v e l o p m e n t b o d yi st h ek e ya s s e m b l yo fac a r i t ss t r u c t u r ed e t e r m i n e st h em e c h a n i c s c h a r a c t e r r i s t i c so ft h ew h o l ec a r ，n l es t a t i c & d y n a m i ca n a l y s i so fc a rb o d yc a nn o t o n l ye x a m i n et h ei n t e g r a t i v es t i f f n e s sp e r f o r m a n c e ，b u ta l s op r o v i d et h ed i r e c t i o no n s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n dr e s p o n s ea n a l y s i s t h r o u g ht h ec o o p e r a t i o nw i t hd o m e s t i c a u t o m o t i v em a n u f a c t u r e r , t h i s p a p e rf o c u s e s o nt h es t r u c t u r a l a n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho fc e r t a i na - c l a s s c a r d n em o d ea n ds t a t i cp e r f o r m a n c eo fs t i f f n e s sa n ds t r e n g t ha r ea n a l y z e df o rt h e b o d yo fa c l a s sc a r , w h i c hc o m p l e t ef em o d e li sc o n s t r u c t e d n ep e r f o r m a n c ei s c o m p a r e dw i t hp e e rc a r st oc h e c kt h er a t i o n a l i t yo fs t r u c t u r e n ed i a m e t e ra n dd i s t a n c eo fw e l ds p o t sw i t hr e s p e c tt ot h em o d ea n ds t i f f n e s s a r ea n a l y z e dw h i l et h es t r e n g t ho fw e l ds p o r t sa n dc a rb o d yi sc o n t r o l l e d 1 1 1 es e n s i t i v i t i e so ft h ep a n e lt h i c k n e s s e sw i t hr e s p e c tt ot h em o d e ，s t i f f n e s sa n d s t r e n g t h a r ec a l c u l a t e db e f o r es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n ，w h i c hp r o v i d e s v a l u a b l e i n f o r m a t i o nf o rt h es e l e c t i o no fd e s i g nv a r i a b l e sd u r i n gs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n d i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h eo p t i m i z a t i o n m a k i n gu s i n go fm o d e mm e t h o d o l o g yo fa u t o m o t i v ed e s i g ns u c ha so v e r a ho p t i m i z a t i o n w i t hm u l i t - t a r g e t s ，r e s e a r c ho nl i g h tw e i g h tt e c h n o l o g yo fm o d e mv e h i c l eh a sb e e nd o n e ， i n c l u d i n go ft h ec h a n g eo fp a n e lt h i c k n e s s ，b l o c ko p t i m i z a t i o no fp a r t sa n ds oo n a f t e rt h e o p t i m i z a t i o nf o rt h ep a n e lt h i c k n e s s e so fp a r t s ，t h et o t a lm a s so ft h ec a rb o d yi s s l i g h t e dd e c r e a s e d i nt h em e a n w h i l e ，t h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ft h ec a rb o d yi n v a r i o u sc a s e sa r ei m p r o v e da n dt h es t a n d a r di ss a t i s f i e d f i n a l l y , t h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da n dt h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r e d i s c u s s e d k e yw o r d s ：a c l a s sc a r , d y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d i a m e t e ra n dd i s t a n c e o fw e l ds p o t s ，s t r u c t u r a ls e n s i t i v i t y , o p t i m i z a t i o nf o rp a n e lt h i c k n e s s e s i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：韵乏 no - 年3 月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：幸匆审定 妒7 年弓月2 o e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 “如果说1 9 世纪是能源的世纪，那么2 0 世纪应该是汽车的世纪。”在经历了二 十世纪的高速发展后，汽车即将迎来它的中国纪元。随着经济发展水平的迅速提 高，中国已经进入大众汽车消费时代。依照可以借鉴的国际经验，一个大国在进 入汽车大众消费阶段后，汽车产业将会经历长达2 0 3 0 年的快速增长。而人们对 汽车的品质和数量的需求也有了很大的提高。这样，无论汽车设计技术还是对汽 车进行分析的技术显的尤为重要。 轿车车身是轿车的重要总成之一，就轿车车身的设计成本而言，约占整车总 成本的一半。在激烈的市场竞争中，汽车企业一直在不断更新车型，特别是车 身造型，开发适应市场需求的新品和平台，这已成为汽车制造企业的共识，而车 身设计与开发工作是新产品开发的主要内容。由于车身更新频率高，技术进步快， 开发设计手段先进，因此将拥有车身设计开发能力作为形成汽车自主开发能力的 f j 提条件，具有非常重要的意义瞳，。 随着计算机技术和数值计算方法的发展，计算机辅助分析( c a e ) 在汽车行业 被广泛采用，现代轿车车身结构设计技术的发展也出现了新的特点。”h 5 | ： 1 ) 轻量化已成为车身结构设计普遍追求的目标。轻质车身结构研究的总体 目标是提高动力性，具体就是追求轻质、高刚度、高可靠性和耐撞性。优化车身 结构和在车身某些部位选用新材料成为降低车身重量的主要手段，如a u d ia 8 白车身主要采用铝材料，重量降低了约4 0 ，同时可实现高刚度和高可靠性。 2 ) 车身结构设计与性能分析并行。车身结构分析已贯穿到车身结构设计的 全过程，在车身结构设计初期的概念设计阶段就被用于指导设计，不再仅仅是后 期校验的工具。 3 ) 优化思想在设计的各个阶段被引入。由于对轻量化、舒适性及安全性的 要求在不断提高，使车身设计的难度越来越大，必须将优化设计思想和技术应用 贯穿于整个车身设计的过程。 4 ) 虚拟仿真实验技术得以采用并部分用于代替物理实物实验。虚拟仿真可 以大量减少开支，而且实施方便能获取足够的信息。由于它的出现减少了设计的 盲目性，便于及早发现设计中的问题，缩短开发周期。 5 ) 有限元法已广泛应用于车身分析的各个阶段。在新车型的开发设计过程 中，如何判断车身结构的合理性及车身结构静、动态性能的优劣，并对车身结构 第1 章绪论 进行优化，是一项非常重要的工作。有限元方法作为工程分析的一个重要的数值 分析方法，其理论已经相当成熟阳1 ，应用有限元方法进行轿车车身结构分析能有 效地满足轿车车身结构设计的要求口1 。 在进入“汽车社会”时，需要做到能源消耗最少，环境污染最小；中国要成 为汽车产业强国，壮大本国、本土企业；壮大自主品牌和自主开发能力显得尤为 重要。而随着油价的不断升高，排量较小，性价比较高的汽车越来越受消费者的 欢迎。所以本课题的分析优化对象为某自主研发的国产a 级轿车。应用现代仿真 分析法对车身结构进行深入研究，利用彷真结果指导设计，对车身结构提出改进 意见，这是非常重要的分析坏节。 1 2 国内外研究现状和发展动态 1 9 7 0 年美国宇航局引入了有限元结构程序n a s t r a n ，标志着以有限元分 析为基础的汽车结构设计与分析的开始。随着计算机技术的快速发展，用于工程 分析的软硬件有了巨大的变化。世界各大汽车公司和研究机构为了降低成本，提 高效率，均开始采用大型f e m 分析软件来进行产品设计开发，比较常用的有限 元分析软件有：n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 和h y p e r m e s h 等。 经过数十年的积累与发展，国外同行已经建r 立了高性能的计算机辅助分析系 统，形成了完整的设计、分析方法与试验程序，c a e 技术主要包括以下三个方 面的内容啤1 ： ( 1 ) 有限元法的主要对象是零件级，包括结构刚度、强度分析、非线性和热 场计算等内容； ( 2 ) 仿真技术的主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电磁 场计算等内容； ( 3 ) 优化设计的主要对象是结构设计参数。 一般来讲，汽车产品开发全过程有五个阶段和1 6 个步骤，必须经历样品从 方案、技术设计到试制，实物试验，再进行改进，小批量试制等一系列程序，需 要花费大量的时间和财力。而今所倡导的设计方法则是平台化，数字化，虚拟化。 从运用有限元法对已设计产品的性能进行简单校核，逐步发展到对产品性能的准 确预测，再到对产品工作过程的精确模拟仿真，有限元法和仿真技术发挥了重要 作用；随着技术的发展，车辆模拟碰撞分析，结构优化分析，n v h 振动、噪声 分析等领域也成为了有限元软件发挥的舞台。国外公司与研究机构已经在现有软 件的基础上，根据自身需求对系统进行二次，f ：发，达到前后处理与分析的高度同 步，大大降低了成本与研发时间。 2 第1 章绪论 例如m s c 公司开发的v p d 系列产品就已经在国外汽车行业被广泛应用， 用数字化样机研究所有汽车开发所应包括的性能，用稳健的设计方法，进行设计 灵敏度的分析与确定，用虚拟产品开发成熟度模型( v p d m m ) 持续改进和提升 产品研发流程，图1 1 即为m s c 公司关于汽车行业整体解决方案的示意图。 从上个世纪八十年代初，有限元的研究与应用开始出现在国内高校与研究机 构中，直到九十年代，c a e 技术才开始真正在国内企业中发挥其作用，历经十 余年的发展已经有了长足进步，在制造企业被广泛采用，尤其是汽车行业。从技 术上说中国和国外相差并不大，但在应用方面，国外有些领域已经达到非常完善 的程度，与国内相比具有很大程度的领先，且c a e 各模块的使用效果无法让国 内企业满意如图1 2 、1 3 所示。这些差距主要表现在： ( 1 ) 国内对车身的分析现在还局限于强度，刚度的静态分析和模态分析中， 且c a e 分析更多是对产品的设计和实物试验的结果起鉴定的作用，并没有像国 外公司一样能对设计进行指导，真正做到设计与分析平行。 ( 2 ) 有限元模型的建立与分析没有一套完整的规范，具体的参数设簧和技 术规范仍需要进一步摸索，而国外汽车公司都有一套完整的技术标准，因此国内 企业慢慢积累。 ( 3 ) 在一些新兴领域如碰撞分析，n v h 分析和虚拟制造方面才刚起步， 例如我国于去年才颁布侧面碰撞标准，虚拟制造对很多企业而言也是最近才新成 立的部门。 幽1 1m s c 公司天丁汽下于_ _ 业按体解决方窠的不意蚓 第1 章绪论 幽12 崮内企业c a e 模块的麻川韭分析i 芏i幽l3 田内企业c e 模块的麻川技果幽 为了在这个竞争越来越激烈的市场寻求发展，国内的企业逐渐开始注重自主 研发，而c a e 技术也将被更加重视，c a e 将会在汽车等机械产品的丌发应用中 发挥巨大的作瑁。 1 3 设计开发工具 本课题涉及的设计分析软件主要千h y p e r w o r k s 、m s c p a t r a n 和 m s c n a s t r a n 。 h y p e r w o r k s 是美国a l t a i r 公司的有限元前后处理发优化设计软件。它不仅 有强大的有限元前处理软什h y p e r m e s h ，町以用它建立有限元和有限差分模型， 可以快速按照。【：程人员的意图来实现网格划分、材料定义、边界条件定义等”： 同时它还具有业界优秀的后处理模块h y p e r v i e w ，可以对各种计算数据结果进行 处理，包括云图显示分析、曲线输出、动画模拟等个软件包中具有强大的数据接 口，不仅可以支持c a t i a 、u g 、p r o e 等c a d 数据格式，而且可以实现a n s y s 、 n a s t r a n 、a b a q u s 、l s d y n a 、p a m c m s h 等分析软件的数据传输。 m s c p a t r a n 屉早由美国扣航局州a s a ) 倡导开发的，是工业领域最著名的 并行框架式有限元前后处理及分析系统，其玎放式、多功能的体系结构可将工程 设计、工程分析、结果评估、用户化身和交互图形界面集于一身，构成一个完整 c a e 集成环境。它提供了功能全面，方便灵活的可满足各种分析精度要求的复 妯亳绪论 杂有限元的建模能力。其综合全面、先进的网格划分技术，为用户根据不同的几 何模型提供了多种不同的生成和定义有限元模型工具。另外全面的分析模型定义 功能可将各种分析信息( 单元、材料、载荷、边界条件等) 直接j j n - n 有限元网格或 任何c a d 几何类型上。 作为世界c a e 工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件， m s c 。n a s t r a n 的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便 的模块化功能选项，m s c n a s t r a n 的主要功能模块有：基本分析模块( 含静力、 模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等) 。动力学分析模块、热传导模 块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性 分析模块、d m a p 用户开发工具模块及高级对称分析模块n2 j 。除模块化 外，m s c n a s t r a n 还按解题规模分成1 0 ，0 0 0 节点到无限节点，用户引进时可根 据自身的经费状况和功能需求灵活地选择不同的模块和不同的解题规模，以最小 的经济投入取得最大效益。m s cn a s t r a n 的开发环境通过了i s 0 9 0 0 1 ：2 0 0 0 的论 证，m s cn a s t r a n 始终作为美国联邦航空管理局( f a a ) 飞行器适航证领取的唯一 验证软件。在中国，m s c 的m c a e 产品作为与压力容器j b 4 7 3 2 9 5 标准相适应 的设计分析软件，全面通过了全国压力容器标准化技术委员会的严格考核认证。 另外，m s cn a s t r a n 是中国船级社指定的船舶分析验证软件。 1 4 本文研究思路和内容 1 4 1 分析目标 本课题针对某国产a 级车白车身进行有限元分析，希望对车身设计提出有 效的改进意见，并为以后在c a e 方面的进一步研究奠定基础。 本课题充分利用计算机软硬件技术和结构工程师的分析经验，建立车身结构 的有限元数据信息。研究该车身的动态特性和固有频率，计算该车身的弯曲和扭 转刚度，确定不同部件对刚度的影响，以保证车身装配、使用性能和控制噪声， 并与同类车型的相关数据进行比较。 通过对该车身的结构强度和应力分布状况，有效地在汽车设计阶段预估结构 特性，寻找结构薄弱部位，评估设计方案，以保证其结构性能和疲劳寿命。 分析焊点直径，焊点布局对白车身刚度，强度和模念的影响，并对焊点自身 的应力进行有效控制。 进一步分析模念，刚强度对各个结构件厚度的灵敏度，选出有效的设计变量 进行结构厚度优化设计，满足结构刚度，强度性能的同时使车身质量最轻。 5 第1 章绪论 1 4 2 分析内容 1 ) ，a 级车白车身有限元模型的建立 2 ) 车身模态、刚度、强度分析 3 ) 焊点直径和焊点布局对模态、刚度、强度的影响 4 ) 模态、刚度、强度对结构件板厚的灵敏度分析 5 ) 板厚优化分 6 第2 章雠某a 级车有限元计算分析 第2 ，章，国产某a 级车有限元计算分析 车身是轿车的关键总成，它的力学特性直接决定着整车的动力学性能，尤其 是对于承载式车身更是如此。车身作为一个受力结构必须有足够的刚度和强度以 保证其装配和使用要求，还必须有合理的动念性能以控制振动和噪声，所以控制 好包括刚度和低阶模态在内的白车身结构基本力学性能指标是车身设计初期阶 段的主要任务n 3 儿川。 本章主要介绍了a 级车白车身有限元模型的建立过程，并利用m s c n a s t r a n 软件计算车身有限元模型的模态和静态特性，对静态特性的计算同时考虑了不同 工况和不同的安全系数。对车身的刚度和强度进行了评价并同其他车型进行对 比。进一步考察车身结构低阶模态、刚度和强度之间存在的对应关系。发现该车 身结构存在的刚度和强度上的薄弱点，有针对的提出改进意见，并为灵敏度分析 和优化设计时状念变量的设置提供依据钆 2 1 轿车白车身结构有限元分析模型的建立 2 1 1 有限元模型处理要求 有限元计算模型的准确度直接关系到计算结果的正确度和精确度。而有限元 模型的规模又关系到计算的经济型。这两方面对于轿车车身结构分析都是非常关 键的。车身有限元模型的建立应满足以下要求n 引： ( 1 ) 计算模型必须具有足够的准确性，所形成的计算模型要能反映工程结构 的主要力学特性，车身结构的实际状况。在此既要考虑形状与构成的一致性，又 要考虑支撑情况和边界约束条件的一致性，还要考虑载荷和实际情况的一致性。 ( 2 ) 计算模型要具有良好的经济性。复杂的计算模型一般具有较高的准确 性，但计算模型并不是越精确、越复杂越好。 ( 3 ) 车身壳体整体坐标系的建立，是以前轴中心线与轿车纵向对称面的交线 为坐标原点，以轿车前进的反方向为x 轴的正方向，从以原点垂直向上的直线为 z 轴的正方向，由右手定则确定y 轴。单位制的选择为m m ( 毫米) 、s ( 秒) 、t ( 吨) 、m p a ( 兆帕) 。 。 7 第2 章国产某a 级车有限元计算分析 2 1 2 有限元模型的形成 该a 级车的车身结构主要分为前围、侧围、地板、顶盖和后围结构等五大部 分，均为薄板冲压件构成；各零部件之间的连接装配主要为点焊方式，部分采用 缝焊。因此，根据车身结构特点，参考合作方提供的车身模型和b o m 表，采用薄 板单元对整个车身进行网格划分，各零部件之间的焊接关系则根据焊点的不同采 用两种模拟方式，并运用该模型进行后续的计算分析和优化研究。 建立车身有限元模型的工作一般包括有限元单元类型的选取，单元划分，有 限元模型质量控制和自车身焊点的模拟等关键环节。 1 ) 白车身有限元模型单元类型的选取 在车身有限元模型建立过程中，单元类型的选取十分重要，选取的单元类型 以及单元划分的质量将直接关系到计算结果的精度以及所用的计算时间引。承载 式轿车车身一般采用的是薄板冲压件的车身结构，车身零部件通常既要完成一定 的功能，同时又要组成承载结构，所以形状比较复杂，且必须既能抵抗与其平面 方向平行的拉压力，又要抵抗弯曲和扭转的载荷。根据轿车车身板材结构的特点， 选择空间板壳单元较为合适n7 1 ，本文选用三维壳单元s h e l l 6 3 对白车身有限元 模型进行离散。 s h e l l 6 3 单元具有物理属性和材料属性两种属性。对于材料属性可根据实 际情况赋以不同的数值，材料属性包括弹性模量、泊松比、密度等属性。对于物 理属性本文的计算主要关心其厚度属性。在模态与刚度分析中定义的材料密度为 7 8 e 9 t m m 3 ；在强度分析中由于考虑其它簧载，故定义材料密度为2 3 6 4 e - 9 t m m 3 ，泊松比为o 3 ，弹性模量2 1 e 5 m p a ，数据汇总于表2 1 。板壳单元的 厚度则从o 7 3 o m m 不等，部分加强件板厚较大。 表2 1 材料参数 弹性模量泊松比许片j 廊力 2 1 x 1 0 5 m p a 0 3 0 2 1 0 m p a 2 ) 有限元单元划分 轿车车身基本力学性能分析中的有限元模型单元数量是影响前处理工作和 计算时问的主要因素之二。百车身有限元单元类型确定以后，接着就是确定有限 元单元的大小，进行单元的划分。划分单元时，根据有限元法的基本原理，应该 说单元划分得越细，越接近真实结果。由于本项目受厂家委托，希望准确性尽量 高，所以保留了所有的特征面，对所有的孔，翻边，倒角等细节均予以保留；且 考虑到以后进行碰撞仿真等其它分析，导致最终建立的有限元模型规模较大，单 元的大小为7 1 0 m m ，最后该模型的单元数为4 0 万。为了解决运算时间的问题， 篮2 章一国产某a 一级乍有限元计算分析 该项目联合了上海超级计算机中心进行后续计算，并取得了较好的效果。 3 ) 有限元模型单元质量的控制 轿车车身有限元模型单元的质量直接影响计算结果的准确性，单元的质量是 模型质量的基础保证。 在划分单元的过程中，对于四边形单元，首先要注意单元的翘曲程度。本项 目利用有限元前处理软件h y p e r m e s h ，采用国际典型的白车身结构板单元模 型质量标准，对该a 级车有限元模型质量进行了检查，根据具体检测项目包括 单元翘曲程度，四边形单元的长宽比，三角形单元的比例，四边形单元歪斜程度 等。模型质量较好，具体检查结果见表2 2 。 表2 2a 级乍有限元模型质量检杏 4 ) 白车身焊点的模拟 白车身中的大部分零件是薄板冲压件，零件之问主要通过密集点焊的方式连 接在一起，在不同部位，点焊的问距和焊接方式也不同。对零件之间的点焊连接 采取不同的模拟方法，将影n 向车身的整体刚度和刚度分布，焊点模拟的合理与否， 对整个车身模型的准确性和计算结果的误差也有极大的影响，因此，焊点的模拟 对车身结果基本力学性能分析有着非常重要的意义。对焊点的模拟，国内外有很 多种方法，大致可分为以下几种刚n 引： ( 1 ) “n o d et on o d e 即节点重合的方法，把相同位置的两个节点融合为一个 节点，这两个节点具有相同的自由度，相同的( 角) 位移、( 角) 速度和( 角) 加速度。这是比较简单的处理方法，也是普遍采用的方法。这种方法能够减少模 型的自由度，降低模型的复杂程度，节省计算时间，能够快速地对整体模型做定 性分析，获得车身的模态振型、应力分布及变形等。但节点相连会使计算结果有 一定的误差，尤其是焊点附近的区域，误差较大，而距离焊点区域较远的部位， 计算结果较为准确； -。 -，。 ( 2 ) 节点自由度耦合，即将两个或多个在相应位置的节点的一部分自由度相 耦合，即这几个节点耦合的自由度是相同的； ( 3 ) 使用梁单元模拟焊点，根据焊点几何形状及焊接强度确定梁单元的截面 9 第2 章国产某a 级车有限元计算分析 尺寸、抗弯截面模量及抗扭模量、单元长度等单元的属性。由于焊点并不是实际 意义上的梁，对梁的各种假设不适用于焊点，因此这种模拟也存在较大的误差。 ( 4 ) 应用实体单元模拟焊点，采用六面体块单元来模拟焊点可以得到较高的 精度。在焊点处有限元单元网格很小，离焊点较远处网格较大，中自j 部分逐渐过 度。这种处理方法无疑会使模型增加大量的自山度，对于通过几千个焊点连接而 成的整体车身来说，就目前的计算机硬件水平，这种方法还难以实现。故这种方 法比较适用于车身局部的有限元分析。 ( 5 ) 应j j 等效连接界面的方法，采用此种方法时，首先通过大量的实验来研 究不同自j 距、不同连接形式所造成的点焊连接件的动态特性，然后改变模型连接 部分板单元的厚度，使计算结果和不同连接形式的丑；验相吻合，从而找出不同焊 接形式与板厚变化率之州的对应关系。在实际应用中，可根据点焊连接的间距和 连接形式修正连接面的厚度。这实际上是一种动态实验模型修正的方法。 不同的分析类型对车身连接 | 1 分的处理有不同的要求，应当根据分析的精度 要求和当前计算机硬件及有限元软件的条件选用合适的处理方法。 在新推出的h y p e r m e s h 80 中有一种新的焊点模拟方式- c w e l d ，它改变 以往n o d e - t o n o d e 的传统模拟方式，采用了e l e m e n t t o e l e m e n t 的方式能尽量减少 凝差；不冉需要对单元的位霄大小进行调整，且能够处理多层板焊：建模较为方 便，只需要定义焊点直径，与其他几种方法进行对比，精度也较高。 本次分析采用c w e l d 单元模拟点焊结构，见图21 ：用前面介绍的第三种 方法粱巾元模拟法模拟缝焊结构见罔22 。这样既可阻保证模型具有较好 的精确性，x 能满足经济性的要求。具体的焊点材料参数见表23 。 陵笺。翠囤 j z ；蒸净? 隧黎 诋爨骥攀o 刚21 点挥单元c w e id ( 网格蹦) 操2 幸国牒a 级车有限元计算分析 幽22 缝焊单元c b a r ( 网格幽) 表23 单元儿何与材料参数 5 ) 有限元模型分组 板壳单元以零件分组，共1 7 9 个件，组，几何参数为板厚。模拟缝焊的梁单元 只分为一个几何组，基奉几何参数见表2 4 。点焊单元也只分为一个几何组，基 小几何参数见表2 4 。还有有一个材料组，描述白车身板件、焊核，其材料参数 见表2 4 。 最终整个有限，i 模型如图2 3 所示，用不同的颜色来区分1 7 9 个零件组。并 对整个有限元模型的节点数量，不同种类单元的数量和不同类型的单元数目进行 了统计，详细结果见表2 4 。 表24 分析楼型单元数 第2 章国产某a 级车有限元计算分析 2 2 低阶模态的计算分析 刚23 档体钉限元模删 车身模态分析的意义在于啪“1 ： ( 1 ) 通过模态分析，得到车身固有频率和振型，可以使车身结构的固有频率 错，r 载荷馓振频率，从而确定整车的动力学特性并控制车身振动和噪声。尤其是 车身整体结构的低阶模态频率，它是车身性能的关键指标，反映汽车车身的整体 刚度性能。对车身进行模态分析有利j 控制车身的固有特性从而可以对车身设 计方案进行全面的评价和改进： ( 2 ) 根据初步计算得到的频率值和振型，以及和以前其它车身模型的模态计 算值或实验值对比，以经验判断模型的力学特性与实际车身结构是否存在较大的 差异，以及判断质量和刚度分配是否合理。 ( 3 ) 分析车身模型| 勺i f 确程度找出误筹的原冈，并对模型作相应的修l f ， 提高模型的准确程度。 ( 4 ) 对车身的模态分析w 以得到车身的固有频率和振型，发现结构上的薄弱 环节并加以改进，模态分析的结果也是对车身进一步动力学分析的基础。 所以本节卡要针对该a 级车车身有限元模型进行模态分析，分析工具采用 m s cn a s t r a n 2 0 0 5 有限元软件。在空载模型基础上对车身各部分密度均取为7 8 l o 一t m m 3 ，不加任何约束与载荷，用b l o c kl a n c z o s 方法计算模型的自由一自 山模态“，计算了前2 0 阶模态。考虑一般有限尤软件的计算精度，前1 5 阶是较 为精确的，故分析中只对前1 5 阶振型进行详细分析和说明。 前6 阶频率均小于0o l t z ，为车身的h q 体位移模态主要关注模态计算结 果见表25 。可见： 第7 阶模态，频率为1 9 8 1 h z 振型为】：! ；i 盖相对下车身侧向摆动模态。这阶 模念频率较低，和般中低级轿车一致，是台理的。 第8 阶模态，频率为2 58 0 h z ，振型为白车身阶扭转模态，与c a 7 2 2 0 白 第2 章目产某a 绒1 带限元计算分析 车身一阶扭转模卷频率( 2 5 h z ) 桐近。 第g 阶模态，频率为3 07 8 h z ，振型为日口纵粱横摆模态。这阶模态频率较低， 也和般叶 低级轿车一致，足合理的。 第1 0 、1 l 阶模奄，频率分别为4 0o o 和4 j1 0 i z ，振型为d f 挡板横梁、顶 。矗后端j _ = j 娜振动模奄这两处局部模态往多数巾低级轿车自车身1 i 考虑风窗玻璃 的分析。 j 部存在，是合理的。 第1 2 阶模态，频：簪为1 39 4 1 1 z ，振型为自车身一阶竖直弯【| | i 模态。这阶模 态与c a 7 2 2 01 7 1 车身阶峰龃弯曲模态( 4 0 h z ) 相近，是合理的。 第1 3 阶模念，频率为4 65 2 1 h ，振型为前围板、顶盖局部振动模态，这两处 局部模态在多数巾低级轿车自午身夸考虑j x l 窗玻璃的分析中都存在，分布理。 第14 阶模态，频率为4 92 5 h z ，振型为包裹架加强板局 l f 振动模态，这处 局部模态存多数巾低级轿车n 午身水考虑风窗玻璃的分析中都存在，分布合理。 第15 阶模态频率为4 99 4 h z ，振型为前挡板横粱、顶盖和乜襄架加强板 局部振动模态。 是2 5 土要咒注模态分析纠粜 阶数频率( h z )振型描述 “。翟j 赣蕾蠹融习 一阶批转模 2 58 _ 霹曩誉肇一 4 39 4 翻酒 自车身一阶 竖直弯曲模 态 模忐| f 算中发现的问题： ( 1 ) 后乖引钩支架模型易产生低频局部模忐，影响r 其它模志的识别。可 第2 章国产某a 级车有限元计算分析 能是建模不准确造成的。考虑该处刚度对整体车身刚度和模态影响不大，且该处 强度也不是本项目研究重点；在模惫计算中，删去了后牵引钩支架模型。 ( 2 ) 后支柱内板处易产生低频局部模态，影响了其它模态的识别。町能原 因是支 t 内板与顶盖侧粱内板等的焊点较少，或建模疏漏所致。建议在此处增加 焊血或调整此处的焊 。后支柱内板产生低频局部模态的位簧如图2 4 所示。 倒24 后支柱内板产生低频局部模态的付置 该车白车身的主要关注低阶模态与红旗轿车c a 7 2 2 0 的比较如表2 6 。由表 可见，该车白车身一阶扭转和一阶弯曲模态与c a 7 2 2 0 的相应模态非常接近，而 c a 7 2 2 0 是在a u d l l 0 0 基础上改造的车型，其模态参数对中低级轿车是合理的。 模态计算总体说明，a 级车自车身结构方案是合理的。 表26 白午身芙注低阶模态比较 模态计算也说明：该模型总体建模精度是非常高的，只是后牵引钩支架、后 支柱内板、顶盖侧梁内板处存在较大的局部模态，可能是局部结构欠台理或焊点 布置不是非常合理，或模型建模疏漏所致，建议检查确认。 2 3 台架试验工况刚度分析 自车身结构的川度是指车身结构反映出的载衙与变形z 削的关系特性。车身 锺童。章国产某a 级卞有限元计算分析 刚度分析的目的是在保证车身设计刚度满足车身装配和使用要求的同时控制好 车身各部位的开口变形量乜引。现代车身大多采用承载式车身结构，这样的车身结 构几乎承载了轿车使用过程中的所有载荷，主要包括扭转、弯曲和碰撞载荷等， 在这些载荷的作用下，轿车车身的刚度特性具有重要的作用，如果设计不合理， 易引起开口部位的大变形。刚度设计不合理还会造成车身振动频率降低、结构共 振，导致噪声和部件的疲劳损坏瞳引。因此现代轿车的设计都是在汽车质量尽量小 的i j 提下，最大限度地提高汽车车身的刚度心5 1 。本文主要计算a 该级车白车身的 弯曲刚度和扭转刚度。 对轿车车身刚度的研究有着十分重要的意义，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 轿车车身刚度对轿车车身结构功能可靠性的影响心6 1 轿车车身刚度直接影响轿车车身的承载功能。轿车车身整体刚度低，将使轿 车车身的整体承载能力降低，直接影响轿车的疲劳强度，使轿车的可靠性降低。 轿车车身的局部刚度低，将使车身局部变形增加，车身的局部安装等功能丧失。 车身整体的失效和局部的失效都将大大降低轿车的整体使用性能，使轿车的整体 性能指标降低。同时应避免车身扭转刚度沿车身纵向的分配出现不合理的剧烈变 化。 ( 2 ) 轿车车身刚度对轿车车身结构安全性的影响 轿车车身刚度直接影响轿车车身的结构安全性。轿车车身整体刚度不合理， 将使轿车车身的碰撞安全性降低。轿车车身的刚度分配应该遵循一定的原则，从 碰撞的安全性出发，理想的轿车车身应将刚度分级，车身前后部位的刚度应低于 中间驾驶室的刚度。 ( 3 ) 轿车车身刚度轿车n v h 性能的影响 轿车的n v h 性能包括噪声、振动和行驶平稳三个方面。 轿车噪声与车身结构密切相关，它是影响汽车乘坐舒适性、语言清晰度、听 觉损害程度等的重要因素。车身是一个弹性系统，在外界的时变激励作用下将产 生振动，从而产生机械噪声。当激励频率与结构固有频率吻合或接近时，将发生 共振，这种振动是造成车身内部低频噪声的主要振源。合理的车身刚度可以很好 地改善由车身结构产生的噪声。 轿车平稳性研究的是经座椅传到人体引起的全身振动的问题，这种振动来源 主要有三个方面：一个是车身结构在悬架上的振动；其次是车身结构的整车弹性 振动；最后是人在座椅上的振动。这些振动的特点是低频性。就车身结构而言， 提高汽车的行驶平顺性就是减少整车的弹性振动。因此，轿车车身刚度直接影响 着轿车的舒适性，合理的车身刚度可以使轿车的舒适性能得到很好的保证。 轿车车身刚度对轿车整体的性能指标有着全面直接的影响，轿车车身合理 第2 章国产某a 级币有限元计算分析 的刚度将使轿车的整体性能指标得到全面的提高。刚此，轿车车身的刚度问题应 得到充分的重视，目前国外对轿车车身刚度的研究十分重视，轿车车身刚度的研 究已是车身，r 发的重要指标之一。 2 31 台架试验工况弯曲刚度分析 参考i 一海大众s a n t a n a 2 0 0 0 车身弯曲剐度台架试验采用的试验标准e p 8 1 0 2 0 l0 ，e p8 1 0 2 0 1 2 ，该a 级车也采用4 人加载，每人接1 7 0 k g 加载( 动载系 数取2s ) ，加载位置分别在驾驶员座椅、副驾驶员座椅加载和后排乘员雕椅连拔 位胃处加载1 6 6 8 ，1 6 6 8 ，3 3 3 6 n 的z 向力方向竖直向下，载荷位置见图2 5 所示。约束山面，门乍身整体约束见示意图2 6 和表2 7 所示。图27 和幽28 为悬挂吲定座处的具体约束实现，图中与约束点直接十h 连的单元类型为粱单儿。 围25 弯曲剐度台架试验采取的白车身约柬示意幽 袭27 弯曲刚度台架试验仿真的向车身箍体约束点及其约束自由度 第2 章同产莱a 级午有限元计掉分析 幽27 前悬挂i h 定庳约求点圈削28 后悬挂同定座约柬点 在台架试验弯曲工况下a 级车白车身壤大挠度为27 4 r a m ，发生在中央通道 后端，见图2 9 所示：门槛局部变形见图21 0 ，门槛最大挠度为- 0 7 2 4 m m 。 幽29 弯曲试验l ：况向午身变形幽幽21 0 弯曲试验j 况门槛粱变形 表28 自车身弯曲刚度结果 台架试验弯曲总教衙为： f = 一1 6 6 80 1 6 6 80 3 3 3 60 = - 6 6 7 2 o n 由此可求得当量载荷为： ”2 “6 7 2 “8 0 k 2 可得弯曲刚度为： k 2 2 “6 7 2 彤o7 22 9 2 5 5 n ，m m 第2 章国产某a 级乍有限元计算分析 与s a n t a n a 2 0 0 0 的弯曲刚度分析结果对比见表2 8 ，可见，该a 级车白车 身弯曲刚度略优于s a n t a n a 2 0 0 0 。 台架试验工况弯曲刚度分析小结： ( 1 ) 台架试验仿真发现，a 级车白车身弯曲刚度为9 2 5 5 n m m ，高出 s a n t a n a 2 0 0 0 约8 7 ，弯曲刚度优于s a n t a n a 2 0 0 0 。 ( 2 ) 中央通道后端挠度较大( 2 7 4 m m ) ，说明前地板与中地板连接部位刚 度较差，可能是结构设计缺陷，或有限元模型建模简化欠妥。 2 3 2 台架试验工况扭转刚度分析 该a 级车车身壳体扭转刚度模拟台架试验工况，参照行业相关试验报告， 约束示意图见图2 1 1 ，按照左图加载进行仿真，车身后悬挂固定座的全部自由度 约束，前部t 型加载梁中点约束x 、y 、z 三个移动自由度和0 、( p 两个转动自由 度。梁两端加载大小为5 5 5 3 n 、方向相反的z 向力，见图2 1 2 具体计算方法见 下2 7 | ： 最大扭转载荷( 考虑除动力总成以外的车身自重) ： m = 0 5 前轴最