（光学工程专业论文）引入成形因素的车身结构分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着全球汽车保有量的与日俱增，产品的安全、节能和环保成为当今汽车工程领域 的三大主题和研究热点。汽车产品的轻量化设计，不仅可以减少燃油消耗，节约能源， 同时还可以降低排放，是一项一举多得且行之有效的措施。车身作为汽车三大总成之一 ( 车身、底盘和发动机) ，占整车质量的4 0 一6 0 ，因此，对车身结构的轻量化意义 重大、有潜力且切实可行。 现代c a e 技术辅助车身结构设计，是实现轻量化设计的主要手段之一，其计算精 度与可靠性则是实现轻量化的关键。汽车车身特别是轿车车身的结构件及表面覆盖件大 都采用冷冲压成形工艺制造，成形过程会导致冲压件的厚度不均匀和卸载产生的残余应 变和应力等，这些因素对车身结构的刚度、强度、振动特性以及疲劳耐久性都会带来影 响；然而常规结构分析都给忽略掉了。那么，在结构分析之前，对车身结构中各冲压件 进行预成形分析，并将所得的成形因素引入结构分析与疲劳寿命分析，将可以获得更加 真实可靠的模拟结果，为车身结构轻量化与优化设计提供更加精确的参考数据。 本文采用一步逆成形有限元法，以一步成形模拟软件系统k m a s 作为预处理，基 于c o m x 平台自行编写了引入成形因素的程序组件，实现了一步逆成性模拟与结构分 析的联合仿真分析。文中以汽车白车身及前纵梁为例，采用m s c n a s t r a n 软件分别对其 进行了引入成形因素的结构分析，重点研究了单元节点厚度和单元等效塑性应变对结构 仿真的影响，分析对比了引入成形因素前后车身扭转刚度与弯曲刚度、主要开口变形量 以及振动特性，结果表明为提高结构分析精度，有必要采用考虑冲压成形效应的结构分 析方法，尤其对于非线性问题等效塑性应变的影响特别明显。 疲劳耐久性分析作为结构c a e 的一个重要方面，本文以典型的车身前悬架支座为 例，研究了冲压成形导致的厚度变化和残余应变对疲劳性能的影响，通过采用局部应力 应变法对其进行疲劳寿命分析，并进一步对所选零件的单轴疲劳进行了二轴修正，定量 分析了成形因素对车身构件疲劳裂纹形成的影响。 关键词：成形因素；一步逆成形；结构分析；疲劳分析；车身结构 引入成形因素的车身结构分析 s t r u c t u r es i m u l a t i o no fc a rb o d yc o n s i d e r i n gf o r m a b i l i t ye f f e c t s a b s t r a c t w i t ht h ea m o u n to fg l o b a la u t op r o d u c ti n c r e a s i n gr a p i d l y , t h et h r e et h e m e s ，s a f e t yo f p r o d u c t ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n tc o n t a m i n a t i o nb e c o m er e s e a r c hf o c u s ，w h i c h h a v et ob ec o n c e r n e da n ds o l v e di nt h ea u t o m o t i v ee n g i n e e r i n gi n d u s t r y l i g h t i n gp r o d u c t w e i g h ti nd e s i g n , w h i c hn o to n l yh e i pt or e d u c ef u e lc o n s u m p t i o na n ds a v ee n e r g y , b u ta l s ol e t o u tl e s se x h a u s t c a rb o d yi so n eo ft h r e ea s s e m b l i e s ( e n g i n e ，c h a s s i sa n db o d y ) w h i c ht a k e s 4 0 一6 0p e r c e n to ft h ew h o l ev e h i c l ew e i g h t s o ，i ti ss i g n i f i c a n ta n dp r a c t i c a lt ol i g h t e n s t r u c t u r ew e i g h ti nc a rb o d yd e s i g n m o d e mc a et e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ht oi m p l e m e n tl i g h t i n gd e s i g n ，i t s a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yi st h ek e yt or e a l i z et h ed e s i g n s t r u c t u r ec o m p o n e n ta n de x t e r i o r p a n e lo fa u t ob o d ye s p e c i a l l yc a rb o d ya r ef o r m e db yc o l df o r m i n g ，w h i c hw i l li n d u c e t h i c k n e s sv a r i a t i o n , c a u s er e s i d u a ls t r a i n ，r e s i d u a ls t r e s se t e t h e s ee f f e c t sw i l li n f l u e n c e s t i f f n e s s ，s t r e n g t h ，v i b r a t i o np e r f o r m a n c ea n df a t i g u ed u r a b i l i t yo f c a rb o d ya n dp a r t s ，b u tt h e g e n e r a ls i m u l a t i o ni g n o r e st h e m s o ，p r i o rt os t r u c t u r ea n a l y s i so fc a l b o d y , i t i sn e c e s s a r yt o c a r r yo u tp a r t sp r e - a n a l y s i sf o rf o r m i n gp r o c e s s t h e n ，t a k i n gt h e s ef o r m a b i l i t ye f f e c t si n t o s t r u c t u r es i m u l a t i o na n df a t i g u el i f ea n a l y s i s ，s ot h a tm o r ev a l i da n dp r a c t i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t sc a nb et a k e n ，t h e s er e s u l t sc a np r o v i d ea m o u n to fa c c u r a c yd a t at oc a rb o d ys t r u c t u r e w e i g h t - l i g h td e s i g na n do p t i m i z a t i o n u s i n go n e s t e pi n v e r s ef o r m i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a d o p t i n ga u t o m o b i l ep a n e l f o r m i n gs o f t w a r ek m a so w n e db yr e s e a r c hg r o u p ，p r o g r a mc o m p o n e n tf o rc o n s i d e r i n g f o r m a b i l i t ye f f e c t sa r ep r o g r a m m e db a s e do nc o m x i n t e g r a t i n gt h eo n e - s t e pf o r m i n g a n a l y s i si n t o s t r u c t u r es i m u l a t i o ni sp e r f o r m e d t a k i n gt h eb o d yi nw h i t ea n df r o n tr a i la s s i m u l a t i o ne x a m p l e ，a n dt h e ns i m u l a t et h e mb ym s c n a s t r a ns o f t w a r eb a s e do no n e - s t e p i n v e r s ef o r m i n gm e t h o d t h ee f f e c t so fe l e m e n tn o d a lt h i c k n e s sa n de l e m e n te f f e c t i v ep l a s t i c s t r a i nf o rs t r u c t u r ea r em a i n l yr e s e a r c h e d i ti sn o t e df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t st h a tt h e s t m c t u r es i m u l a t i o nm e t h o dw i t hf o r m i n ge f f e c t si sn e c e s s a r yt ob ec a r d e do u t ，e s p e c i a l l yt h e e f f e c t i v ep l a s t i cs t r a i ne f f e c t so b v i o u s l yi nn o n l i n e a rp r o b l e m s f a t i g u ed u r a b i l i t ya n a l y s i s ，a sa l li m p o r t a n ta s p e c to fc a e ，w et a k ef r o n t a ls u s p e n s i o n t o w e ra se x a m p l ei nt h i sp a p e r , t h ee f f e c to fn o d a lt h i c k n e s sv a r i a t i o na n dr e s i d u a ls t r a i no n f a t i g u ep r o p e r t i e si si n v e s t i g a t e d l o c a ls t r e s s s t r a i na p p r o a c hi su s e dt op r e d i c tf a t i g u el i f e ， t h e nb i a x i a lc o r r e c t i o ni sp e r f o r m e dt ot h ep a r t su n i a x i a lf a t i g u e b a s e do nt h er e s u l to f s i m u l a t i o n , e f f e c to ff o r m i n gp r o c e s so nc r a c ki n i t i a t i o na n a l y s i so fe a rc o m p o n e n ti sa n a l y z e d h 大连理工大学硕士学位论文 i nq u a n t i t y k e yw o r d s ：f o r m a b i l i t ye f f e c t ：o n e - s t e pi n v e r s ef e m ；s t r u c t u r es i m u l a t i o n ；f a t i g u e a n a l y s i s ；c a rb o d ys t r u c t u r e i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：墨! 全盛重兰! 望耋堡至，丝丝塑垒望 作者张二印睇l 魄丝年上月兰日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：茎f 盛型望耋堡垒，复丝塑垡盈 作者签名： 导师签名： 日期： 迎翌年上三月三二日 日期：兰竺簦年j 三月三l 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 近年来，中国汽车行业蓬勃发展，提高自主研发能力势在必行。随着科学技术的不 断进步和人们生活观念的改变，给汽车行业的发展带来了前所未有的机遇与挑战。人们 对汽车的舒适性、经济性、节能、环保以及主被动安全性的要求越来越高，同时由于人 类面临着能源紧张与原材料短缺，以及企业对汽车生产成本的控制越来越重视，汽车轻 量化设计已成为当前汽车技术的研究热点。利用现代c a e 技术进行汽车新产品的开发， 已经得到了全面深入的应用，它可以在产品的设计开发阶段评估出多种性能，如刚度、 强度、动态特性以及安全和疲劳性能等，并且随着设计的深入，c a e 分析与验证工作按 多轮次层层展开，有力地支持了结构设计的可行性，为车身轻量化与结构优化设计提供 了可靠保障。 现代轿车车身大多采用全承载式结构，这样的结构在很大程度上能够满足结构设计 轻量化的要求。承载式车身作为轿车使用过程中各种载荷的承载体，其静态刚度特性与 振动特性则尤其重要，它们的优劣直接影响到轿车许多使用性能的正常发挥。如果刚度 不足，会引起车门卡死、玻璃破碎、密封不严以至漏风、渗雨及内饰脱落等问题，而且 刚度设计不合理最终会影响汽车的目标性能一n v h n o i s e ( 噪声) 、v i b r a t i o n ( 振动) 、 h a r s h n e s s ( 声振粗糙感) 】特性和车身结构耐久性【l 捌。汽车振动特性与车身刚度密切相关， 高刚度车身不仅有利于悬架的支持，使汽车系统正常工作，而且使悬架上的横摆惯量减 小，有利于提高操纵稳定性【3 】。车身结构的模态频率能够预测车身与其他部件如悬挂系 统、路面、发动机传动系等系统之间的动态干扰性，通过合理的结构设计可以避开共振 频率，尤其是车身结构的低阶弹性模态，它不仅反映了车身整体刚度性能，而且是控制 汽车常规振动的关键指标【4 嘲。汽车产品的轻量化设计，不仅可以减少燃油消耗，节约 能源，同时还可以减少污染排放，是一项一举多得且行之有效的好措施，车身作为汽车 的三大总成之一( 车身、底盘和发动机) ，占整车质量的4 0 撕o ，因此对车身结构 的轻量化意义重大、有潜力且切实可行。实现车身结构轻量化的主要途径：一是选用强 度高、重量轻的新材料，二是设计更合理的车身结构 7 , 8 1 。 金属、塑料、混凝土、橡胶和复合材料等各种材料结构及其加工成的结构或设备， 在载荷的反复作用下，都会产生疲劳问题【9 j 。据统计，在三大主要破坏形式( 磨损、腐 蚀和断裂) 之一的断裂失效中，结构破坏的8 0 以上是由疲劳引起的【1 0 , 1 1 】。疲劳破坏在 工程结构和机械设备中极其广泛，遍及每一个运动的零部件，甚至看上去是静止，只要 引入成形因素的车身结构分析 它承受重复作用的交变载荷，就会导致疲劳破坏。不管对于脆性材料还是塑性材料，疲 劳破坏由于没有明显的宏观塑性变形，破坏十分突然，往往造成灾难性事故。因此，对 于承受循环载荷的零部件都应进行疲劳强度设计。汽车在行驶过程中，由于路面本身的 不平整及路面使用中造成的缺陷等因素，车身结构通常会受到交变载荷的作用，因此在 车身设计阶段也必须进行疲劳分析。作为车身结构c a e 的一个重要方面的疲劳耐久性 c a e 分析技术，基于有限元应力应变结果，结合承受载荷的变化历史和材料的性能参数， 并应用相应的疲劳损伤理论来预示构件的疲劳寿命。与基于试验的传统疲劳分析相比， 可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置，预先避免车身轻量化设计过程中不合 理的寿命分布【1 2 】。因此，它能够大大缩短产品的开发周期，降低产品开发成本，提高市 场竞争力。 汽车车身特别是轿车车身的骨架及覆盖件大都采用冷冲压成形工艺制造，冷冲压工 艺具有生产效率高、产品互换性好，以及批量生产成本低等诸多优点。但冲压成形过程 会导致冲压件的厚度及机械性能发生改变，同时还会引起不同程度的残余应力。研究表 明，冲压件成形后板料都有不同程度的减薄与堆积，某些局部甚至高达3 0 以上；对部 分冲压件切割后做硬度实验发现某些拉延量较大的区域，其骆氏硬度提高很大；这些因 素对车身结构的刚度强度、振动特性、耐久性及安全性都会带来影响【1 3 】。然而，常规结 构c a e 分析零件的性能参数都取自未变形的原始坯料，其厚度为常数，而且其残余应 变和残余应力都为零，这必然造成模拟结果与真实情况产生误差，甚至可能会导致仿真 结果无效 1 4 , 1 5 】。 鉴于以上情况，本人所在的课题组一直致力于研究将冲压成形引入结构分析的相关 技术，着重在结构c a e 分析之前对车身结构各冲压件由成形过程引起的厚度变化、材 料强化及残余应力等因素进行预分析，并将预分析结果引入结构分析，以获得更加真实 可靠的模拟结果，为车身结构优化与轻量化设计提供具有真实意义的参考依据。而如何 实现这些因素的引入与后续分析显然是此项技术的关键方面。 1 2 汽车车身结构分析的研究现状 1 2 1 车身结构分析的历史回顾 汽车车身结构分析的发展是与汽车的诞生和发展紧密相连。现代轿车绝大多数都采 用承载式车身结构，车身结构直接影响汽车的各项结构特性，因此，汽车车身的结构分 析尤为重要。车身必须有足够的强度以保证其疲劳寿命，足够的静刚度来保证其装配和 使用要求，同时应具有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的，应用有限元方法进 行轿车车身结构分析能有效地满足车身结构设计的要求。 大连理工大学硕士学位论文 通常所说的c a e ( c o m p u t = a i d e de n g i n e e r i n g ) 一计算机辅助工程，就是指有限元 分析方法与工程结合。有限元法用于汽车设计与分析，是从近二、三十年才开始的。 早期的汽车结构分析主要是对汽车结构的经验判断和试验模拟，应用经典的力学方 法进行零部件的材料强度刚度计算。而对汽车车身这样复杂的大型连续弹性体来说，经 典的解决方法就显得无能为力，不可能得到有意义的理论分析结果，车身整体力学特性 只能在制作出样车后进行一系列的复杂试验得到。 1 9 6 6 年美国汽车工业部门颁布了公路安全法案和国家交通与汽车安全法案，这个法 规提出了最早的汽车安全标准。1 9 7 0 年以后，随着大型计算机的出现，标志着以分析验 证为基础的汽车结构设计革命的开始。而1 9 7 0 年美国宇航局结构分析软件程序 n a s t r a n 的出现，代表了一种新的计算功能，它是一个面向用户的通用的结构分析程 序，使之适用于非专家的一般设计工程师使用。有限元法逐渐在汽车结构分析问题中显 示出强大的能力，并占据了极其重要的地位。1 9 7 4 年，应用有限元方法进行汽车结构 的静、动态分析在国外已有所报道。早在1 9 7 7 年，通用汽车公司就实现了先用有限元 进行碰撞模拟及静、动态分析，然后用实验验证的方法。 随着计算机软硬技术的迅猛发展及计算方法的创新，应用于工程分析的软硬件也发 生了很大的变化，一些通用化、商业化的有限元分析软件也日趋完善。有限元模型建立 的技术和方法也日趋丰富，模型的规模也从最初的几十、几百个简单单元发展到如今的 几万甚至几亿个混合单元，分析对象也由静态计算扩展到动态响应、n v h 、碰撞、疲劳 寿命和优化设计等。应用大型有限元软件，建立汽车模型、进行结构特性分析、完成优 化设计，已经成为世界各大汽车厂商普遍采用的一种手段，大大加快了推出新车型的速 度。 1 2 2车身结构分析的国内外研究现状 在国外，从6 0 年代开始，就开始运用有限元法进行汽车车身结构强度和刚度的计 算。国外大型汽车公司经过近百年的汽车设计制造，在车身设计方面积累了丰富的试验 数据和理论分析经验，c a e 技术的成功应用更是有效地帮助和指导着设计师进行车身 n v h 设计、耐撞性、耐疲劳以及轻量化设计等工作。经过近四十年的积累和发展，目 前国外建立了高性能的计算机辅助工程分析系统，形成了完整的设计、分析方法与试验 程序，应用己非常成熟，主要有以下特点： ( 1 ) 应用范围广c a e 软硬件技术的发展使其应用领域逐步扩大( 图1 1 ) ，主要 包括如下几个方面【1 6 j ： 结构分析：结构分析主要有车身静态刚度【1 7 】，模态分析，静应力与疲劳寿命分析， 塑性变形分析，热传导，热应力分析，及部分结构分析如接头分析【”1 9 1 。 引入成形因素的车身结构分析 碰撞分析：目前碰撞分析不仅包括正面碰撞，侧面和后面碰撞，还包括乘员和行人 的动作模拟。 零部件及整车n v h 分析：随着近年来对行驶平顺性和噪音控制的越发强调，n v h 分析越来越受到重视，甚至有时候被作为设计的最高追求目标。 优化分析：包括对结构形状与尺寸的优化，动静态特性最优等综合分析【2 0 1 。 流体分析：如空气动力学特性分析等。 图1 1c a e 的发展历史 f i r 1 1t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo f c a e ( 2 ) 模型细化程度高为更加准确地模拟计算，目前国外用来进行静态分析及静态 特性优化的轿车车身有限元模型单元数量已高达几十万个【2 1 1 。 ( 3 ) 自动化程度高软硬件实力雄厚，二次开发能力强，国外各大公司不仅拥有世 界上最先进的工程分析软件，而且还能充分利用现有软件，结合各自的c a d c a e 系统 进行开发，达到了高度自动化。 ( 4 ) 分析贯穿于汽车设计的全过程对应于车身结构设计的不同设计阶段比如概 念设计、结构设计阶段等以及不同的分析目的，选用不同的单元、不同的模型进行结构 分析，比如通用汽车公司在开发“1 9 9 7c h e v r o l e tc o r v e t t e 车型时，在c a e 研究各阶 段分别应用不同细化程度的c a e 模型。 在国内，我国于七十年代末八十年代初在高校和有关研究所开始从事有限元法的研 究和应用，九十年代以来，随着微机的发展与普及以及大型有限元分析程序的问世，有 限元分析法迅速地被应用于实际汽车零部件的结构分析中去。但是由于我国车身开发工 作起步较晚，c a e 技术应用水平相对落后，国内的汽车结构设计，由于没有完备的结构 大连理工大学硕士学位论文 设计数据库和设计规范，主要依赖于经验方法，有时只能按解剖进口车来进行参照性设 计。c a e 应用则相对较少，而且早期主要是应用在大客车及货车上【2 2 谢】，对它们进行粗 略的静态强度、刚度分析。如8 0 年代末，长春汽车研究所用有限元法研究了我国城市 客运大客车的车身结构强度【2 5 1 ，采用了二力杆、空间梁、空间可变断面薄壁梁、剪切板、 空问膜等单元组合的有限元模型，计算分析采用了4 0 0 - 6 0 0 节点的有限元模型。在同 一时期，东北工学院对超重型汽车车架静应力了有限元分析【2 6 】，采用空间刚架结构的梁 单元，将车架离散为1 0 1 个梁单元，1 8 种规格断面，1 6 个壳单元，1 3 弹性支撑点。 在轿车应用方面，同济大学对s a n t a n a2 0 0 0 白车身的扭转刚度进行了研究【2 7 】， 利用三节点或四节点的空间板壳单元将整个白车身离散为50 5 2 个节点，44 4 2 个单元； 吉林大学对红旗c a 7 2 2 0 白车身的静态刚度进行了研究【1 6 1 ，将整个白车身离散为2 47 1 0 个节点，3 09 9 6 个单元；同济大学高云凯、杨欣等人计算验证了某国产中级轿车静态弯 曲与扭转特性，并对车身刚度优化方法进行了研究【2 8 1 。 近一段时间来，也有人开始对轿车的车身结构进行类似的分析，然而与国外的车身 结构设计中c a e 技术的应用状况相比，国内的汽车车身结构c a e 分析技术仍存在如下 不足： ( 1 ) 结构仿真分析仍主要面向试件或成品，而面向设计，特别是面向早期设计的研 究较少，因而不能充分发挥c a e 技术在缩短产品开发周期方面的巨大潜力。 ( 2 ) 从分析的内容来看，往往只分析一项指标，并据此进行修改，而不考虑或未能 全面考虑对其它指标的影响。 ( 3 ) 有限元分析主要应用在结构强度和刚度分析方面，而在疲劳寿命、碰撞、振动 噪声、外流方面的模拟则刚刚起步，结构分析的数据积累工作还不够完善。 1 2 3冲压成形过程对结构分析影响的研究现状 美国通用汽车公司的c h i m o un i 等人最早提出了把成形过程的影响引入结构分析 的思想。在1 9 8 8 年，他们考虑了成形过程的厚度减薄和残余应力对结构应力分析的影 响，提出了一种精确分析方法【2 9 1 。1 9 9 8 年，菲亚特的f v a l e n t 等人用一个t 型冲压件， 研究了成形过程对其静强度特性的影响【3 0 1 ，研究表明，对t 型冲压件而言，不考虑成形 过程引起的厚度减薄将使其弯曲刚度比实测值高1 0 左右。1 9 9 9 年以来韩国高等科技 大学h h u h 教授的课题组针对成形过程对车身结构件碰撞特性的影响【3 1 1 ，进行了一系 列的研究，并用前纵梁、s 型梁等典型零件进行了实验对比【3 2 矧，发现如果在碰撞模拟 中不考虑成形过程的影响可能会引起高达2 0 的计算误差。 目前国际上将冲压成形影响引入车身结构分析技术的预处理方法主要有两种：增量 法和全量法( 即一步法) 。比如，前面提到的菲亚特的f v a l e n t 、j o r g ep a i v aa b r a n t e s 、 引入成形因素的车身结构分析 a q u i n a l d oj o s ec a j u h i 等人采用基于动力学原理的显式有限元能量法软件p a m s t a m p 进行成形模拟。1 9 9 9 年，o v e a m p & p a r t n e r s 公司的t d u t t o n 等人则把液压成型的影响 引入碰撞分析，运用基于增量法的l s d y n a 软件 3 4 j 。虽然增量法软件对于改善分析结 果精度是非常有效，但是基于增量法的板成形模拟，每一步的求解都依赖于上一步的结 果，通过迭代求解出最终结果，求解过程依赖接触算法。数据准备工作繁杂，模拟结果 受工程师的知识水平、工作经验等因素的影响，模拟效率也较低。此外，显式积分增量 法计算的应力场、应变场误差大是理论上无法克服的缺陷。因而，无论是计算效率还是 计算精度都无法满足实际工程分析的需要。 为了提高成形模拟效率，f t i 公司首先采用基于全量理论的一步成形逆有限元法进 行预分析【”1 。1 9 9 2 年，s d l i u 等人已经开发了基于一步逆成形有限元法的早期预示成 形性的软件f a s t - f o r m 3 d 3 6 】。从19 9 9 年起韩国高等科技大学h h u h 教授等人开始采 用一步逆成形方法进行预分析，到2 0 0 3 年才真正把一步逆成形法作为预处理算法引入 车身结构的碰撞分析中【3 7 】。 国内方面，胡平、那景新等学者一直致力于对汽车大型覆盖件的成形性研究【3 邸9 1 ， 并于2 0 0 3 年推出了自主开发的成形模拟软件k m a s ，现在已经实现快速厚度和应力、 应变分布预分析。受学者们将一步逆成形方法作为预处理算法引入车身结构碰撞分析的 启发，本论文将一步逆成形方法作为预处理算法引入车身结构及零部件的静动态特性分 析与疲劳寿命分析。 1 3 本文的主要内容与创新点 1 3 1 本文的主要内容 本人所在的课题组一直从事于板料冲压成形及相关技术的研究工作。目前已经实现 了快速厚度和应力、应变分布预分析算法，通过不断改进，目前已经取得相当满意的结 果。本论文依托课题组研究成果，在导师胡平教授的指导下，以课题组自行研发的k m a s 软件系统作为预处理，将冲压过程的成形因素引入车身结构的静态特性分析、动态特性 分析和零部件疲劳分寿命分析，实现了一步逆成形分析与结构分析的集成模拟计算，论 文的主要内容如下： ( 1 ) 阐述了一步逆成形有限元法的基本理论和基本思想：简单介绍了有限元分析的 基本方法和步骤：阐述了疲劳的基本理论和疲劳分析的基本方法，确定疲劳设计准则和 疲劳寿命估算的累积损伤准则，以及疲劳c a e 分析的一般流程。 ( 2 ) 阐述了引入成形因素车身结构精细分析的概念与基本思想，介绍了实现引入成 形因素的关键技术与实现方法，基于c o m x 平台，在k m a s o n e s t e p 软件系统上编写 大连理工大学硕士学位论文 了文件读取与输出程序组件，程序实现了m s c n a s t r a n 格式文件的正确读取、求解模块 生成以及包含节点厚度和单元等效应变的文件输出，为后续结构精细分析提供了技术支 持。在此基础上，阐述了基于一步逆成形有限元法的车身结构精细仿真的基本过程。 ( 3 ) 建立了较精确的汽车白车身有限元模型，通过引入车身构件冲压成形过程导致 的厚度变化、残余应变等成形因素，在同边界条件、同载荷工况下进行了白车身典型工 况下的静态结构有限元分析以及车身局部变形分析，对比引入成形因素前后白车身扭转 刚度、弯曲刚度以及开口变形量模拟结果，分析了成形因素对车身结构静态特性的影响。 ( 4 ) 采用前一章引入成形因素前后的两种有限元模型，对汽车车身结构进行了自由 模态分析，得到了白车身模态参数与振动特性，分析评价了冲压成形因素对车身振动特 性的影响。 ( 5 ) 通过引入车身构件冲压成形预分析模拟结果，实现了一步成形预分析与疲劳分 析的联合仿真模拟，通过典型的车身前悬架支座算例，分析了厚度变化与残余应变对疲 劳性能的影响，并进一步对所选零件的单轴疲劳进行了二轴修正，通过比较二轴修正后 的模拟分析结果，定量分析了成形因素对车身构件疲劳裂纹形成的影响。 1 3 2 本文的创新点 本文在课题组研究成果的基础上，提出了将构件冲压成形工艺因素引入车身结构分 析的汽车车身结构精细分析方法，基于c o m x 平台开发了与m s c 系列软件联合分析的 程序模块，实现了一步逆成形预分析与结构分析的集成模拟计算。 通过引入成形因素前后模拟结果的对比分析，研究了冲压成形因素对主要工况下的 车身静态特性、非工作工况下车身局部结构变形以及车身振动特性的影响，定量分析了 冲压成形导致的厚度变化和残余应变对车身零部件疲劳性能的影响。指出考虑成形工艺 因素对保证车身结构仿真分析精度和准确度是必要的，可以为车身结构优化与轻量化设 计提供了更具真实意义的参考数据。 引入成形因素的车身结构分析 2 基本理论与引入成形因素的实现方法 2 1 一步成形逆有限元法的基本思想和基本理论 2 1 1一步逆成形有限元法的基本思想 对于金属板料成形，这样同时具有几何、材料、接触非线性的问题，一般需要用增 量法来求解。在模具、毛坯和边界条件不确定时，变形过程的加载路径也无法确定，此 时无法用增量法。但如果假定成形过程是比例加载的，仅仅考虑初始的毛坯和变形终了 的构形而忽略中间构形变化，便可以将成形过程简化为与虚功原理相关的函数极值问 题，从而求解板料的初始构形和变形终了的应变状态，这样就得到了一步成形逆有限元 法的基本思想【4 0 】：从产品的形状c 出发，将其作为变形终了时工件的中面，进行离散， 通过有限元方法确定在满足一定的边界条件下工件中各个节点p 在初始平板毛坯c o 中 的位置p o ( 图2 1 ) ，比较平板毛坯和工件中节点的位置可得到工件中应力，应变和厚度 的分布。 图2 1 一步成形逆有限元法模拟示意图 f i g 2 1 t h e d e s c r i p t i o no fo n e s t e pf o r m i n gi n v e r s es i m u l a t i o n 佟内匆 在一步逆成形有限元方法中，有以下的假设： ( 1 ) 平面应力状态( 不是严格的要求) ； ( 2 ) 弹塑性大变形，材料塑性变形体积不可压缩； ( 3 ) 变形过程是比例加载的，即基于塑性形变理论【4 1 ，4 2 】： ( 4 ) 材料等向强化或非等向强化准则； ( 5 ) 模具的作用表现为非均匀的冲头法向压力、冲头、拉伸筋和压边圈下的摩擦力。 一步逆成形有限元方法的特点在于有限元模型是建立在最终的工件形状之上，表 2 1 列出了一步逆成形有限元方法中初始平板毛坯和最终的三维工件中己知和未知的 量。 大连理工大学硕士学位论文 表2 1 一步逆成形有限元方法的基本特征 t a b 2 1b a s i cf e a t u r eo fo n es t e pi n v e r s ef o r m i n gf e m 2 1 2 一步逆成性有限元法的基本理论 一步模拟将板料成形过程简化为一个简单加载的变形过程，采用全量理论进行分 析。计算中可以只考虑初始变形状态和变形终了构形，而忽略中间状态和构形的变化。 首先对板料终了构形建立虚功方程，对任意的虚位移缸 ，设总的势能为阢 w - - e w e ：, 一呢= 窆l 伦) r o r d v 一f r 力d yi = o ( 2 1 ) 式中， s 和 “ 为虚应变和虚位移； 仃 为c a u c h y 直) 3 ， f 为由工具与板料之 间的相互作用力以及摩擦阻力等产生的等效节点力。 假定在“初始”或“中间”构形下的节点虚位移为u ，v ，w ，可以推出 w = 邢瑶卜 。) ) = o ( 2 2 ) 式中， 以) = 研 k 。 彤) ，( 江l ，2 ，3 ) ( 2 3 ) 以及，形= 已知 ( 2 4 ) 对于非线性问题，由( 2 1 ) 式通过最小势能原理，即总势能w 对虚位移伽) 的偏导数 为零，即a w a u = 0 便可得到有限元非线性代数方程组，因此，必须进行迭代求解。 在弹塑性全量法有限元数值计算中，普遍采用的迭代方法是n e w t o n - r a p h s o n 迭代方法。 该方法将总势能对位移的偏导数a w o u ) 在相邻两个迭代位置进行泰勒展开，保留 线性项，即对第i 次迭代的结果a w a l ，在( f 一1 ) 迭代步的位置进行泰勒展开： 御。罴l u - d + 熹黑 剐 (25)au i j 丽l u - d + 雨雨i u - 1 ) ) a u 一 ( 2 5 ) 引入成形因素的车身结构分析 定义外力与内力的差值为残余力r ) ，即 r ( 扰) ) = ，乙( “) ) 一 e n 。( “) )( 2 6 ) 则n e w t o n - r a p h s o n 的迭代格式写为： k r ( 扰) ( 川) 甜) f = r ( “) ) ( “) ( 2 7 ) 为了保证迭代的稳定性，引入松弛因子国，对位移采用如下修正公式： 缸) = 以卜1 ) 十功 甜) ，( 2 8 ) l 巧( u ) i 为第f 步迭代的切线刚度矩阵，在全局坐标下可以写为： w 叫一掣l ( 2 9 ) 2 2引入成形因素结构分析的实现方法 常规的汽车车身结构分析中，零部件的性能参数都取自未变形的原始坯料，其板料 厚度为常数，而且其残余应变和残余应力都为零。实际上车身零件绝大多数为冲压件， 是经过塑性加工得到的，零件中的厚度分布、残余应变和应力都发生了变化，这些变化 都会导致各种结构仿真类型产生误差，然而以前的常规结构仿真分析都将这些变化给忽 略了【1 4 4 3 铂】。为此，本文提出了将冲压成形工艺因素引入结构仿真分析的精细结构分析 技术，所谓引入成形因素的汽车车身及零部件结构分析技术就是指在结构仿真中引入制 造过程( 主要指冲压成形过程) 对材料性能影响的一种结构仿真分析新技术【1 5 ，4 7 。5 1 】，采 用引入成形因素的结构仿真分析技术对保证结构仿真的精度和计算准确性至关重要，将 为车身结构优化及轻量化设计提供更具实际意义的参考数据。 本文介绍的引入成形因素结构仿真分析过程具有普遍性。首先，用一步逆成形有限 元法对汽车车身构件进行冲压过程的模拟计算，然后将一步逆成形计算出的单元节点厚 度与等效应变分布映射到后续结构分析的有限元模型上，最后施加相应的载荷和边界条 件后，根据实际分析需求采用m s c n a s t r a n 、m s c f a t i g u e 等软件进行引入成形因素后 的结构仿真分析。 2 2 1 车身结构件的成形预分析 大多数汽车覆盖件具有浅拉延特性，基于形变理论比例加载路径假设的一步逆成形 方法是基于全量理论的有限元方法，其模拟精度与基于增量理论的有限元法相比，通常 能够满足工业应用的精度要求，但前者的仿真效率却远远高于后者【5 2 1 ，这是本文方法能 大连理工人学硕士学位论文 够真正_ l i ；| 于车身详细设计阶段精细结构分析的关键。即使对于深拉延件，一步逆成形算 法达不到增景算法的模拟精度，但其模拟的力学量的分布趋势仍然是合理的一这已得到 相关研究证实。 车身结构件的一步逆成形预分析町分为两个步骤：第一步是有限7 g 数据准备过程， 主要任务是将车身c a d 几何数据转换成一步逆成形仿真的计算数据：第一步为一步逆 成形计算过程，在该步骤中主要u 的就是采用一步逆成形法对零部件的冲压成形过程进 行模拟，并将零件的节点厚度、等效应变等计算结果输出，作为后续结构分析的初始文 件，对于本步骤中预成形模拟分析过程中零件的选取，用户可根据实际分析需要有针对 性地进行选择。 通常情况下，为保证冲压成形过程的模拟精度，一步逆成形计算需采川较细的有限 n n g - l g 型本文为提高车身结构分析精度，建立了较为精确的白车身有限元模型，因 此，一步逆成形预分析与结构仿真计算采用了同一套有限元网格模型。执行预成形分析 时，首先将处理好的车身有限元模型( m s c n a s t r a n 文件格式) 导入课题组自主丌发的 一步逆成形求解程序k m a s o n e s t e p 软件系统；然后根据实际分析需要，选择全部或者 部分车身结构件( 整车模拟分析时通常选择主要承载结构件) ；根据具体材料属性和实 际冲压工艺情况输入相应的成形模拟参数；最后执行对所选部件预成形模拟计算。 圈2 2 显示了k m a s o n e s t e p 界面下的白车身有限元模型，图2 3 给出了从车身结 构中选取部分零件执行模拟计算所得到的结果示意图。 汹 幽2 , 2k m a s 系统环境f 白车身有限元模型 f i g22 皿e f e m m o d e lo f b i w i n k i m a s s o f t w a r es y s l e m 引入成形冈素的车身结构分析 刚23 部r r 模拟仿真示愈图 g i 9 23o a f a 帆a s k e t c ho f p a r ts i m u l a t i 计算宄成后，程序将自动输出一个包含用广所选分析零件单元节点厚度以及单几沿 厚度方向个尚斯秘分点处的等效塑性应变文什( 本文实现的足m s cn a s t r a n 文件格式 输出) ，该文件即可作为后续结构分析的计算数据。那么如何实现将这些冈索的引入显 然是此项技术的关键所在。 222 引入成形因素的实现方法 由j 。f 步进行的车身结构静态特性与振动特性分析足通过m s c n a s t r a n 软件蛮现 的，车身零部件的疲劳寿命分析也是采用m s c n a s t r a n 结构自限元分析技术来确定疲劳 危险部位的，因此，考虑单元节点厚度变化和材料特性的改变是通过更改m s c n a s t r a n 输入文件( + b d f ) 中的板壳单兀的数据卡片来实现的口。为实现这一功能，本文在课题 组自 j r 发的成形模拟软什k m a s o n e s t e p 精细碰撞下台上，基于c o m x 技术编写了 可以读取并输出m s c n a a n 格式文件的程序实现模块，程序读取文仲后生成 k m a s o n e s t e p 计算模块、递交运行分析，最后输出包含毕元节点厚度和单元等效应变 的m s cn a s t r a n 格式文件。 车身覆盖件的冲j 盘成形过程对材料性能的改变主要包括物理特性和材料特性两个 方面。对于材料物理特性，我们主要考虑板料