（光学工程专业论文）某国产a级车车身前舱结构分析与优化.pdf

摘要 摘要 目前汽车的n v t - i 性能越来越受到汽车厂商的重视，而前舱是乘用车集中 部件最多的地方，前舱的振动与噪声是驾驶员可以直接感知到的敏感因素，是 影响整车n v h 水平的重要部分。同时为提高汽车被动安全性能，减少乘员伤 亡，在汽车开发阶段还必须研究汽车前舱结构的耐撞性。 本文比较系统地提出了一种改进前舱结构性能的设计思路和方法。根据原 车身等几何模型建立整车有限元分析模型，并进行了静力、模态和j 下面1 0 0 r b 碰撞分析；建立了前舱结构的局部体单元模型并进行静力、模态和等效碰 撞工况多任务况拓扑优化；对车身板件进行静力、模态和静态等效1 0 0 r b 碰 撞组合工况尺寸优化；根据尺寸优化结果修改模型，校核计算。综合分析研究 表明：经过优化，车身l o o r b 碰撞性能得到改善且前舱一阶弯曲模态、弯曲 刚度、扭转刚度均提高近1 0 。同时为了减小前舱p t 安装点向车身传递振动， 针对该处进行了动刚度优化。这些研究工作表明：体单元拓扑优化和结构尺寸 优化两种优化结合是改进前舱结构性能的一种有效的方法，为整车结构的改进 提供了参考。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：碰撞安全性，拓扑优化，尺寸优化，动刚度 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r sp u tm o r ea n dm o r ee m p h a s i so nt h e v e h i c l en v hp e r f o r m a n c e t h ee n g i n ec o m p a r t m e n ta s s e m b l eal a r g e rn u m b e ro f c a rp a r t s ，a n di t sv i b r a t i o na n dn o i s ei ss e n s i t i v ef a c t o rw h i c hc a nb ed i r e c t l y p e r c e i v e db yt h e d r i v e r ，s oe n g i n ec o m p a r t m e n ti sa ni m p o r t a n tp a r t sa f f e c t i n gt h e l e v e lo fv e h i c l en v h a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt oi m p r o v ep a s s i v es a f e t y p e r f o r m a n c e o fv e h i c l e sa n dr e d u c et h ec a s u a l t i e s ，e n g i n ec o m p a r t m e n t c r a s h w o r t h i n e s sm u s ta l s ob es t u d i e di nt h ea u t o m o t i v ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l yp r e s e n t sam e t h o dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f e n g i n ec o m p a r t m e n t s t r u c t u r e a c c o r d i n gt o t h eo r i g i n a l g e o m e t r i c m o d e l ， e s t a b l i s h e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo fv e h i c l e ，a n dc a r r i e do u ts t a t i c ，m o d a l a n df r o n t a l10 0 r bi m p a c ta n a l y s i s ；e s t a b l i s h e dt h ee n g i n e e rc o m p a r t m e n tf i n i t e e l e m e n tm o d e lw i t hs o m es t r u c t u r er e p l a c e db ys o l i de l e m e n t ，a n dc a r r i e do u ts t a t i c ， m o d a la n de q u i v a l e n ti m p a c tc o n d i t i o nt o p o l o g yo p t i m i z a t i o nu n d e rm u l t i p l e l o a d i n gc o n d i t i o n s ；t o t h ea u t ob o d yp a n e l s ，c a r r i e do u ts t a t i c ，m o d a la n d e q u i v a l e n t - s t a t i c 10 0 r bi m p a c ts i z eo p t i m i z a t i o n ；m o d i f i e d t h ef e mi n a c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t so fs i z eo p t i m i z a t i o n ，a n dc a l c u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o w s t h a t ：a f t e ro p t i m i z a t i o no fe n g i n e e rc o m p a r t m e n ts t r u c t u r e ，t h ep e r f o r m a n c eo f 10 0 r bi m p a c th a sb e e ni m p r o v e da n dt h ef i r s to r d e rb e n d i n gm o d e ，b e n d i n g s t i f f n e s s ，t o r s i o ns t i f f n e s so ft h ee n g i n e e rc o m p a r t m e n ti m p r o v e dn e a r l yb y10 a t t h es 锄et i m e ，i no r d e rt or e d u c et h ev i b r a t i o no fp ti n s t a l l a t i o np o i n tt r a n s m i s s i o n t ot h eb o d y ，c o n d u c t e dad y n a m i cs t i f f n e s so p t i m i z a t i o n t h e s es t u d i e ss h o wt h a t ： t h ec o m b i n a t i o no ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o na n ds i z eo p t i m i z a t i o n i sa ne f f e c t i v e m e t h o do fi m p r o v ep e r f o r m a n c eo fe n g i n e e rc o m p a r t m e n ts t r u c t u r e ，a n dp r o v i d ea r e f e r e n c et oi m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h ew h o l eb o d y i nt h ef i n a l i t y ，t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e r s t u d i e sa r ed i s c u s s e d a b s t r a c t k e yw o r d s ：p a s s i v es a f e t y ，t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ，s i z eo p t i m i z a t i o n ，d y n a m i c s t i f f n e s s 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e r j 届l j 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： 年月日 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 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： 年月 日 第l 章绪论 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 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 开发能力的前提条件，具有非常重要的意义比1 。 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5 1 ： 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 i a 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 ) 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哺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n ，。 汽车工程师在设计车身时，总希望在满足定环境条件和一些使用要求下 第l 章绪论 车身结构达到方案最佳，这就是所谓的结构优化设计。结构优化设计大体上可 分为三步：第一步是建立数学模型，把一个工程结构的设计问题转变为一个数 学问题；第二步是选择一个合理有效的计算方法；第三步是基于该计算方法及 相关计算机软件，完成设计计算。 按照结构优化技术发展的顺序，最早发展的是尺寸优化技术、然后才是形 状优化和拓扑优化。 1 尺寸优化 结构优化设计发展的第一阶段是以尺寸优化起步，即以结构截面尺寸作为 设计变量，在以有限元方法作为结构分析手段时采用常规单元( 例如杆件截面 积、梁元截面尺寸、膜或板壳单元的厚度等等) 的几何变量作为参数，以降低结 构重量、充分发挥材料的机械性能为优化设计目标。在结构强度、刚度等约束 下的寻优过程中，设计变量与刚度矩阵一般为线性关系，因此，在结构分析与 优化算法的连接中，由于设计参数均是以有限元模型中诸如杆单元或者梁单元 的截面尺寸、板壳单元厚度等为变量，最优解的搜索过程并不改变结构的有限 元网格模型，所以，它是一种很有效的方法。但是在如何对这些截面参数进行 优化分析上并没有统一的理论方法。 目前构件尺寸优化的理论成熟，应用也很广泛。8 0 年代中期，e s p i n g 砸3 等 开始试着用集成化软件系统进行优化设计。同期国内，钱令希等阳1 提出了基于 序列二次规划的结构优化算法及d d d u 程序系统。顾元宪、程耿东等n 岫吸收了 结构优化理论研究的成果并采用面向工程结构设计的实用化技术，编制了 m c a d s 计算机辅助结构优化设计软件，其中的优化算法在序列二次规划和序 列线性规划基础上进行了改造。叶元列等1 对薄壁覆盖件的结构优化设计做了 研究，选择了序列二次规划法进行优化，并编制o p t s h e e t 程序，以汽车车身 为例进行了计算。 2 形状优化 8 0 年代后期，结构边界形状优化设计引起了人们的关注，它主要研究如何 确定连续体结构的边界形状或内部结构，诸如杆系结构的节点位置优化。目前 的形状优化是通过改变区域的几何形状来达到某种意义下的最优，并要求某些 物理量在边界上满足某种要求，以改善结构的特性。同本a z e g a m i 等人提出了 一种牵引方法( t r a c t i o nm e t h o d ) 州3 1 ，其核心是按照结构特性求出形状梯度函 数的值，然后将其作为外载荷施加在一个虚拟的弹性问题上，通过求解得到一 2 第l 章绪论 个位移场，其中形状梯度函数可使用拉格朗日算子和实质导数法( m a t e t i a l d e r i v a t i v em e t h o d ) 得到。 3 拓扑优化 拓扑优化是一种概念设计方法，始于2 0 世纪8 0 年代n 引，而汽车企业开始 运用拓扑优化技术则从9 0 年代开始5 1 。在车身结构设计初期引入拓扑优化方法 的目的在于满足给定载荷工况，以及刚度及强度等约束的要求下确定出车身结 构件的最佳布局。拓扑优化是一种比尺寸优化、形状优化更高层次的优化方法， 也是结构优化中最具挑战性的问题。拓扑优化主要应用于结构的概念设计阶段， 其优化结果是后续设计工作的基础。对最终产品的性能和成本有着决定性的影 响。 结构拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设 计区域内寻求最优材料分布的问题n 明。通过拓扑优化分析，设计人员可以全面 了解产品的结构和功能特征，可以有针对性地对总体结构和具体结构进行设计。 特别在产品设计初期，仅凭经验和想象进行零部件的设计是不够的。只有在适 当的约束条件下，充分利用拓扑优化技术进行分析，并结合丰富的设计经验， 才能设计出满足最佳技术条件和工艺条件的产品。连续体结构拓扑优化的最大 优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下，根据已知边界条件和载荷条件确定 出较合理的结构形式，它不涉及具体结构尺寸设计，但可以提出最佳设计方案。 拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布方案。拓扑优 化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并做出适 当的修改，最终的设计往往比初始设计的方案结构更轻，而性能更佳。经过设 计人员修改过的设计方案可以再经过形状和尺寸优化得到更好的方案。 目前结构拓扑优化的方法主要有变厚度法、均匀化法和变密度法等，每种 方法都各有优劣。 ( 1 ) 变厚度法是较早采用的拓扑优化方法，属于几何描述方式，其基本思 想是以基结构中单元厚度为拓扑设计变量，以结果中的厚度分布确定最优拓扑， 是尺寸优化方法的直接推广。优点是简单；缺点是不能用于三维连续体结构拓 扑优化，一般用于处理平面弹性体、受弯矩的薄板、壳体结构的拓扑优化问题。 ( 2 ) 均匀化方法是连续体结构拓扑优化中应用最广的方法，属于材料描述 方式，其基本思想是在拓扑结构的材料中引入微结构，微结构的形式和尺寸参 数，决定了宏观材料在此点处的弹性和密度，优化过程中以微结构的单细胞尺 第l 章绪论 寸为拓扑设计变量，以单细胞尺寸的消长实现微结构的增删，并且产生由中间 单细胞构成的复合材料，以拓展设计空间，实现结构拓扑优化模型与尺寸优化 模型的统一和连续化。用于二维、三维连续结构体拓扑优化设计，并且用于复 合材料的设计中。产生的拓扑结构某些区域加工困难，需要抽象出明确的可加 工结构。 ( 3 ) 变密度法是人为的建立一种材料密度与材料特性之间的关系，拓扑 优化计算以后得到单元密度绝大部分呈0 或1 分布在初始给定的区域上，虽然 也需要对结果进行抽象才能得到可加工结构，但由于密度绝大部分呈0 或1 分 布在初始给定的区域上，易于进行抽象。因此变密度法相对于变厚度法、均匀 化方法有明显的优势。基于此，本文采用变密度法进行前舱结构的拓扑优化。 传统的尺寸或形状优化等优化设计方法对产品整体性能与质量的提高上显 得越来越力不从心。而拓扑优化技术改变了传统设计方法的不足，使得汽车设 计能够从概念设计阶段开始就借助计算机进行模拟，降低了设计成本，同时从 整体上提高了汽车产品的性能6 。国外汽车工业从2 0 世纪9 0 年代初就已经丌 始了这方面的研究，至今已经得到了比较广泛的应用n 引，而国内汽车企业只 有极少数企业在局部构件的设计上应用了该技术，而将拓扑优化和尺寸优化两 种结构优化方法结合进行汽车结构j 下面碰撞耐撞性研究还未见报道。鉴于此， 本文尝试利用拓扑优化和传统的尺寸优化的综合，来提高国内某a 级车碰撞安 全等性能。 在轿车的车身设计中，动力学优化占有重要的地位，其作用主要表现在车 身疲劳寿命和整车乘坐舒适性上。 轿车在行驶过程中，会受到各种各样的动载荷的作用。当动载荷与车身动 力学特性接近时，即动载荷的某分量与车身某阶模态的固有频率接近时，将可 能引发结构共振产生较高的动应力，导致车身的疲劳破坏。车身动力学特性对 乘坐舒适性的影响，主要表现在n v h 性能上。一般而言，车身对激振源的响 应越小，性能越舒适。经验丰富的试车员甚至能够通过主观评价试验判定车身 的动刚度是否不足。无论是针对车身疲劳寿命，还是针对整车乘坐舒适性，车 身结构的动力学优化都采用同样的原理，即设法将车身结构的固有频率与激振 源的激振频率错丌，将激振源的作用点布置在尽可能接近振型节点的位置上。 承载式车身所受到的激振力总是以中低频为主。另一方面，车身结构本质上是 复杂的连续弹性体，具有无限多的自由度和模态，频率越高，其模态越密集。 4 第1 章错论 因此，在进行承载式车身的动力学优化时，通常采用以下策略： 1 提高车身的低阶全局模态的固有频率： 2 将联接点尽可能地布置在低阶全局模态的振型节点上； 3 将若干高阶敏感模态的固有频率与激振力的中频分量错开。 在车身的动力学优化中，策略( 3 ) 通常由整车动力学特性匹配完成，策略 ( 2 ) 主要由结构布置完成。而策略( i ) 则形成了车身动刚度优化分支，并随 着整车配置多样化和平台开发模式的广泛应用，成为评价车身动力学特性的关 键指标之一，设计规范甚至对其提出了限制要求，如一扭频率应大于3 0 h z ，一 弯频率应大于4 0 h z 。 在车身结构设计中，一些关键点( 如图1 1 所示：主要包括发动机悬置点、 减震器安装点、水箱安装点及副车架安装点等1 是向车身传递振动的主要来源， 对车身的振动和疲劳破坏有重要的影响作用，因此分析关键点的动悉特性具有 重要的意义。 1 2 主要研究内容 幽1 1 下身关键点仃置分布 ：1 1 _ 一 本文比较系统地提出了一种改进前舱结构的概念设计思路和方法。以国内 某款a 级新产品轿车前舱作为研究对象，根据原车身等几何模型建立整车车身 爨 ， 第l 章绪论 有限元模型，对原设计进行了计算分析；并对前舱结构进行拓扑优化和尺寸优 化；根据优化结果，修改模型进行优化后的校核计算；同时为了减少发动机的 振动和路面激励传递到车身，对发动机悬置安装点进行了动刚度优化。具体的 研究内容如下： ( 1 ) 建立计算精度较高的整车有限元模型，进行模态分析、前舱静弯曲刚度 分析、前轮一轮悬空扭转刚度分析，并根据我国正面碰撞法规 c m v d r 2 9 4 对其进行了碰撞仿真模拟计算； ( 2 ) 建立前舱结构的局部体单元模型并参考整车模型计算结果设定约束条 件和目标函数进行静力、模态和等效碰撞工况多工况拓扑优化； ( 3 ) 对原设计车身板件进行静力、模态和静态等效1 0 0 r b 碰撞组合工况 尺寸优化；根据结构优化结果，对前舱主要结构进行了修改，并进行 静力、模态和1 0 0 碰撞校核计算。 ( 4 ) 对发动机悬置安装点进行了动刚度优化。 1 3 研究工具 本课题研究工具主要有：c a t i a 、h y p e r w o r k s 、p a t r a n & n a s t r a n 和l s d y n a 。 c a t i a 是法国达索系统公司的c a d c a e c a m 一体化软件，在世界 c a d c a e c a m 领域中处于领导地位，被广泛应用于航空航天、汽车制造、造 船、机械制造、电子、电器、消费品行业；它的集成解决方案覆盖所有的产品 设计与制造领域，满足了工业领域各类企业的需求。在汽车业，c a t i a 已成为 事实上的工业标准。世界前2 0 名的汽车企业有1 8 家采用c a t i a 作为其核心设 计软件引。 美国a l t a i r 公司的h y p e r w o r k s 是业内公认的优秀的有限元前后处理软件。 目前h y p e r w o r k s 软件已经成为全球汽车行业的标准配置之一，几乎所有的整 车厂商和大多数配件厂商都在采用h y p e r w o r k s 。h y p e r w o r k s 软件包括很多模 块，本文主要用以下两个模块： ( 1 ) h y p e r m e s h h y p e r m e s h 是一个高性能有限单元前后处理器，让工程师在高度交互及可 视化的环境下验证各种设计条件。它的优点体现在：具有多种c a d 软件和有 限元计算软件的接口，读入c a d 模型的速度与效率较高，为各种有限元求解 6 第l 章绪论 器写出数据文件及读取不同求解器的结果文件，可实现不同有限元软件之间的 模型转换功能啪3 。 ( 2 ) o p t i s t r u c t o p t i s t r u c t 是用于概念设计和改进设计、基于有限元的结构分析及优化的 软件。o p t i s t r u e t 中的拓扑、外形和形状优化技术，具有强大的功能，可以帮 助用户优化设计出基于各种约束条件下的具有最小重量和最佳性能的结构。 o p t i s t r u c t 以包含在a l t a i rh y p e r m e s h 的图形用户界面内，可以让用户方便地 进行复杂问题的模型建立、提交求解及后处理。 1 9 9 4 年a t a i r 提出拓扑优化技术，并获得大奖。它可以在给定的设计空间 内找出最佳的材料分布。设计空间的定义可以用壳体和实体或两者同时使用， 并定义一致的材料特性。o p t i s t r u c t 先进的逼近和优化方法帮助找到优化的载荷 路径。o p t i s t r u c t 包含的实用程序o s s m o o t h 可以生成i g e s 文件，这样拓扑优 化的结果可以反馈到c a d 系统。 p a t r a n & n a s t r a n 是美国m s c 公司出品的强大的有限元软件。其中p a t r a n 用 于前后处理，其功能包括开放的工程分析框架；强大的布尔计算、实体建模等 功能；强有力的网格生成功能；逼真的结果可视化功能他。而n a s t r a n 是一个 具有高度可靠性的结构有限元软件，有着4 0 多年的开发和改进历史。其功能包 括精力分析、屈服分析、动力学分析、非线性分析、热传导分析、灵敏度分析 及优化计算等等心引。 l s d y n a 软件是当今市场上最快，功能最齐全的几何非线性、材料非线 性和接触非线性程序。它的显示求解算法能快速求解段时间、大变形、动态以 及复杂的非线性碰撞问题瞳驯。l s d y n a 软件1 9 7 6 年起源于美国的l a w r e n c e l i v e m o r e 国家试验室心4 j ，该软件由l s t c ( l i v e m o r es o f t w a r et e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 公司开发，并主要应用于汽车耐撞性的研究。该软件历经了许多版 本，现已趋于成熟，并通过了试验的验证。目前的版本中包括1 0 0 多种材料的 模型，其中包括汽车上常使用的不同的橡胶、玻璃、泡沫等材料的模型。在1 9 9 0 年版以后又增加了安全带和气囊的模型。该软件具有与c a l 3 d 和m a d y m o 等多刚体软件的接口，并允许用户输入自定义的材料特性。1 9 8 6 年l s d y n a 首次成功地模拟了整车的碰撞大变形过程，1 9 9 1 年m v m a ( 美国机动车制造者 协会) 的t b k h a l i u 和l s t c 公司的j o h a l l q u l s t 等人计算了有限元模型的气囊 与人体的接触过程，其中人体是采用多刚体的模型。后来为了研究人体在碰撞 7 第l 章绪论 过程中的损伤，采用l s d y n a 软件建立了人体各个不同部位的有限元模型， 如以制造模型人而闻名的美国f t s s ( f i r s tt e c h n o l o g ys a f e t ys y s t e m s ) 和 a x u p ( o v e a r u p & p a r m e r si n t e r n a t i o n a ll i m i t e d ) 在19 9 5 年联合使用l s - - d y n a 3 d 软件建立了h y b r i d l l 假人的模型并通过了试验的验证。 第2 章前舱模型的结构分析 第2 章前舱模型的结构分析 i j f 舱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，还必须有合理的动态性能以控制振动和噪声，所以控制好包括刚度和低阶 模态在内的车身结构基本力学性能指标是前舱设计初期阶段的主要任务心引。 本章主要介绍了国内某a 级轿车白车身有限元模型的建立过程，并利用 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。并使用了l s d y n a 软件对整车进行了 1 0 0 r bj 下面碰撞分析。对车身的刚度和强度进行了评价并同其他车型进行对 比，找出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， 并为结构优化设计时状态变量和优化目标的设置提供依据。 2 1 前舱概述 车身结构一般分为前围、侧围、项盖、地板和车架，它们通过焊接或者螺 栓连接构成整个白车身。该a 级轿车前舱结构由水箱框架、前围板、上安装板、 左右侧板、左右灯罩总成、前纵梁及一些安装支架所构成( 如图2 1 所示) ，主 要起着安装零部件和车身附件的功能。上安装板与前侧围、前顶盖横梁构成前 风窗，给前挡j x l 玻璃提供安装面；前隔板、左右侧板与地板、侧围、项盖构成 乘载空间，对乘客起保护作用。 9 第2 章前舱模型的结构分析 刚2 i 前舱儿何模型 前舱结构上安装的部件和附件主要有：发动机，变速器；散热系中的散热 器、电子扇和溢水壶；制动离合踏扳总成及真空助力器、加速踏板总成；空调 系统中的冷凝器、控制水阀、前蒸发器和暖风机：雨刮总成和前挡沈涤总成； 前挡风玻璃限位器，上安装板装饰板：前照灯、发罩、翼子板及一些线束和管 路等。 前舱不仅只是用来安置汽车的发动机、变速器、转向、制动等重要总成， 而且还对汽车车身结构的耐撞性能有重大影响，即当汽车发生意外的正面碰撞 时，发动机舱会折曲变形以吸收碰撞产生的巨大能量，减少碰撞对车内外人员 的猛烈冲击，起到保护车内乘员的作用。因此在车身结构正面碰撞设计时，前 舱布置较软的吸能结构，一方面减小车身的减速度，另一方面减小作用在乘员 舱r 的碰撞力，从而降低乘员舱刚度的要求懈1 。前舱结构是币而碰撞性能主要 影响因素，因此本文主要是通过优化前舱结构来提高整车碰撞安全性和其他性 能。为了能反映整车性能，前半车身建立了洋细模型，后半车身采用等效模型。 通过对原设计的初步计算，为下一步的体单元拓扑优化和尺q 优化提供参考数 据和性能对比。 第2 章前舱模型的结构分析 2 2 前舱模态、刚度计算分析 2 2 1原设计有限元模型的建立 有限元计算模型的准确度直接关系到计算结果的j 下确度和精确度。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乜们： ( 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j 下方向，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1 t l l n ( 毫米) 、s ( 秒) 、 t ( 吨) 、m p a ( 兆帕) 。 由于本次研究对象主要是前舱结构，因此采用前半车身作为本次研究模型。 根据车身几何模型，建立该车身前半部分有限元模型。该模型主要单元为壳单 元，考虑到计算精度与计算时间，根据计算机软硬件条件，选取单元大小为1 0 x1 0 r a m 来离散整车中的所有部件，既较好的吻合了车辆模型，保证了运算的 精度，也保证了运算效率；同时由于前纵梁对碰撞分析时车身吸能影响较大，前 纵梁建模时单元尺寸为8 8 m m ，这样增加了模型的通用性，减少了重复建模。 壳单元网格划分标准如下： 1 ) 单元边长约1 0 m m ，并不小于6 m m ； 2 ) 网格质量：长宽比5 ：翘曲角1 l 度；倾斜角6 0 ； 3 ) 三角形单元单件占比小于1 0 ； 4 ) 翻边双列建模，一般情况下，在宽度方向2 个q u a d 4 单元；翻边单元 与连接构件的单元网格划分一致。 在由几何模型网格单元划分时过滤掉c a d 模型中细小的边角孔，比如直 径很小的孔、倒角、圆角、翻边、凸缘、台阶等，以避免出现过小的单元，影 第2 章时舱模型的结构分析 响整个模型的质量，尤其是计算速度。对于该款轿车的所有零件，首先将尺寸 小于1 0 m m 的孔，小于4 m m 的倒角，圆角、翻边、凸缘、台阶等特征都进行 了忽略，然后对模型进行网格划分，翻边处尽量划分成两排单元，以保证焊点 的连接。 车身各部件侧的焊接关系用c w e l d 单元模拟，顶盖横梁与顶盖之间的胶 连接采用了体单元模拟。该车身前半部分有限元模型如图2 2 所示，表21 为该 有限元模型信息。 吲2 2 车身前半部分有限元模型 表21 下身前、f 部分有限元模删信息 2 2 2 模态分析 模态分析是一种参数识别的方法，其先决条件是实际结构可以运用所谓“模 态模型”来描述其动态响应。主要是运用有限元法对振动结构进行离散，建立 系统特征值问题的数学模型，用各种近似方法求解系统特征值何特征矢量。由 于阻尼难以准确处理，因此通常不考虑小阻尼系统的阻尼，解得的特征值和特 征矢量即为系统的固有频率和固有振型矢量删。 本节丰要针对酸a 缴轿车前半车身有限元模型进行模态分析，分析工具采 第2 苹前肚摸塑的结构分析 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78 1 0 1 t m 3 ，不加任何约束与载荷，用b l o c kl a r c z o s 方法计算模型的自 由一自由模态1 ，计算了前5 0 阶模奄。主要关注前舱第一阶弯曲模态频率。计 算结果显示；第1 2 阶模卷为前舱第一阶弯曲模态( 如图2 4 所示1 ，频率为4 2 9 h z 为了对比前半车身和全车身的模态性能，也对整车车身有限元模型作了模惑分 析。前舱和整车低阶模杏振型如图2 3 7 所示，图中振型的大小只是一个相 对的量值，它表征的是某个点在某一固有频率上振动量值之间的相对比值，反 映该固有频率上振动的传递情况并不反映实际振动的位移数值。 幽2 3 整体阶扣转模态 a 目：、r 午身模型阶抓转第1 0 阶3 2 6 - i z ，b 酗整1 阶扣转第8 阶3 li h z 一勇o i y ：i = 曩 象 兰i 翟 ：一 1 ： 蠹_ 一 抑一 ? ：薹。 蠢i j 第2 章前盼模型的销掏分析 囹 鬃通翥暨皿圈 器 酗2 4 前舱一阶弯曲模态 ( a 酗：半币身模，n 第1 2 阶4 2 9 5 3 h z b 幽：辖下模趔第l o 阶4 05 9 h z ) 融蓦i ，舔爹徊 阶4 9 9 5 h z ) 幽2 6 前舱一阶_ | f l 转+ 前风窗r 横桨局部模态 a 幽：2 f 1 身模“第2 2 阶模态频率7 l8 18 h z ，b 蚓：骼午模础第2 9 阶模忐额率7 71 1 6 h z ) 第2 章前蛇模型的结构分析 图27 前风宙f 横粱局部模态 a 酗：、# 车身模型第3 4 阶9 83 5 h z ，b 图：整车模型第4 3 阶9 8 1 6 h z ) 表2 2 模态计算结果 振型前半下身模态额率( 蛐 整印模态颠率( t t z ) 整体阶扭转模态 前舱阶弯曲模态 整体阶弯曲模态 前舱阶扭转+ 前风宙r 横 7 l8 粱局部模态 前风窗r 横粱局部模态 从表2 2 模志计算结果可以看出，前半车身与整车模型同一振型的模态频 率基本相近，且一阶弯曲和一阶扭转模惫频率均要略高于整车模型。这醴明针 对前舱一阶弯曲模态优化计算时的计算模型可以利用前半车身模型来代替整车 模型，而且随着前半车身的前舱一阶弯曲模态频率的提高，整车的相应模态频 率也会有所提高。 该车白车身楚车的主要低阶模态与江淮汽车公刊的某a 数车的比较如表 2 3 所示。由衷2 3 可见，该车白车身整车一阶弯曲、一阶扭转模惫频率比江淮 某a 绒车的相应模态频率要高。江淮该a 绒车是己上市汽车，其模态参数对a 缴轿车是合理的。模卷计算总体说明，该a 级车整车结构方案是合理的，该车 整车低阶模态刚度已经满足要求，不需要进一步提高。但是整车第l o 阶模态即 前舱一阶弯曲模卷频率比江淮该a 级车第1 0 阶模态频率要低。说明若要提高 第2 章前舱模型的结构分析 该车n v h 特性，该车前舱一阶弯曲模态频率至少要比江淮a 级车高，这需要 对前舱结构进行优化。 表2 3 白车身关注低阶模态比较 2 2 3前舱扭转刚度分析 计算前舱扭转刚度时，约束前半车身模型后端x y z 三个方向位移自由度 ( 如图2 8 所示) 。用梁单元模拟台架试验中的加载梁并且约束中间结点处x y z 方向平动自由度以及绕y z 方向转动自由度，梁两端与车身塔形支座用刚性单 元r b e 2 连接，释放刚性单元r b e 2 的x y z 转动自由度。梁两端加一力偶，大 小为该车前轴荷扭矩： m = 0 5 木l0 5 0 * 0 6 * 9 8 木1 4 9 = 4 6 0 0 n * m 力的大小为：f = m 1 1 2 = 4 1 0 0 n 其中：整车质量为1 0 5 0 k g ，前轴荷比为0 6 ，重力加速度为9 8 ，轮距为 1 4 9 m ，加载梁长度为1 1 2 m 。 前舱扭转刚度白车身z 向变形见图2 9 。选用塔形支座悬架安装孔中心处 位移z 方向位移评价扭转刚度，即等效于加载梁左、右两端点z 方向位移。左、 加载梁两端z 方向位移分别为1 6 4 m m 和1 6 9 m m ，则扭转角度为： 缈= a r ct a n ( ( 1 6 4 + 1 6 9 ) 1 1 2 0 ) = o 1 7 0 4 d e g 则车身前舱的当量扭转刚度为： m = 4 6 0 0 0 17 0 4 = 2 6 9 9 5 n m d e g 。 1 6 第2 章前舱模型的结构分析 幽2 8 前 车身扭转刚度计算模型 幽2 9 扭转刚应计算结果 也对整车扭转刚度进行计算。加载情况与前半车身扭转刚度计算相同。约 束车身后悬挂固定座的全部自由度，前部t 型加裁粱中点约束中叫结点处x y z 方向平动自由度以及绕y z 方向转动自由度。计算模型如图2 i o a 所示。计算 结果如圈2l o b 所示。 1 瓣辩i i o 蒸番趁 第2 常前舱摸型的结构分析 b 1 幽2 l o 箍年扭转刚度计算 抽豳为计算模型，b 幽为扭转刚度计算结果) 如图2 l o b 所示，左、右加载梁两端z 方向位移分别为5 7 2 r a m 和57 3 r a m 则扭转角度为： 口= a r c t a n ( r 57 2 + 57 3 y l l 2 0 ) = 0 5 8 5 7 d c g 则整车车身扭转刚度为： m = 4 6 0 0 0 5 8 5 7 = 7 8 5 4 n m d e g 。 由前半部分车身和接车扭转刚度计算可以得到以下关系式： 翥蔫誊嚣等蒜一7 8 5 4 2 6 9 9 b 。、 车身前舱的当量扭转剐度 r ，1 、 鳖塑笔掣墨2 5 2 8 - o m 一22 辖距r、 由式2 i ，2 2 可得： 兰兰兰苎望壁里墨。 车身前程的当量扭转爰妻 轴距一前轴到前半车另截断处x 耋亩茼距离 轴亟 f 2 3 、 雪 b 第2 章前舱模型的结构分析 该a 级轿车整车扭转刚度与重庆长安某款a 级轿车比较列于表2 4 中。从 表2 4 可以看出，该车与长安某a 级车相比刚度要高约3 0 ，整车扭转刚度已 达到要求。 表2 4 与重庆长安某款a 级轿车整车扭转刚度的比较 对国内另一a 级轿车( 参考车) 前半车身的扭转刚度进行计算。该a 级轿 车前半车身的扭转刚度结果与参考车比较列于表2 5 中。该参考车是国内市场 上较为成熟的中低档车。由表2 5 可以看出：该a 级车前舱扭转刚度为 2 6 9 9 5 n m d e g ，与参考车相比低约8 7 。因此要提高该车产品性能，需要对该 车前舱进行优化改进，以提高其扭转刚度。 表2 5 前半车身扭转刚度与参考车的比较 2 2 4前舱弯曲刚度分析 由于本车为前置前驱形式，发动机和变速器( p t ) 安装在前舱中，前舱弯 曲刚度与车身n v h 性能直接相关，因此有必要对前舱弯曲刚度进行计算。 计算前舱弯曲刚度时，约束前半车身模型后端和塔形支座孔中心处x y z 三个方向位移自由度，将p t 重量乘2 5 倍动载系数加载在p t 安装位置处，前 舱弯曲刚度计算模型如图2 1 1 所示。采用前纵梁前端z 向位移来评价前舱弯曲 刚度大小，计算结果如图2 1 2 所示，其中前纵梁前端位移如图2 1 3 所示为 0 7 2 m m 。 1 9 第2 章前腑模型的结构分析 圈 幽21 2 前舱弯曲川度计葬结果 酉i 强 h2 i3 飒妣zn 】l - e 计算前舱当量静态弯曲刚度为： 加载力位移= 1 5 0 * 98 * 25 07 2 = 5 i l i3 n r a m( 2 4 ) 本文中的前舱当量弯曲刚度计算方式是和台作方协商提出的无标准可查。 因此无参考数据。由于厂家评估后，认为前舱弯曲刚度较低，提出需要针对前 舱弯曲刚度进行优化，将前舱当量静态弯曲刚度提高1 0 。 孽盒 第2 章前舱模型的结构分析 2 3 前舱碰撞安全性分析 汽车被动安全性在现代汽车开发中占有越来越重要的位置，被动安全性测 试主要是通过汽车碰撞试验来评价。它是汽车安全性研究中最准确可靠的方法， 但实车碰撞试验是对试验车进行的破坏性试验，为了检验一项设计目标往往需 要反复地进行碰撞试验，试验费用相当昂贵，试验的准备周期也较长，因此在 现代汽车设计中，通过对汽车碰撞进行模拟计算来指导和部分取代试验工作， 就成为汽车安全性研究的一种必然趋势。通过仿真计算，可以在汽车设计或改 进过程中经济而有效地提供一些基本规律和指导方向，减少试验次数，避免大 量的尝试性工作，这样既能减少开发成本，又可缩短开发周期口引。 本节针对该a 级车整车1 0 0 r b 正碰试验进行了计算机仿真，并对碰撞结 果进行评价，为后文的被动安全性优化提供参考。 2 3 1前舱碰撞模型的建立 由于汽车碰撞过程的计算机仿真己成为汽车碰撞安全性设计与改进的重要 方法和手段，如何保证仿真的精度及准确性对工程应用是至关重要的。其中， 仿真的精度及准确性除了与有限元核心计算有关外，还在很大程度上依赖于仿 真模型建立的精度。 本文主要是针对该款轿车前舱结构进行优化，首先需对优化前的前舱碰撞 过程进行模拟，重点研究前纵梁的碰撞吸能特性。鉴于此研究目的，同时为加 快碰撞计算的速度和保证计算精度，本文在整体上对模型进行如下处理： 1 ) 忽略了车身外部的突起物如后视镜、雨刮器、车灯等部件， 2 ) 对发动机、变速箱、副车架、悬架、轮胎、电池、a