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硕士学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 摘要 汽车车身的结构振动是一个工程中的经典问题。本文应用有限元仿真 与试验相结合的手段来尝试研究发动杌不同转速下车身结构的振动特性。 本次研究以某种轻型客车的白车身为对象，分析了车身的结构特征， 提出了有限元动态分析模型的建模方法与简化原则。针对该型轻型客车具 有坚固的蒙皮的特点，完全采用三维曲面建立了蒙皮与车梁相结合的白车 身整体模型，并灵活运用混合分网的方法进行了单元划分，良好地解决了 计算精度与计算成本之间的矛盾。继而分别进行了车身的有限元模态计算 与实车车身的模态试验，通过对二者得到的振型和固有频率之间的对比， 检验了该车身有限元模型的可靠性。在此基础上，针对该型车发动机引起 的激振力主要来自二阶惯性不平衡力矩与燃烧爆发力的机理，进行了相应 频带内的车身谐波响应分析。以发动机悬架中间支承处为激励点，计算了 布置在车身表面的1 4 个点在发动机整个转速范围内的位移响应，并分别计 算了车身在怠速、发动机最大输出转矩、发动机额定转速等几个常用转速 下二阶不平衡力导致车身板件振动的响应，找到了发动机工作时车身板件 中可能产生强烈振动的部分，为有效地减小因此产生的车身结构振动与噪 声奠定了基础。 关键词：有限元法，车身，模态分析，结构振动，仿真 硕士学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 a b s t r a c t t h es t u d yo ns t r u c t u r a lv i b r a t i o nc h a r a c t e ro fv e h i c l e sb o d yi sac l a s s i cp r o b l e mi nt h e e n g i n e e r i n gf i e l d t h i sp a p e rs t u d e dt h eb o d ys t r u c t u r a lv i b r a t i o np a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n t r o t a t es p e e d so ft h ee n g i n ew i mt h em e t h o di n t e g r a t i n gf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw i t h e x p e r i m e n t i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fak i n do fl i g h tb u sb o d yw a sd e t a i l e d l y a n a l y z e da n dt h em o d e l i n ga n ds i m p l i f i c a t i o np h n c i p l e sf o rd y n a m i ca n a l y s i sw e r eb r o u g h t f o r w a r d a st h eb u sh a ss o l i dp a n e l s ，af i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ew h i t eb o d yw a gb u i l tb y m e r g i n gt h ep a n e l sa n db e a m so ft h eb o d yw h i c hh a db e e nc o m p l e t e l ym o d e l e db ys u r f a c e s t h em o d e lw a sm e s h e db yt h em i x e dm e s h i n gm e t h o da n dt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h e c a l c u l a t i o n a l p r e c i s i o n a n dc o s t w a sw e l ls o l v e d a f t e rt h em o d a lo f t h eb o d yw a sr e s p e c t i v e l y g o t t e nt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n de x p e r i m e n tm e t h o d ，t h em o d e sa n d n a t u r a lf r e q u e n c yr e s u l t s w e r ec o m p a r e d 。t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eb o d y sf i n i t ee l e m e n tm o d e l w a sr e l i a b l e o nt h i s b a s e ，s i n c et h ee x c i t i n gf o r c e sw e r em a i n l yo r i g i nf r o mt h ee n g i n e ss e c o n do r d e ri n e r t i a u n b a l a n c em o m e n ta n dt h ec o m b u s t i o nf o r c e ，t h eh a r m o n i cr e s p o n s et ot h eb o d yw a sa n l y z e d i nt h i sp r o c e s s ，t h ep o i n ta tt h eb e a r i n go ft h ee n g i n e ss u s p e n s i o nw a ss e l e c t e da st h e p r o m p t e dp l a c ea n dt h ed i s p l a c e m e n tr e s p o n s e so ff o u r t e e np o i n t so nt h eb o d ys u r f a c ew e r e c a l c u l a t e dd u r i n ga l lt h er o t a t es p e e d so ft h ee n g i n e t h e nt h eb o d yp a n e l s v i b r a t i o n r e s p o n s e st ot h ee n g i n e ss e c o n do r d e ri n e r t i au n b a l a n c em o m e n ta n de o n b u s t i o nf o r c ew e r e c a l c u l a t e du n d e rs o m es p e c i a lc o n d i t i o n ss u c ha si d l e ，m a x i m a lo u t p u tt o r q u ea n dt h er a t e d p o w e r , a n dt h ep o t e n t i a lv i o l e n tv i b r a t i o n a lp a r t so ft h ep a n e l sw e r ef o u n do u t i tw o u l db ea g o o db a s ef o ra v a i l a b l yr e d u c i n gs t r u c t u r a lv i b r a t i o na n dn o i s eo f t h eb o d y k e y w o r d ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，v e h i c l eb o d y , m o d a la n a l y s i s ，s t r u c t u r a lv i b r a t i o n ， s i m u l a t i o n n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部内容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。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 炙薮 保密团，在，年解密后适用本授权书。 不保密口 导师签名：屋专2 & - 签字日期：，争年月工。日 签字日期：嘶年g 月肋日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 独创性声明 7 y i 0 1 ；1 3 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：吴：爽 日期： 口铲 年 ，月1 工日 硕士学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 1 1 引言 第一章绪论 现代客车要求良好的舒适性，而车身作为客车上直接与乘客发生作用的部件，对乘 座舒适性的影响是不言而喻的。由于客车车身是复杂的空间结构，不少厂家仅凭经验设 计车身，往往造成车身强度过剩而刚度不足 1 l 。特别是近年来为了强调车辆的经济性， 一些车型的车身作了轻量化设计，车身刚度下降，容易导致车身振动加裁，噪声变大。 因此，探讨客车车身结构与其振动特性的关系是很有实用意义的。 汽车车身振动的主要振动源是路面与发动机。目前有关路面不平度对汽车振动影响 的研究很多，此处不再作专门论述，有兴趣者可见文献 2 1 1 3 1 。针对发动机及传动系统 振动的减振降噪方法的研究也非常丰富，但主要考虑如何通过减小振源振动( 即发动机 振动) 和优化隔振结构来达到减小车身振动的目的 4 l 5 l t 6 1 ( 例如为衰减发动机振动向车 体的传递而应用先进的发动机液压弹性支承元件) 。事实上要达到车身振动的优化，必 须同时从减少传递到车身的振动能量与减弱车身对激励的振动响应两方面同时入手，因 此通过研究车身结构的振动特性以及发动机振动激励对车身振动的影响，找到降低车身 振动的车身结构是减小汽车振动噪声的另一有效途径。以往的研究文献大多以提高一阶 固有频率为目标，艰于单一考察车身的模态振型与结构参数间关系 r l g l l 9 3 1 1 0 1 ，这样做的 优点是可以单独研究车身单一子结构的动态性，得到该结构本身较好的优化解。缺点是 未考虑实际工作条件或考虑不够全面，即便得到名义上的最优解，实际效果也未必好。 因为简单提高车身的某些固有频率可能会把一些频率移动到实际工作中需要避免和抑 制的范围中来，结果适得其反。而在模态分析的同时进行结构的动态响应分析则可以做 到有的放矢，对激励产生的危害性进行有针对性的预防和消除，从而达到事半功倍的效 果。 本课题是以某型轻型客车车身为对象，参照试验模态分析建立半承载式车身有限元 模型，研究此类车身结构的动态特性及其在发动机的激励作用下车身的动态响应，寻求 通过改进车身结构实现车身对发动机激振响应特性的改善，并为进一步进行发动机悬甓 的改进和车内噪声分析与控制提供实际的依据。 硕七学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 此外，轻型客车车身的有限元建模与分析方法的研究也是本次课题的重要研究内 容。过去进行此类研究，主要依赖进行大量的模型试验和实车试验的方法，需要在大型 的试验台架上反复的试验，条件苛刻，费用昂贵，因此一直是大型汽车厂商与研究单位 的专利。近年来随着以有限元分析为基础的c a d c a e 相结合的计算机仿真技术的发展， 国外已经逐步渐立了较为成熟的车身性能仿真与试验相结合的分析流程，大大减少了汽 车设计阶段的开发成本。但由于商业利益的驱使，其研究过程和技术细节一直处于保密 状态，因此，国内类似车身等复杂对象的c a d - c a e 仿真技术虽然已经初步成形，但尚未 成熟，仍然处于不断摸索之中。 本次研究所使用的分析方法不仅对所研究的车身模型的减振减噪设计有特别的指 导意义，也适用于其它类似产品的动态性能分析，并可在产品设计阶段进行车身动态性 能分析，为车身的设计提供依据与指导，从而大大降低产品的研发周期与成本。 1 2 国内外现状及发展趋势 七十年代以前，完全是以试验手段为主进行车身动力学分析，这期间发展了众多试 验方法与结构参数辨识技术，奠定了试验模态分析的基础。有限元方法开始于二十世纪 四十年代【l 】，最初的有限元动力学分析的应用受到计算机技术的限制，只能处理较少单 元的构件，而诸如汽车等大型机构的结构极其复杂，单元数不可避免的很大，因此发展 了有限元子结构法与模态综合技术。七十年代美国航天航空局开发了有限元分析软件 n a s t 凡n ，开有限元分析软件工程应用之先河。之后有限元分析开始被广泛应用于航 天、汽车、机电、建筑等各个工程领域，成为结构动力学研究的有力工具。七十年代中 后期，通用汽车公司的m m k a m a l 和j a w o l f 等人用有限元法对汽车车架、车身的结 构动力学特性做了系统的研究 1 】【9 】。但是受当时硬件条件限制，研究中使用单元数少， 单元类型也限于较简单的梁和板单元。八十年代，美国通用汽车公司在通用有限元程序 的基础上自主开发了后处理程序，将发动机和道路激励载荷集成到数据库中，进行汽车 对发动机和道路激励的响应分析和改进，大大简化了分析过程。九十年代后，国外先后 开发出a n s y s 、i - d e a s 、a d i n a 等通用有限元软件，有限元法在工程中得到了前所未有的 广泛应用，这也是我国有限元分析工程应用蓬勃兴起的时期。目前，国外已经开始进行 虚拟实验室，虚拟试车场等高层次复杂有限元模型的研究和应用。c a d c a e 结合技术 2 硕士学位论文 轻犁客车车身有限元建模与动态仿真 也是有限元结构动力分析应用发展的一大方向，特别是专业化的数据库的建立，使建模 过程变得更加快速便捷。 在国内，七十年代长春汽车研究所的谷安涛、常国振最早应用有限元法对汽车车架 进行了设计计算l 撙l 。随后，结合模态试验的有限元模态分析在结构分析领域迅速发展。 有限元方法的引入，使汽车结构动力模型可直观地由物理参数组成，汽车结构参数的优 化由对模态参数的修改转变为直接对物理参数进行修改，汽车的结构参数优化研究逐渐 成为一大热点，很多新的研究方法被应用到其中来。1 9 8 6 年陈塑寰等人较早应用了灵敏 度法进行了车身待优化结构参数的识别【1 1 】，将车身各部件的结构参数对模态频率的影响 以灵敏度值的形式表达，提高了结构修改的效率。此后的研究者又结合其他学科的发展 成果引入了模糊优化设计方法等新手段1 1 2 】。纵观国内外此类研究，在车身结构振动性能 的优化上是成功的，但如前所述，最优的子结构未必最适合系统的要求，子结构的优化 必须与系统环境相结合进行有针对性的设计改进。这也是本次研究的思路所在。 综观汽车振动特性的国内外研究情况可知，对汽车车身振动特性的研究己相当广 泛，传统的理论计算、试验模态分析、和有限元法得到了综合应用。近年来，综合考虑 实际工程背景与试验条件，进行整车的多参数输入的实工况模拟正在成为汽车结构动力 分析的新的主导性发展趋势。可以预言，随着计算机与试验技术的不断发展，在不久的 将来，以有限元为基础的数值分析与试验分析相结合，登将引导汽车结构动力学研究迈 上一个新台阶。 1 。3 本课题研究的主要内容 本文的主要研究内容如下： 1 研究轻型客车车身结构特点与三维建模方法并建立某种轻型客车白车身模型。 2 研究车身的有限元建模方法并结合本车的特点建立车身的有限元模型。 3 进行车身的模态试验，获得车身模态数据。 4 结合有限元与汽车振动理论，应用有限元分析软件对车身整体进行模态分析，并模 拟发动机转动引起的激励，求解车身上分布的各测点的振动响应，分析仿真结果， 找出车身对发动机激励响应振动的薄弱环节。 3 硕七学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 第二章轻型客车的车身实体模型的建立 2 1p r o e 软件的参数化设计及曲面建模方法简介【1 3 】1 1 4 】 本次课题建模的目标是建立某轻型客车的有限元模型。由于有限元软件本身的建模 能力较弱，因此车体模型部分选择在c a d 软件p r o e 中建立。p r o e 是一种参数化设 计c a d 软件，在三维面、体模型的建模上有着强大的功能，而且它与a n s y s 等许多 有限元软件有着专业的接口，因此成为机械、汽车工业设计广泛使用的图形工具。 与以往的二维图形工具相比，p r o e 最显著的特点就是引入了参数化设计方法。所 谓参数化设计就是零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改参数的数值 来更改零件的外形。p r o e 的参数化设计对于传统机械设计工作来说，有相当大的帮助 作用，因为p r o e 中的参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，并具有实质上的物理 意义。例如我们可以运用系统参数( s y s t e mp a r a m e t e r s ) ，或自行以设计流程需求所定义 的用户定义参数( u s e rd e f i n e dp a r a m e t e r s ) 加入构思中，来表达设计思想。配合单一数 据库，所有设计过程中所使用的尺寸( 参数) 都存在数据库中，修改c a d 模型及工程 图不再是一件难事，设计者只需更改3 d 零件( p a r t ) 的尺寸、则2 d 工程图( d r a w i n g ) 、 3 d 组合( a s s e m b l y ) 、模具( m o l d ) 等就会依照尺寸的修改作几何形状的变化，以达到设计 修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情形，并且减少许多人为改图的时间和精 力消耗。这项参数式设计的功能不但改变了设计的概念，并将设计的便捷性推进了一大 步。也正是因为有参数式的设计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各个尺寸 参数的关系式，使得模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸逐一修改的繁琐费时，并减 少错误发生。 本次车身建模大量应用了p 0 1 u e 中s l l r f a e e 4 曲面) 造型模块的功能。p r o e 中的瞳 面造型模块主要用于创建形状复杂的钣金类零件。曲面是没有厚度的几何特征，而不是 实体里的薄壁特征，薄壁特征有一个壁厚的值，本质上是实体。曲面造型的主要方法包 括拉伸、旋转、混合、边界、自由曲面等。 用曲面创建模型的主要过程如下： 4 硕士学位论文 轻犁客车车身有限元建模与动态仿真 1 创建数个单独的曲面。 2 对曲面进行裁剪、合并等操作生成曲面组。 要注意的是，本次模型中的绘制的曲面都认为是所表达实际钣金件的中性面，对于 水平搭接的板件认为它们的中性面在同一平面内。 2 2 实体模型的建立 2 2 1 对目标的总体分析与建模的指导思想 要建立准确的有限元模型，首先必须建立准确的实体模型。但是“准确”在工程上 与数学上的概念不同的是，工程上只要模型满足工程中的实际需要，即可认为它是准确 的。因此车身模型在整体上逼近原车实物的基础上着重于正确反映车身各部分的主要形 状和相互问的连接关系，忽略一些对分析工作影响不大的细节，如仪表板上的小的安装 孔，小的没有连接关系的翻边等等。 本次研究的目标样车属于一种薄板冲压件新型骨架式半承载式车身结构。该车身由 前围、侧围、地板( 含车架) 、项盖，后围等五大总成组成，各零部件之间主要靠点焊 方式连接。与一般的半承载式车身不同，该车有独立的车架。因此，具备非承载式车身 结构的某些优点。但是，该车又不同于一般的非承载式结构，车身地板与车架纵横梁连 接型成封闭结构。横梁又通过特殊设计的接头与侧围板刚性相连。通过独特的结构设计， 形成一定的传力路线，使车身直接参与承载。这样，车架的强度刚度可以相对降低。根 据结构的受力特点及设计要求，在车身不同的位置选择不同的截面形状和尺寸，利用薄 板冲压的开口件形成车身骨架，通过薄壁梁架与蒙皮的焊接形成闭口结构以保证足够的 刚度，使得车身自重较同类车降低许多。这是一款满足轻量化要求的设计，但轻量化可 能带来的负面影响是行驶时车身的振动、噪声增大。联系本次工作的目的与任务，不难 明白本次实体建模的要求有着自身的特殊性，不同于普通的以设计制造为目的c a d 绘 图。在实际工作中总结各方经验得到了以下几条建模的指导思想： 1 ) 不要求部件每个特征每一个尺寸的分毫不差。而是要求各部件主要形状、面积和 位置正确。满足了以上的三个要素，就能保证各部件的质量、惯性矩、刚度与实 际不会有大的偏差。 5 硕士学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 2 ) 不要求完全按实际情况表达出零部件的每个一个特征，对于与分析相关不大的特 征可以简化甚至不必表达。但对分析目标影响大的特征必须准确表达。 3 1 不要求表达出每一个零部件，而以反映整体的正确连接关系与质量、刚度分布为 目标。简化、重构某些零部件。 4 ) 车体的拆分要照顾下一步有限元网格的划分。这工作如果不在实体建模阶段做 好，建立有限元模型时会遇到很大的困难。 这是在前人研究的基础之上，结合对本次实际工作的思考总结出的关于以建立有 限元分析用物理模型为目标建模的经验，相信对类似工作也具有一定的参考作用。 下面详细叙述一下建模过程中遇到的具体问题与解决方法。 2 2 2 车架的建模 车架是承载整个车身的基础，其刚度比车身的其它部分大很多，对整车的振型和固 有频率的影响很大。在以往的文献中关于对车架的单独分析非常多，也从一个侧面说明 了它的重要性。该车的车架以两根纵梁，十四根横梁，七根边梁与一些连接横梁与边梁 的短梁为主要组成。客车车身底横粱安装在车架纵梁之间。纵梁与横梁均为“u ”型开 口梁，短梁有“u ”型与“l ”型两类。各“u ”型梁均为向上开口( 见图2 1 ) 。另外， 为了提高阿n 度，减少应力，在底横梁的外伸部安装了与车架纵梁腹板相连接的“牛腿”。 该区域的结构如图2 9 所示。 一般来说，纵梁和横梁的联接方式主要为焊接，其联接接头几何形状各异，应力分 布复杂。根据是否考虑接头的真实形状，车架的结构计算方法可分为两大类【1 5 】【1 6 】： 1 不考虑接头形状，有最小变形能法、e r z 法、传递矩阵法和空间梁有限元法等四 种。其中空间粱单元有限元法是较为普遍使用的方法。该方法在闭合管状杆件结构下有 较好的精度，但是直接用于开口薄壁构件，计算误差较大。以上算法均没有考虑接头的 几何形状对计算结果的影响。 2 考虑接头形状，有完全法和混合法两种。混合法交替使用了有限元法和矩阵力 法。先将形状复杂的接头区域用壳单元离散化，用有限元法求出接头自缸翘曲柔度系数。 车架作为一刚架杆系处理。运用矩阵力法可求得内力，再分配到接头子结构端面，即可 通过有限元法求出应力分布。混合法的局限性在于它只适用于能将纵、横梁简化为直杆 6 硕士学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 的车架。完全法用板壳单元来离散整个车架，或者大部分车架加纵梁和接头。它可用于纵 梁并不均匀平直的刚架。完全法用的单元和自由度数目庞大，计算的前后处理工作量大。 比较完全法和混合法，完全法在建模的工作量上较大，但建模灵活，能适应各种弯 曲、不规贝部件，且对于开口薄壁梁，能更真实地反映其质量与刚度的分布状况。考虑 到本次建模的目标是实现轻型客车车身的动力学分析，模型必须能准确的表达车架的质 量与刚度分布，决定使用完全法实现车架的建模。在车架建模上完全法的优势在于： 1 1 模型接头处有着较为准确的连接关系，如果需要，可以表达钣金件几何上的任 何细节，为模型的准确性提供了可靠保证。 2 、实现整车完全使用面来建模。面构成的模型在下一步有限元分网时可完全使用 s h e l l ( 壳) 单元建模，使得车架与车身的相连无需为梁壳过渡而再额外增加自 由度。 3 1 便于以后修改各梁的接头处设计，进行车架的优化。 虽然是采用完全法建模，但在实际的建模中不可能包含模型的所有细节，而是根据 计算能力与实际目标的需要，对一些细节作了些简化。具体的措施如下： 1 ) 因为不是做应力分析，所以不考虑焊接处应力集中的闯题，各处小的圆角，翻 边，小孔( 直径5 厘米以下) 也忽略。 近似认为搭接处板件的中位面在一个平面内垂直或相交，没有考虑搭接处中位 面的偏移。由于板的厚度相对平面尺度很小，因此由这种错位造成的误差很小。 按所述规则方法建立的车架c a d 模型见图2 1 。 图2 1 车架c a d 模型 7 硕士学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 此外，值得注意的是由于单独各梁都是开口“u ”型梁，其弯扭刚度要比闭口梁差 很多，只有与地板连接后成为闭合结构，虽然这个模型对车架本身的几何描述是相当准 确的，但这样的车架模型是否能够表达车架在车身刚度系统中的实际作用还需要讨论， 这将在后续的工作中来验证。 2 2 3 侧、】褒围的建模 在大客车模型中，由于车身骨架刚度较大，具有很大的独立性，蒙皮对应力与动态 响应的影响常常被忽略，而该车侧顶围是开口“u ”型薄壁梁与蒙皮相结合的结构，其 中必须注意的几点是： 1 )“u ”型梁本身扭转刚度很差，而通过与蒙皮的焊接形成轻而稳定的闭口结构后 ( 见图2 2 ) ，大大提高了扭转刚度。 2 ) 车身蒙皮厚度与薄壁梁几乎相同，在质量的分布上具有不可忽略的影响，也会 对低频模态有较高贡献率。 3 ) 前后门处的拱梁与车窗保护罩及顶部各梁构成粱架承重的主体部分，其余各未 形成封闭的梁仅起连接加固作用。 4 ) 顶部、侧围的板件与地板构成封闭结构( g a 图2 3 ) ，使结构的整体刚度得到很大 提高，具有一定的承载能力。 厂、 + 。薄鲽 t 一 图2 2 薄壁粱与蒙皮焊接结构示意图 8 硕士学位论文 轻型客车卞身有限元建模与动态仿襄 2 2 4 前后围的建模 、 斗 + i i vv 图2 3 客车车厢横截面结构示意图 前围是本次建模的难点与重点，其结构复杂，有很大数量的曲面，且过渡区形状复 杂，尤其是两侧立柱区，为变截面异形梁，它与仪表板的连接处为双层的板料焊接结构， 几何构造难以直接表达，必须进行简化，现将双层板料处理为加厚的壳，将变截面异形 粱处理为多截不同截面梁相接。仪表板由多个薄板冲压件焊接而成，过渡区均为曲面， 形状复杂，且安装孔很多，在进行整车建模时将考虑忽略大部分圆角、凸起、开孔，仅 保留安装发动机处的主要凸起与大孔。这对驾驶室局部的模态会有所影响，但对整体模 态计算精度的影响不会很大，而去除后在建模与后期分网、计算的工作量可以大大降低。 如需对驾驶室这一部分进行专门研究，可再单独细化这一部分的模型。 图2 4 车身前部模型 9 硕士学位论文 丝型查王主皇壹竖垂堕堡皇垫查堕塞 一一 车身的后围即后车门处，此处有变截面的闭口拱型粱支撑，局部刚度较大。为了与 试验模型相一致，前后车门并没有包括在此次的车身模型中。 2 3 车身的装配 图形2 5 车身装配过程中的线框图 各部分在分别成型后，按几何关系在p r o ，e 中进行装配。由于车身厢体部分是完 全左右对称的部分，因此实际的建模时只需建一半模型，另一半可选择在装配时生成 装配过程完成后得到实体的车身模型如图2 6 至图2 8 ： 图2 6 车身项视线框图 图2 7 车身左视线框图 硕七学位论文 轻掣客车车身有限元建模与动态仿真 a 车身与车架的连接 2 4 本章小结 图2 8 白车身整车身 图2 9 车身与车架的连接 b “牛腿”局部放大 本章研究了轻型客车车身的结构特点并结合应用p r o e 软件参数化造型中的曲面 造型功能，建立了以实现有限元动力学分析为目标的各部分的c a d 模型，并装配完成 完整的白车身模型，实现了虚拟环境中的三维建模，为车身的o a e 建模与分析奠定了 基础。在此过程中，提出了以c a e 为目标的c a d 建模的概念并付诸实践，做到有的放 矢，从而达到了事半功倍的效果。 硕士学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 3 1 有限元法筒述 第三章有限元模型的建立 3 。1 1 有限元方法在工程中的应用 在许多工程分析问题中，各种工程问题最后往往归结为在给定的边界条件下求解其 控制方程( 常微分方程或偏微分方程) 。但对于大多数的工程技术阐题，由于实际工程 结构或机械零件的几何形状经常是不规则的，受力情况一般也比较复杂，所以边界条件 有时很难表达为解析形式。在这种情况下，寻求一个解析解常常比较困难，而数值方法 却能够满足工程需要的结果。 在数值方法中，比较常用的有有限差分法、边界元法、离散单元法和有限单元法等 1 7 1 1 8 】【1 9 1 。其中有限差分法与有限单元法这两种方法都是用线性方程组代替原来的微分 方程，应用电子计算机解出近似解。有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，简称f d m ) ， 是将整个连续体划分为规则的差分网格( 一般取等步长) ，用差分代替微分，将微分方 程式离散为差分方程。有限差分法所推导的差分方程式是对基本微分方程式的逐点近 似，求解域划分成较多的节点时，可获得工程上所要求的计算精度。不过，有限差分法 难以适应不规则的几何形状和复杂的边界，此时有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 简 称f e m ) 就显示出极大的优越性。有限元法不像有限差分法那样把求解域划成网格点 有规则的排列，而是把求解域划分成许多有限个小的，互相在节点处连接的子区域或称 单元，这些单元的形状和大小是任意的，从而用这样一组离散的单元组合体来代替和逼 近求解域，实现对基本微分方程的分片近似。由于单元的形状和疏密程度可以任意安排， 因而可用较少的节点和单元对求解域提供一个较好的近似，并且能更好地逼近曲线边 界。 3 1 2 有限元法求解的基本原理 有限元法的求解的基本思路如下： ( 1 ) 物体离散化 1 2 硕士学位论文 轻犁客乍车身有限元建模与动态仿真 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后 单元与单元之间利用单元的节点相互连结起来：单元节点的设置、性质、数目应视问题 的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定( 一般情况，单元划分越细则描述变形情 况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大) 。所以有限元法中分析的结构已不是原 有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样用 有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获 得的结果就与实际情况相符合。 ( 2 ) 单元特性分析 1 ) 选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基 本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合 法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限单元法中位移法应用范围最广。当采用位 移法时，物体或结构物离散化之后，就可以把单元中的一些物理量如位移、应变和应力 等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数 予以描述。通常，有限元法中我们将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位 移模式或位移函数，如y = 4 ，识，其中口，是待定系数，饵是与坐标有关的某种函数。 2 ) 分析单元的材料性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力 和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步，此时需要应用弹性力学中的几何方 程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本 步骤之一。 3 ) 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际 的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边 界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来 代替作用在单元上的力。 ( 3 ) 单元组集 硕七学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起来，形成整 体的有限元方程 k = c 厂( 卜1 ) 式中，k 】是整体结构的刚度矩阵； g 是节点的位移矩阵；扩 是载荷列阵。 ( 4 ) 求解未知节点位移 解有限元方程式( 3 一1 ) 得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的 计算方法。 有限元法可以作结构、流体、场等类分析本文中所应用的是有限元动态分析方法， 具体的相关的理论将在以后的章节中介绍。 总之，有限元法的基本思想就是“先分再合”，把连续的整体划分为有限的单元， 再将这些单元组合成原来的整体来综合；将连续体的微分方程变换为单元列阵，进而组 成各节点位移与整体载荷关系的矩阵，用矩阵的数值解代替微分方程的精确解。 3 1 3 常用有限元软件及c a d - - a e 接口【1 8 l 【1 9 1 1 2 0 目前在汽车行业应用比较广泛的通用有限元程序主要有n a s t r a n 、a n s y s 、 h y p e r w o r k ，a d i n a 、m a r c 等。通用有限元程序( 如n a s t r a n 、a n s y s 等) 一 般都能提供与c a d 软件( 如p r o e 、u g 等) 的接口，将c a d 模型自动转换为适于有 限元分析的模型。 本文在有限元分析的过程中采用了通用有限元程序a n s y s 。a n s y s 程序是一个功 能强大灵活的设计分析及优化软件包，该程序提供了强大的功能模块，包括：结构高度 非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、 大应变有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言( a p d l ) 的扩展宏命令功能。 a n s y s 按功能作用可分为若干个处理器：包括一个前处理器、一个求解器、两个后处 理器、几个辅助处理器如设计优化器等。a n s y s 前处理器用于生成有限元模型，指定 随后求解中所需的选择项；a n s y s 求解器用于施加载荷及边晃条件。然后完成求解运 算；后处理器用于获取并检查求解结果，以对模型作出评价，进而进行其它的计算。 a n s y $ 设计数据访闯模块徊d 能够使用户将用c a d 建立的模型输入到a n s y s 1 4 硕士学位论文 轻犁客车车身有限元建摸与动态仿真 程序中，避免了重复工作。a n s y s 的d d a 接口支持许多领先的c a d 软件，具体包括 p t c 公司的p r o e n g i n e e r 、c a d d s 、e d s 公司的u n i g r a p h i e s 以及a u t o c a d 、s o l i dw o r k 。 利用d d a 交互程序，用户可直接将其它的c a d 模型读入a n s y s 进行分析，并能保持 c a d 信息与a n s y s 数据间的联系性。另外，利用“i g e s ”文件作为几何模型转换的 中间媒介，也是有限元分析软件与c a d 软件通用的数据转换方法。 本文使用了以“i g e s ”文件作为中间转换工具的方法，即将p r o e 中得到的模型 “a s m ”和“p a r t ”文件转换为“i g s ”( i g e s ) 文件，再由。i g s ”文件导入到a n s y s 中进行拓扑修正得到划分网格前的有限元模型。 3 2 建立有限元模型的要求 建立准确可靠的结构有限元法计算模型，是研究中最为关键的工作，直接关系到计 算结果的正确与否。然而实际的工程问题往往是非常复杂的，边界条件往往很多，环境 因素也很复杂，因此就要求在建立计算模型的过程中，作种种必要的简化。没有这种简 化，这类结构的有限元计算往往变得异常困难，有时甚至是不可能的。然而这种简化的 结果，使得计算模型只能近似地反映工程实际问题，或者说计算模型在不同程度上都具 有一定的近似性。一般来说，这种计算模型模拟工程实际问题所带来的误差要比有限单 元法本身的计算误差大得多f 2 l l 。从这个意义上来说，结构有限单元法分析结果的准确性 取决于计算模型的准确性。 计算模型应该满足以下两个基本要求：首先也是最重要的是计算模型必须具有足够 的准确性。即计算模型要能基本上准确反映结构的实际情况。包括形状与构成、边界条 件以及载荷与实际情况相一致。其次是计算模型要具有良好的经济性。从有限元计算的 经验看来哪怕只是少量细节的增加，往往意味着模型单元数量的大幅上升。复杂的计算 模型一般具有较高的准确性，但相应地会增加前处理、数据准备工作和计算时间，从而 使计算成本大大增加。细节的取舍应当根据分析的需要来决定，不当的增加细节只会让 研究者在复杂的分析结果面前无所适从。 1 5 硕士学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 3 3 车身有限元分析单元的选取 3 3 1 平面薄板小挠度弯曲问题 轻型客车车身的大部分零件是薄板冲压件，板材的厚度t 远小于其平面尺寸，但仍 然具有相当的弯曲刚度。薄板的变形与载荷的作用方式有关，当载荷平行于中面( 平分 薄板厚度的平面) ，且沿厚度不变，可认为是平面应力问题；若载荷垂直于中面，则将 引起薄板的弯曲变形。 由弹性力学可知，以薄板的中面为x y 平面，垂直于中面的轴为z 轴。在平面应力问 题中只有平行于x y 平面的三个应力分量为吒，盯，tf ，= 。这三个分量沿厚度t 不 变，它们只是x 和y 的函数，与坐标z 无关。其余分量为零。平面应力的虎克定律表示 为【2 2 i ： q 2 i ( 吒 句= i 1 ( 町 1 b 2 石7 ” 其它变量含义如下： ，、6 y x 、y 方向的应变； e 材料的弹性模量： 材料的泊松比： ，。材料的剪应变； 勺材料的剪应力； g 材料的剪切模量。 薄板弯曲变形后，中面由所弯成的曲面，称为薄板的弹性曲面而中面内各点在垂 直于中面的方向的位移w ，称为挠度。当w 远小于厚度t 时，可以认为中面无线应变也 无角应变，此时称为薄板弯曲的小挠度问题。若挠度w 接近厚度t 的量级，就不能再认 为弹性曲面内纤维的长度不变，闯题将变为非线性的，这种情况称为薄板弯曲的大挠度 1 6 吨 、，t，j 眄 肛 硕七学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 问题，则须建立所谓大挠度理论。 薄板弯曲小挠度问题的应力与变形问的关系可表示为式( 3 3 ) 1 2 2 j ： 以一寺罄+ 一 l q 一南等+ 窘， & 。：。i 一百万丽j 其中w 薄板弯曲的挠度； ：所求点对中性面的偏距。 3 3 2 车身模型有限元单元类型【2 3 1 【2 4 】 车身有限元单元的选取取决于研究对象的类型和研究目的。大客车车身有限元分析 中普遍使用空间粱单元，这与大客车骨架为型材钢管焊接结构是分不开的。因为大客车 的空间尺寸大，因此骨架所用材料为壁厚较大的管材，其线尺度远大于管径，且其它方 向的弯扭刚度远远大于沿纵向的弯扭刚度，所阻将其视为空间梁结构体系可以很好地反 应车身骨架的构成特点。但轻型客车的车身为了实现轻量化的目标，普遍采用薄壁开口 梁和强化蒙皮的结构，其支撑整个车顶与车壁的梁横纵向尺寸不到l ：2 0 ，且构成骨架 的粱的钢皮厚度仅在l 1 2 m m ，与蒙皮厚度相当，本身刚度不高，其承载能力取决于 板件的成型形式与连接方式。建立车身零件有限元模型时，考虑到这些薄板冲压件既能 抵抗平行于其平面方向的拉压力，又能抵抗弯曲和扭转的载荷，应选用符合这两种特性 的单元类型。薄膜单元只能承受拉力，不能承受弯曲和扭转载荷，用这种单元建立起来 的模型，将会使整个模型处于无矩状态，显然是不合适的；三维的梁单元既能承受拉压， 又能承受扭转和弯曲，可以用来表示细长的板材件。单元的数目也很少，符合计算经济 性的要求，但是在大多数情况下很难采用合适的梁单元参数，以符合薄板冲压件在应 力与变形上的各种关：板壳单元具有定的厚度，能抵抗拉压和弯扭变形，又能对零件 的形状很好地分割，能够充分描述这些零件的各种特征，因此。板壳单元是使用在大部 分车身零件有限元模型上的合适单元类型。对应于f e a 软件a n s y s 中，我们主要采用 1 7 硕士学位论文 轻型客车车身有限元建模与动态仿真 的单元类型是一种板壳单元s h e l l 6 3 ( 见图3 1 ) 。下面将s h e l l 6 3 单元简单介绍如下。 s h e l l 6 3 单元既能承受平面内的力，也能承受垂直中性面的载荷。单元的每个节 点有六个自由度，可沿x 、y 、z 轴方向平动以及绕x 、y 、z 轴转动。s h e l l 6 3 单元通 过四个节点定义，当两个连续的节点重合时，四节点的单元退化为三角形单元，单元的 形状、节点的位置及坐标系统如图3 1 所示。单元可以是变厚度的，通过四个节点分别 定义；当然单元也可以是等厚度的，这时只需定义在一个节点位置的厚度就可以了。单 元的弹性和刚度通过材料的特性来定义，材料可以为各向同性，也可以定义为沿各个坐 标轴各向异性。单元在坐标系中的位置默认为单元的中面与坐标面珂平面重合，但单 元可以绕坐标轴旋转，也可以通过调整坐标系使单元放置在坐标系中的任意位置。还可 以在各节点定义不同的温度值，f e a 程序将根据温度梯度计算出由温度差而产生的应 力。使用s h e l l 6 3 单元，通过计算能够输出的结果如图3 1 所示，其中主要包括；节 点位移u x 、u y 、u z ；单元绕x 轴、y 轴的弯矩m x ，m y , 单元扭矩m x y ；单元在平行 于各坐标轴方向的应力s x 、s y 及综合应力。 图3 1s h e l l 6 3 单元及其应力输出 使用平的板壳单元可以对曲面进行有限元网格划分和分析计算，当曲面上