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某s r v 白车身动态性能研究及工程治理 摘要 本文以某s r v 车为研究对象，针对某汽车公司提出改进该s r v 整车n v h 性能的要求、解决其整车振动过大的问题，利用c a e 技术以及现代测试技术， 对某s r v 白车身进行了系统研究。主要研究内容以及成果如下： 1 、介绍了c a e 技术的概念、特点、流程以及发展现状。 2 、探讨了白车身有限元模型网格质量控制、流程建立及其中的一些关键问 题，解决了复杂模型有限元模块化建模、白车身焊点单元的模拟问题。 3 、开展了白车身振动模态的实验研究，得到白车身结构的动画振型；将测 试结果与c a e 分析结果进行了综合分析与评价，为有限元模型修正提供可靠的 依据。 4 、通过模态试验与c a e 分析结果的对比，验证了两种技术手段对整车n v h 性能研究的正确性。提出实际可行的整改方案，对白车身的动态性能进行整改 治理，最终使某s r v 车n v h 性能大大提高。 5 、对以后的工作进行了分析与展望。 关键词：模态分析测试c a en v h 性能 d y n a m i cp e r f o r m a n c er e s e a r c ha n de n g i n e e r i n g c o n t r o l so nt h eb i wo fs a b s t r a c t a i m i n ga tt h eg o a l so fs o l v i n gt h ed y n a m i c sp r o b l e ma n di m p r o v i n gt h en v h p e r f o r m a n c e ，t h ep a p e ru s e sc a et e c h n o l o g ya n dm o d e r nt e s tm e t h o dt oa n a l y z e b i wo ft h es r v t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，p r o c e s so fc a et e c h n i q u e a n dd e v e l o p m e n tp r e s e n tc o n d i t i o n ，i n t r o d u c t i o no ft h ed y n a m i c sa n a l y s i s 2 d e s c r i p t i o no ft h es t e po fe s t a b l i s h i n gt h ew h o l ec a rd y n a m i ca n a l y s i s m o d e li nd e t a i l ，a n dd i s c u s s i o no fm e s hq u a l i t yc o n t r o l s ，t h ep r o c e d u r e ，a p p r o a c h e s a n ds o m ek e yp r o b l e m si nb u i l d i n gas y s t e m l e v e lf e mm o d e lo ft h eb i wa n d w e l d p o i n t ss i m u l a t i o n 3 i m p l e m e n t a t i o no f t h et e s to ft h eb i 彤a n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo ft h eb i w b a s e do nt h ea c t u a le n c o u r a g e ds i g n a l s ，c a r r y i n go nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n d e v a l u a t i o nu s i n gt h er e s u l to fc a ea n dm o d a lt e s t ，v e r i f yt h er e l ia b i l i t yo fm o d a l a n a l y s i sb yc a e 4 b a s e do na n a l y s i sr e s u l t ，p u t t i n gf o r w a r dt h ei m p r o v em e t h o d ，c a r r y i n go u t t h ei m p r o v e m e n to ft h ed y n a m i cp r o p e r t yo ft h eb i 彤p r o m o t i n gt h en v h p e r f o r m a n c eal o t 5 o u t l o o ko fl a t e rw o r ka n da n a l y s i s k e yw o r d s ：m o d a la n a l y s i s t e s tc a en v h p e r f o r m a n c e 插图清单 图2 1 动力学c a e 分析流程6 图2 2 传统轿车车身设计方法流程图7 图2 3 现代轿车车身设计方法流程图8 图3 1 c a e 建模流程1 1 图3 2 某s r v 车身的有限元模型1 4 图3 3 某s r v 车身有限元模型爆炸图1 5 图3 4 白车身模块化建模流程15 图3 5 翘曲度的定义1 7 图3 - 6a c m 2 焊点模型2 0 图3 7 各小总成焊点2 1 图3 8 白车身焊点图2 1 图3 - 9 白车身前十阶振型位移云图2 8 图4 1 理论模态分析与试验模态分析的模态参数获取示意图3 0 图4 2 第，阶模态频率响应函数的实频图3 4 图4 3 第，阶模态频率响应函数的复频图3 5 图4 4 坐标系定义图3 7 图4 5 系统框架图3 8 图4 6 前十阶振型线框图一4 4 图5 。1 前1 0 阶c a e 分析与测试结果对比图4 8 图5 2 整车一阶弯曲振型对比图4 8 图5 3 顶棚中部z 向一阶振动对比图4 8 图5 4 顶棚二阶弯曲振型对比图4 8 图5 5 项板弯曲振型、顶棚弯曲振型对比图4 9 图5 - 6 白车身项部整改示意图4 9 图5 7 白车身底板整改示意图5 0 图5 8 白车身后备箱整改示意图5 0 表格清单 表3 1 特征值提取方法比较2 2 表3 2 白车身动态性能表2 3 表4 1 所需设备3 7 表4 2 振型及描述3 9 表5 1 某s r v 车分析结果与试验结果对比4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金妲王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲三皮樟 一，吐一o i 签字日期。棚萨6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金8 墨王些太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做作者签名：立直稀 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 蛑，螺 签字日期：厶- 序，月7 日 电话： 邮编： 致谢 本文是在我的导师陈心昭教授的悉心指导下完成的，陈心昭教授治学严谨， 学术造诣很深。以他对学术的前沿把握，丰富的理论以及实践经验对我论文研 究中出现的问题给予及时的指导。在论文工作期间陈剑教授对我所作的研究工 作给予了多方面的指导与关怀。论文的研究成果无不与两位老师的指导密切相 关，在此对他们的指导与关怀致以崇高的敬意与衷心的谢意。 在本课题开展期间，得到了实验室许多热心老师和同学的关心以及帮助， 其中陈永新博士后、邓晓龙博士后在有限元建模的过程中给予了帮助和指导， 在此对陈永新博士后和邓晓龙博士后表示深深的感谢! 在课题研究期间，测试分析工作得到了实验室师兄吴赵生的指导与帮助， 在有限元建模以及分析工作过程中得到了师弟张丰利以及雷明准的帮助，并且 参与课题做了大量的研究工作，在论文成文的过程中得到了程昊博士的帮助， 在整个研究生的学习过程中经常与张寰，马开柱，董斌，倪飞，宋萍，鲍旭清， 韩晓峰，饶建渊，刘欣等同学相互探讨，相互学习，共同进步，他们在我学习、 研究过程中是我的良师益友，对他们的热心帮助，在此一并表示感谢! 最后感谢我的父母和姐姐以及可爱的小外甥，感谢他们对我多年的关怀和 支持，正是他们无私的关爱与鼓励，才有我今天的成绩，也正是他们的关怀， 我才能在我的研究上战胜一个个难题，从一介胜利走向另一个胜利! 作者：王建楠 2 0 0 8 5 第一章绪论 随着人们环境意识的不断提高，车辆噪声j 振动问题更加引起全社会的高 度重视。长期以来，汽车制造企业投入了巨大努力争取全面降低车辆振动、噪 声水平，以期更有力的参与市场竞争。对于早期的车型，多数情况下发动机的 噪声在车辆整体噪声中占据主导地位，相应地噪声、振动控制的方向也较为明 确和单一。当今随着国家各项政令法规的出台，对汽车的车内、车外的噪声 的控制就不再那么单一，而是要综合多重因素进行综合考虑，从而达到降低整 车噪声振动水平、提高整车舒适性的目的。其中，车外噪声控制须以日益严格 的相关环保法规及标准为依据，而车内振动、噪声控制则致力于满足用户对车 内声学舒适性的日渐苛刻的要求。随着世界各大汽车厂商竞争日趋激烈，提升 汽车噪声、振动、舒适性的必要性已经充分显现，其重要性也不言而喻。 1 1 白车身n v h 性能研究以及治理的意义 汽车由底盘，发动机及车身三大总成构成。在这三大总成中，车身作为受 力结构之一，必须有足够的强度和刚度以保证其疲劳寿命；还需要通过合理的 设计让其具有优良的动态性能以控制振动噪声；还应有足够的抗冲击强度保证 碰撞时成员的安全，因此模态是车身结构设计中一个重要的指标，车身结构的 模态频率能够用来预测车身与其它系统，如悬挂系统、路面、发动机及传动系 之间的动态干扰的可能性，通过合理的结构设计，避开共振频率范围。由此对 n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o n ，h a r s h n e s s ) 的研究也作为一个新的领域应运而生。白 车身作为整车的关键总成之一，承担着各种附件连接的重要作用，它的构造直 接决定其动态性能以及力学性能，影响着整车的n v h 性能，威胁到车辆的使 用寿命、可靠性和安全性【2 j 。 车身也是驾驶员的工作场所，也是容纳乘客和货物的空间。车身应对驾驶 员提供便利的工作环境，对乘员提供舒适的乘坐条件，保护司乘人员免受汽车 行驶时振动、噪声的侵袭。从结构上讲，它决定了整车的造型，要求曲线流畅、 色彩和谐。同时它也决定了整车的总布置及各种附件的安装和固定。更重要的 是，它的力学特性能直接决定着整车的力学特性。尤其是承载式车身，没有独 立的车架，发动机和底盘就安装在车身上，车身承受着全部载荷【3 】。因此开展 白车身的研究，对提升汽车n v h 性能意义重大，对汽车企业是否能更有力的 参与市场竞争无疑也是举足轻重的。 1 2 白车身n v t t 研究的发展 据9 0 年代后期对欧洲市场的调查，汽车性能、质量等方面均已经达到了较 高的水平，因此用户对乘坐舒适性也即n v h 性能的要求明显提高，仅次于汽 车的款式【4 1 。在国内，以运输载货为主要目的的用户对汽车的要求已不再局限 于质量、动力性能、载货能力上，他们对整车的舒适性问题愈加关注和重视， 对整车的振动、噪声性能提出了更高的要求。由于市场的激烈竞争使得汽车的 质量、价格等因素受到了严格的约束，这就使得以改善汽车乘坐舒适性为目的 汽车n v h 性能研究变得更加重要。 汽车n v h 性能研究多利用c a e 技术，开展汽车多体动力学建模与分析。 目前常用的理论方法，如用于研究底盘悬架系统，转向系统低频范围建模与分 析的多体( m b ) 系统动力学方法；以车身内部空腔的声固耦合为主要研究对象 的边界元( b e m ) 方法等【5 】。问题的求解方式主要有两种方法：一种是解析法， 即仿真计算方法；另一种是工程测试方法。前者主要是用建立理论模型和运动 微分方程组，通过理论求解得到系统动力学参数，从而达到分析振动问题的目 的【6 】。后者是采用实验激励的方法使系统产生一定的振动响应，利用测试仪器 直接得到系统的系统动力学参数，从而达到分析振动问题的目的。在实际工程 中两种方法各有利弊。 在早期，工程设计人员主要是通过试验法来分析白车身结构动态性能。其 前提是要具有试验样车，经过反复的测试得到设计产品的动态性能参数，试验 周期长、成本高；其次，若开发新款车型，只能根据经验来设计，设计的合理 性不好检验和把握，致使产品研发周期拖长。c a e 虚拟设计在开始阶段即可把 握白车身结构的静动态性能，以快捷和低成本方式找到合理的改进方案，因此 很具吸引力。但是，面对车身复杂的结构建模和庞大的系统方程求解，解析法 的应用遇到了困难。直到高速计算技术的出现和数值计算理论的发展，解析法 在白车身结构设计中的应用成为可能，这种方法在车身结构设计中的优势才逐 渐体现出来。 有限元法作为一种非常重要的数值计算方法，是近四十年来随着计算机技 术发展而出现的。它主要是运用离散的概念把弹性连续结构划分为若干有限单 元组成的集合体【7 】，从而建立白车身结构的模型，得到一组代数方程组，再利 用计算机的运算能力实现求解【8 】。有限元法最早源于航空工程中飞机结构的矩 阵分析，到1 9 6 5 年，津基藏( o c z i e n k i e w i c z ) 等人将该法加以推广，宣布有限 单元法适用于所有按变分形式进行计算的场问题，使有限元法得到了广泛地推 广和应用9 1 。 振动研究通常是将以上的两种方法结合，通过模拟计算为试验提供参考和 方向，模拟计算可以在计算机上方便快捷的进行多方案、多工况分析比较，因 此计算效率高、成本低。同时试验可以有效地验证模拟计算的正确性和准确性， 2 检验计算机模拟的可靠性，通过大量试验的数据积累，为建立准确的模型提供 了可能。随着测试技术的发展，现在可以同时在时域、频域内对测试结果进行 研究。 国外从6 0 年代开始就利用有限元法对车身的静、动态性能进行了计算和数 值分析，现在已经具备了较全面的整车n v h 性能分析技术和丰富的分析经验。 各大汽车公司如f o r d ，戴姆勒一克莱斯勒，宝马，菲亚特等均在早期成立了 n v h 研究机构。而国内则起步较晚，最早在7 0 年代初期，由浙江交通科学研 究所、长春汽车研究所、吉林工业大学等单位把有限元法用于车身静态特性分 析。直到8 0 年代末期，吴元杰探讨了采用大型结构分析程序q j f 进行车身动 态分析的途径，为轿车车身动态分析开辟了道路【l 。到了9 0 年代，国内科研 单位引进了国外专业的有限元分析软件，基于有限元法的客车结构动态性能分 析工作才陆续展开。孙凌玉等人对客车车身结构动力学建模方法进行了研究， 提出了动力学建模的简化原则，朱壮瑞等人开展了基于模态试验的白车身动力 学模型修正方面的研究，得到了与实际结构力学特性相吻合的数学模型，他们 的工作为进一步进行动力学分析奠定了基础。 近些年来，许多企业、学校和 科研单位的工程科研人员都对基于有限元法的车身结构动态性能分析计算进行 了探讨，总的归纳起来具有以下两个显著特点【1 l j ： ( 1 ) 零件级的白车身和车架结构模态分析研究较深入，有限元计算结果已 能和试验结果很好地吻合，但零件级结构的模态结果，不易评价，缺乏统一的 评价标准，限制了分析计算结果对车身结构设计的指导作用。 ( 2 ) 整车结构相对于路面激励的动态响应分析研究较深入，而整车结构相 对于发动机激励的响应特性研究较少。 针对当前的国内研究现状，在本文将探讨整车白车身模型建立方法和步骤， 对整车白车身进行系统级的模态分析，并综合利用c a e 以及现代测试技术对白 车身的进行研究，对结果进行综合评价。 1 3 课题的来源以及研究内容 论文工作来源于某公司项目s r v 整车n v h 正向设计流程与工程实施。 其背景是：某公司s r v 新车研制成功以后，经试驾发现车内振动噪声较大，且 车内振动对乘坐舒适性造成严重的影响，在怠速时有较为强烈的共振现象。本 课题针对某s r v 白车身，首先利用c a e 方法对该车进行有限元建模，对白车 身的动态性能进行有限元分析，得到其各阶频率以及振型，然后利用现代测试 技术对整车进行n v h 测试，最终通过对两种方法的综合分析评估，查出整车 n v h 性能欠佳的原因，并对其进行工程治理。两种方法的综合运用，对整车 n v h 性能的提升提供可靠的理论基础以及试验依据。 在结合以往的研究成果、国内外发展的现状和生产实际的需要的基础上， 确定本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 首先介绍c a e 技术的概念、特点和流程，然后介绍动态性能分析对 车身设计的重要意义。 ( 2 ) 详细叙述建立整车动态性能分析模型的步骤，借此探讨整车白车身有 限元模型的建立流程、方法及其中的一些关键问题。 ( 3 ) 建立某s r v 白车身的有限元模型。根据该有限元模型，对白车身进 行模态分析，并对分析的结果进行评估。 ( 4 ) 掌握模态试验方法，对某s r v 白车身进行n v h 测试，得到试验结果。 通过模态试验验证建立的有限元模型的正确性。 ( 5 ) 将试验结果与理论的c a e 分析进行对比验证，得出对比结论。依次 为依据提出改进意见和措施，提出提高n v h 性能的工程实施方法。 1 4 本章小节 本章介绍了n v h 的基本内涵以及n v h 的发展现状及现实意义，讨论了 n v h 的工程重要性。介绍了课题的来源以及意义，为以后的研究奠定基础和依 据。 4 第二章c a e 技术以及模态分析理论 为了缩短设计周期，减少成本，提高产品质量，计算机辅助工程 c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术在汽车n v h 性能设计与分析中的应用日 益广泛。 2 1c a e 技术 2 1 1c a e 技术简介 总体上来说c a e 技术包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和 制造等内容。在c a e 技术中，有限元方法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是其 中运用最广泛的一种数值方法。它的核心思想是结构的离散化，就是将实际结 构假想地离散为有限数目的规则单元的组合体。它将求解域看成由许多称为有 限元的小的互相连接的子域( 单元) 组成，对每一个单元假设一个合适的( 较 简单) 近似解，然后推导求解这个域的总的满足条件的解，从而得到问题的解。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元分析方法的基本步骤是相同的， 只是具体公式推导和求解方式不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：问题 及求解域的确定，求解域的离散化，确定状态变量及控制方法，单元推导，总 装求解，联立方程组求解和结果解释。目前有限元分析的软件有多种，如 h y p e r w o r k s ，n a s t r a n ，p a t r a n ，a n s y s 等。 用c a e 技术解决工程实际问题具有以下两个突出的特点【1 2 】： ( 1 ) c a e 前处理工作量大、求解规模和难度较高。一项分析不会因为有 了三维实体模型和载荷就可以马上得出结果。实际上，有了三维实体模型以后， 需要做大量的模型转换和修改工作才可能得到正确的分析模型，这项工作通常 占到工作量的7 0 以上，情况复杂时可能需要更长的时间。 ( 2 ) 一般的c a e 分析都基于结构材料无缺陷、不存在工艺问题这样一种 假设。个结构如果在使用中偶然出现问题，那可能是结构本身的原因，也可 能是材料或工艺方面的原因，但如果问题重复出现，则一定是结构原因。必须 进行c a e 分析。如果材料和工艺方面存在问题，一般的c a e 分析结论是不适 用的，除非进行有关材料和工艺的专项c a e 分析。 2 1 2c a e 技术的流程 对一个实际工程问题进行的c a e 分析可分为三个阶段：前处理阶段，计算 阶段和后处理阶段。前处理阶段包括建立模型和添加边界条件两个步骤。在建 立模型过程中，根据不同工程问题，首先需要抽象出物理模型，如静力学问题 需建立静力学模型，动力学问题需建立动力学模型，声学问题需建立声学模型 5 等，然后在物理模型的基础上根据分析对象的结构特征建立几何模型( 对于简 单的结构此步可略去) ，再根据具体的c a e 分析方法( 如采用有限元法) ，进一 步建立分析对象的c a e 分析模型( 有限元模型) 。几何模型和c a e 分析模型是 在c a d 或者c a e 前处理软件中实现的，整个c a e 建模阶段一般占全部c a e 分析时间的7 0 以上。对分析模型添加边界条件是指对物理模型添加约束和载 荷，以及模拟分析对象所处的工况，一般认为它是决定c a e 分析成败的关键。 计算阶段的工作将由计算机来完成，但在执行计算前，需指定分析类型、选择 适当的计算方法、设置分析工况和分析范围、设定计算过程中生成的结果等。 后处理是根据分析解决问题的需要从计算结果中进行提取相应数据，绘制云图、 曲线，或作进一步运算、对比分析等。 本课题运用c a e 技术实现动力学c a e 分析的流程如图2 1 【l 引。 图2 - 1 动力学c a e 分析流程 2 2c a e 技术对车身设计的重要意义 轿车车身结构及其承受的载荷工况的复杂性，致使应用一些传统的方法难 于对其进行结构分析。传统的轿车车身结构设计主要以经验和强度刚度设计为 主，以试验为分析评价手段。通常是在完成轿车车身设计后，先制造车身结构 的样件并组装成样车，然后进行试验。整个设计过程包括“结构设计_ 试制 样车一式验一结构修改再设计”这样一个乃至多个循环( 如图2 2 ) 。 由于试验是发生在设计周期的后期，根据试验结果对设计进行修改，往往就要 付出相当大的代价，而且因为时间和费用的限制，不可能对所有可能的设计方 案进行尝试。因此，传统轿车车身结构设计仅仅能够部分满足车身结构设计应 该达到的要求。 图2 - 2 传统轿车车身设计方法流程图 自上个世纪六十年代初，以有限元法为代表的数值计算技术应用于轿车车 身结构分析以来，车身结构的设计方法有了根本性的改变。车身结构分析的计 算方法在轿车车身设计中起到了越来越重要的作用。这种方法不依赖于实物， 因此，可以从设计初期就开始对设计进行分析、评价和优化【l4 1 。由于软、硬件 条件的限制和分析经验的不足，计算精度还很有限，设计工程师们对计算结果 的可信度持怀疑态度。轿车车身结构设计与分析仍处于以试验为主、分析计算 为辅的阶段。但是，正是这个时期开始的各项计算和试验数据的不断积累，使 得国外各大汽车公司建立了自己的结构设计数据库和分析规范，为后来将车身 结构分析的计算方法运用于轿车车身结构设计的全过程奠定了成功的基础。进 入上个世纪八十年代，特别是八十年代中期以后，随着市场竞争的激烈，对轿 车车身设计轻量化及舒适性、安全性的要求日益提高，迫切要求生产厂家缩短 开发周期，节省产品开发费用。c a e 分析技术被用来对整车性能进行分析、对 试验进行模拟。车身结构设计的过程也成为一种与分析并行的过程( 如图2 3 ) 。 7 而这种并行过程正是以c a e 分析技术与现代测试技术为基础的。 由 i定型j i 邑- 。一 图2 - 3 现代轿车车身设计方法流程图 该课题是以c a e 分析技术与现代测试技术为基础的。基于这两种技术，再 加上车身设计人员的经验、知识和创新思维，寻求结构设计的科学性、技术性、 先进性、合理性等，在此基础上对其再进行改进、挖潜和再创造。这种设计方 法对车身结构设计水平的提高有着重要的作用，并且大大的缩短了设计周期， 降低了设计成本，提高了产品的市场竞争力。 2 3 理论基础 结构动态性能分析主要包括结构模态分析、谐响应分析、瞬态分析和谱分 析【1 5 】。在本课题中以模态分析为主要内容，下面就模态分析方法作简单介绍。 结构模态分析用于确定车身结构的振动特性即固有频率和振型。它也是一 些更详细动力学分析的起点【l 引。 整车结构实际的构件是一个自由度为无限多的系统。在车身结构分析中， 通常将所研究的机械结构看成是质点、刚体、弹性体及阻尼器构成的系统，并 态性能指标，以及解决成型车上出现的动态性能缺陷问题具有重要的指导意义。 2 4 本章小结 本章简单的介绍了c a e 技术及其特点和分析流程，概述了c a e 技术在现 代汽车制造业的应用、发展，介绍了c a e 分析的理论基础，为以后的理论分析 及工程处理做了理论铺垫。 l o 第三章白车身有限元模态分析 建立车身结构的有限元模型，就是根据所研究问题的具体情况，选择合适 的有限元单元，对车身结构进行数学离散，给这个模型赋予合适的材料属性， 进行边界条件的模拟、模型的调试，最后提供一个满足精度要求的车身结构仿 真模型。有限元模型是进行有限元分析的基础，也是前处理部分的主要任务。 有限元模型的精度对问题的求解规模和准确性有很大的影响。建立车身结构的 有限元模型基本上有两类情况：一类是车身结构的简化模型，一类是车身结构 的详细模型；简化模型是在车身构造选择和车身结构概念设计阶段建立的有限 元模型，而详细模型是在车身结构设计细化和车身结构设计验证阶段建立的有 限元模型。这两类模型有着不同的特点，它们的差异主要表现在计算精度、计 算速度上。车身结构的详细模型可以为分析计算提供较高的精度，但是利用详 细模型进行计算对计算速度以及硬件的要求很高。 3 1 白车身有限元建模方法 就目前广泛使用的计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 简称c a d ) 和计 算机辅助工程分析( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r 简称c a e ) 软件来说，结构有限元 建模一般有以下两种方式： 1 、在c a d 软件中建立三维c a d 模型，通过c a d 与c a e 的接口，转化 为有限元模型。 2 、在c a e 软件中直接建立有限元模型。 从c a d 模型转化为有限元模型，不需要重复建模，模型在几何形状上也 更接近真实的结构。从理论上说，如果有限单元的网格足够细密，能够充分地 描述结构的各种特征，精确的模型可以使有限元计算结果更接近实际问题。但 对于复杂结构，由于c a d 三维模型具有过多的特征和细节结构，以及不同的 软件在算法和设计上的差异，在从c a d 到c a e 的转化过程中可能会丢失一些 信息i 而导致重新生成实体模型很困难。在转化为有限元模型以后，由于细节 过多，有时难以对其进行单元网格划分，或使单元数目过多而占用大量的存储 空间和运算时间。因此，需要对结构特征和细节作一些必要的简化和拓扑修正， 以利于有限元分析，在保证计算结果精度的前提下，尽量减少单元数目和计算 时间。此流程可表示为： 1名g - - ：。j落j ：弱 建立j ”文件j 读入 拓扑 单元 c a d ，：， 格式； c a e ：网格“ 模型7 转换，软件 修正 划分 # 女。，稿堂 黪。渤娩? ：；话 图3 - 1c a e 建模流程 由于车身的模型较为复杂，各种曲面及复杂结构较多，而现行的c a e 软件 在曲面造型及复杂结构的几何建模方面功能较弱，故本文在有限元模型的建立 过程中采用如前所述的第一种方式，即在c a d 软件中建模，通过c a d 与c a e 的通用接口转化为有限元所需的模型，然后通过拓扑修正对模型进行单元网格 划分。 此外，建立结构有限元模型除了要定义结构的几何尺寸、形状及位置，还 需要定义材料的各种参数如弹性模量、密度、泊松比、膨胀系数以及单元的各 种信息，如单元类型、单元的实常数等。这样才能够比较真实的模拟实际分析 对象的特征，得到较为准确、可信的分析结果。 3 2 白车身建模基础 3 2 1 平面问题及薄板弯曲 车身的大部分零件是薄板冲压件，板材的厚度h 远小于其平面尺寸。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。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【l 9 】： 吒，仃，= 彳啊 ( 3 1 ) 这三个分量沿厚度h 不变，它们只是x 和y 的函数， 为零。平面应力的虎克定律表示为： ，= i 1 ( 吒一q ) 勺= 丢( q 一吒) 与坐标z 无关。其余分量 ( 3 2 ) 1 如2 石勺 薄板弯曲变形后，中面由平面变成曲面，称为弹性曲面。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h 时，可以认为中面无线应交 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h 的量级， 就不能再认为弹性曲面内纤维的长度不变，问题将变为非线性的，这种情况称 为薄板弯曲的大挠度问题。工程中的大部分问题是将薄板的弯曲视为小挠度问 题，这样可使问题大大简化。薄板弯曲小挠度问题的应力与变形间的关系可表 示为： 1 2 吒一南c 筹+ 券)吒一青( 再+ 万) 巩= 一之( 尝+ 尝) ( 3 3 ) q 一青堆孬) 门” e ，a 2 w f = 一- 一 。习 1 + 以o x a y 3 2 2 白车身零件模型的有限元单元类型 针对本课题所研究的某s r v 车，由于白车身是由钣金件通过焊接、冲压、 铆接等一系列工序完成的，因此在建立车身零件有限元模型时，由于这些薄板 冲压件的受力情况，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，所以应选用符合这两种特性的单元类型。由薄板弯曲理论得知：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，这是不合适的；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系，用这种单元模型计算出的结果将会 产生比较大的误差；板壳单元具有一定的厚度，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。 综合上述因素，对于某s r v 的模型在f e a 软件建模的过程中，主要采用 的单元类型是板壳单元。这种单元的弹性和刚度通过材料的特性来定义，材料 可以是同向性的，也可以定义为沿各坐标轴各向异性。使用这种壳单元可以对 曲面进行有限元网格划分和分析计算，当每一个单元的尺寸不大于曲面1 5 度弧 线时，对曲面的描述和分析能够达到很高的近似程度。使用这种壳单元时应在 网格模型处理好以后综合考虑一下网格质量的评价标准。 3 3 建立白车身有限元模型前考虑的问题 白车身是个很复杂的模型，车身零件大多数为薄钢板经冲压、卷边、加筋、 加框、加梁柱或加强后经组焊构成，其空间几何形状异常复杂，并且白车身是 个比较庞大的系统，由许多部件经过许多工艺加工而成，这也对有限元模型的 管理上提出了一定的要求。本课题探索的s r v 白车身共有零部件约1 4 0 0 个， 焊点4 5 0 0 多个，如何在保证计算精度的前提下，方便而快速的建立有限元模型， 并能在模型计算的过程中进行方便的调整、修改、管理，是建模之前要考虑的 一个很重要的问题。同时模型的管理也为以后的整车优化打下基础，以便对车 身部件优化以后，可以将优化的部件建模后直接替换原部件，而不需将整车重 复建模，给后续的工作带来便利，这也是很重要的一个问题。 3 3 1 白车身模块化建模思想 图( 3 - 2 ) 是某s r v 车身的有限元模型，它是利用模块化的思想，由各个 零部件的模型组合而成的整体模型，可以方便的增加、减少或者改动零部件的 模型。 图3 - 2 某s r v 车身的有限元模型 从白车身的结构入手：白车身模型由左、右侧围总成、地板总成、前围总 成、顶棚总成等几个部分组成。每个总成通过几个小总成组合在一起，如地板 总成包括地板、加强梁、地板护板、左右后轮罩等几个小总成。每个小总成又 包括一些可拆开的零件，如右后轮罩小总成包括右后轮罩、右后轮翼外板、右 后轮翼内盖板等零件。图( 3 3 ) 清楚地表示了车身的各总成和部分零件的模型。 1 4 图3 - 3 某s r v 车身有限元模型爆炸图 使用模块化的方法建模，使整个模型层次分明、清晰、直观，不仅方便于模型的 局部修改，而且有利于多人分工协同工作。 车身模块化建模过程可以用如下图( 3 4 ) 所示的流程表示： 图3 - 4 白车身模块化建模流程 这种由模块化方法生成的车身模型，不仅直观明了，并且在以后的新车型 设计中，可以根据新车型的要求，修改部分零件模型然后生成小总成和总成， 最后即可组装成新车型的车身有限元模型。在原有车型模型的基础上生成的有 限元模型在材料特性、单元类型、单元实常数、定位坐标以及零件间的连接方 式上与原有模型都是一致的，不仅节省大量的重复建模的时间，而且与原有模 型在计算结果上具有很强的可比性，原有车型的各种计算、分析结果对新车型 开发的指导意义也就显得尤为突出。 3 3 2 白车身结构的简化 由于车身的模型复杂多变，各种曲面较多，并且有些附件对整车的模态几 乎没有影响，因此在保证充分反映实际结构力学性能的前提下，对模型进行简 化，对所关心的部位少简化或不简化，对远离所关心部位的区域，可在不影响 所关心部位响应的条件下作较大简化。主要承载部件要保证其机构的完整性， 如门槛、前后纵梁、顶盖、地板、a ，b ，c 立柱、轮罩、前后悬架固定座、行李 架等，应尽量保证这些结构的完整性，从而保证整个白车身的力学性能，使白 车身的动态性能更真实的反应出来。 在进行简化的过程中要对结构进行慎重的考虑，简化过程中应考虑遵循以 下原则 2 0 】：一、简化小的曲面以及尖角。白车身结构复杂，有许多复杂的二次 曲面以及较小的尖角，这些尖角对动态性能没有什么影响，但在网格划分的时 候增添了难度，对网格质量会造成严重的影响。二、简化些由工艺形成的几 何外形。白车身的一些孔、开口、翻边以及由胀形工艺形成的一系列的筋和凸 台，它们的设计目的通常是为了局部的连接或者工艺上避让一些管路、线束等 穿过而设计的，对整车的动态性能没有影响，为了保证计算精度以及结果的可 靠性，在有限元建模的过程中也予以简化。 3 4 有限元网格质量控制 3 4 1 有限元网格划分的基本原则 划分网格作为建立有限元模型的一个重要环节，要求考虑的问题较多，需 涉及的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。 因此，在有限元网格的划分中应注意一些原则，这些原则将在下文详述。在把 握原则的前提下，有限元网格生成方法可以分为五种：拓扑分解法、结点连元 法、网格模板法、映射法和几何分解法。目前，主要是上述方法的混合使用及 现代技术的综合应用。 由于有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来 表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件 综合求解。由此，有限元网格的划分一方面要考虑对各物体几何形状的准确描 述，另一方面也要考虑变形梯度的准确描述。网格划分的密度是个重要的问题， 太密则会大大增加计算时间，但计算精度却不会成比例地增加。这样，就存在 一个最佳网格密度问题，这个问题往往需要多年工作经验的积累。如果前置处 理程序能够自动确定网格密度，对节省计算时间的意义非常大。另外，在网格 划分时，对应力集中区域采用局部网格加密的办法是十分必要的。归纳起来说， 划分网格时必须考虑以下原则【2 l 】： 1 、网格数量。网格数量的多少，直接影响着计算规模的大小，在一定程度 上也影响着计算结果的精确程度。因此，确定网格数量多少时必须将两个因素 1 6 综合考虑。 2 、网格密度。在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数 据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中处) ，为了较好地 反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的 部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。 3 、良好的单元形状。单元最佳形状是正多边形或正多面体。 4 、良好的剖分过渡性。单元之间过渡应相对平稳，否则，将影响计算结果 的准确性甚至使有限元计算无法进行下去。 5 、网格剖分的自适应性。在几何尖角处、应力温度等变化大处网格应密， 其他部位应较稀疏，这样可保证计算解精确可靠。 3 4 2 有限元网格划分单元质量的控制 在遵循以上原则的基础上对某s r v 白车身进行网格划分、有限元建模，但 在实际有限元建模的过程中除了要把握以上原则以外，在网格的划分过程中应 该注意控制单元质量，因为单元质量的好坏将直接影响能不能计算出结果以及 结果的准确度可信度。由于本课题研究的s r v 白车身只涉及到一维及二维单 元，所以下面只探讨一维以及二维单元在质量检查的过程中应注意的问题。下 面就二维单元的网格质量控制的一些标准作简单介绍： ( 1 ) 偏斜度( s k e w ) 偏斜度反映单元夹角的偏斜程度，四边形单元的理想夹角为9 0 0 ，三角形单 元的理想夹角为6 0 0 。偏斜度的计算表达式为： z 9 0 - 口, i = i 3 y 1 6 0 一磁 一i i = 1 ( 四边形单元) ( 三角形单元) 上式中为单元夹角。理想单元的偏斜度为零。 ( 2 ) 翘曲度( w a r p a g e ) 翘曲度反映单元的扭曲程度。指的是单元对角线分割的两三角形垂直矢量 间的夹角1 1 , 如图( 3 5 ) 。理想单元的翘曲度为零。 图3 - 5 翘曲度的定义 1 7 ( 3 ) 雅可比数( j a c o b i a n ) 在计算单元刚度矩阵时，要用到雅可比行列式的值。雅可比行列式i j i 是一 个多变量函数的行列式，川的值不能为0 。从几何意义上看，雅可比数是用一 内切圆球放入平面立体单元内，其所占面积体积与标准面积体积的比例来衡 量单元质量的一个参数。三角形单元以正三角形内切圆、四面体单元以正四面 体内切球、六面体单元以正方体内切球的面积体积为标准，值不能为0 即各种 单元必须是凸的。 ( 4 ) 外观比例( a s p e c t ) 外观比例值是单元最长边和最短边的比值。它反映的是单元外观的差异。 一般认为比值越接近1 越好。常见的还有锥度比、拉伸值、边节点位置偏差等 指标度量。 在了解以上各种定义的基础上，对一维以及二维有限元网格质量的控制应 把握以下的几点【2 2 1 。 1 、对于一维单元要检查的单元质量包括： a ) 检查一维单元的自由端。 b ) 确定一组刚性单元是否成环。 c ) 检查焊接和刚性单元的双重依赖。 d ) 检查所有单元一边的最小长度。 2 、对于二维单元要检查的单元质量包括： a ) 检查单元的变形、长宽比、偏斜和雅可比率。 b ) 检查三角形和四边形单元最小和最大内角。 c ) 检查所有单元的最小长度。 d ) 检查网格单元同实际表面之间的最大弦偏差。 除此之外，还要对建模以后的整体模型进行三角形单元比例的检查，单元 穿透以及交叉的检查，单元法向的调整等等。一般为了提高计算精度，要尽量 将三角形单元的比例控制的越小越好，通常控制在5 以内。为了达到这个精 度，需要通过有限元建模的初始阶段对各个总成以及部件的三角形比例的控制 来实现的。 3 5 焊点的简化与处理 车身总成、地板总成、前围、侧围、四门两盖等各主要部件基本上都是采 用点焊来连接的。据统计，每辆轿车上大概有4 0 0 0 6 0 0 0 个焊点。本车型s r v 白车身共有近5 0 0 0 个焊点，整车估计有6 0 0 0 个焊点。 由于车身结构具有焊点数目多、曲面结构复杂、几何特征众多等特点，要 建立非常精确的车身有限元模型十分困难。另一方面，在建立车身有限元模型 的同时，为避免使问题变的十分复杂，在尽可能如实反应车身动力结构特性的