（光学工程专业论文）车身动态响应分析技术研究.pdf

中文摘要 摘要 汽车车身的动态响应特性直接影响汽车的舒适性和可靠性。随着汽车工业的 发展，车身动态响应特性研究越来越受到人们的关注，成为汽车设计中的重要研 究内容。本文以某轿车车身为研究对象，综合运用试验模态技术、有限元模态分 析技术、强迫响应分析技术、瞬态响应分析技术以及疲劳寿命分析技术，对车身 的动态响应特性进行了较为深入的研究。主要研究内容如下： 以最大限度接近实际结构为基本原则，提出了确定单元尺寸、选择单元类 型以及控制单元质量的原则，研究车身结构典型特征的简化方法和点焊连接方法， 为车身有限元模型的建立提供了理论指导。在此基础上建立了白车身有限元模型， 为车身动态响应分析奠定了基础。 以车门为研究对象，通过有限元模态分析技术与试验模态的对比，得到了 具有较高精度的焊点模拟方法，即通过刚性梁和单层等效板相结合的方式。将此 方法作为白车身点焊的处理方法，得到了精度较高的白车身有限元模型，为动态 响应分析的准确性提供了保障。 考虑发动机不同频率下的激励力，对车身进行了强迫响应分析，找到了车 身共振频率点和共振位置，为车身结构的设计及发动机的匹配提供了理论依据， 同时也有助于改善整车的n v i - i 性能。 综合考虑悬架、轮胎、发动机等影响，对汽车在鹅卵石路面行驶工况进行 了瞬态响应分析和疲劳寿命分析，得到车身振动位移曲线，应力分布云图和应力 响应曲线以及疲劳寿命云图，为车身结构设计提供依据。结构表明车身满足动强 度和疲劳寿命要求。 通过本文的研究，掌握了车身的动态特性，为车身结构的改进、优化设计以 及疲劳寿命提供了理论基础和技术支撑，具有一定的理论价值和工程意义。 关键字：白车身，模态分析，强迫响应，瞬态响应，疲劳分析 英文摘要 a b s t r a c t a u t o m o b i l e b o d yd y n a m i cr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i ci n f l u e n c ea u t o m o b i l e s c o m f o r t a b l e n e s sa n dr e l i a b i l i t yd i r e c t l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l e i n d u s t r y , t h ea u t o m o b i l eb o d yd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c hr e c e i v e sm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n ，b e c o m e st h ei m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n ti na u t o m o b i l ed e s i g n t h i s a r t i c l et a k eas a l o o nb o d ya ss t u d yo b j e c t , c o n d u c t e dm o r er e s e a r c ht oa u t o m o b i l e b o d y sd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ct h o r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lm o d a lt e c h n o l o g y , f m i t ee l e m e n tm o d a la n a l y s i st e c h n o l o g y , f o r c e dr e s p o n s ea n a l y s i st e c h n o l o g y , t r a n s i e n t r e s p o n s ea n a l y s i sa n df g t i g u el i f ea n a l y s i s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： o t a k ec l o s et oa c t u a ls t r u c t u r em a x i m u ma st h ep r i n c i p l e ，h a sp r o p o s e dt h e d e t e r m i n a t i o no fe l e m e n ts i z e ，c h o i c eo fe l e m e n tt y p ea sw e l la st h ec o n t r o lc r i t e r i o no f m e s hq u a l i t y , s t u d i e dt h es i m p l i f i c a t i o nm e t h o do ft y p i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dt h es p o t w e l d i n gc o n n e c t i o nm e t h o d , t h e np r o v i d e dt h et h e o r yi n s t r u c t i o n f o re s t a b l i s h i n g a u t o m o b i l eb o d yf m i t ee l e m e n tm o d e l b a s e do nt h e s et h e o r y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o fb o d y i n - w h i t ei se s t a b l i s h e d ，a n dl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ea u t o m o b i l eb o d y d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s 。 t a k ev e h i c l ed o o ra ss t u d yo b j e c t ，c o n t r a s tf i n i t ee l e m e n tm o d a la n a l y s i s f r e q u e n c ya n de x p e r i m e n t a lm o d a l i t yf r e q u e n c y , o b t a i nt h eh i g hp r e c i s i o ns p o ta n a l o g y p r o c e d u r ew h i c hu n i f i e dr i g i db e a ma n dt h es i n g l e l a y e re q u i v a l e n tb o a r d o b t a i nt h e h i 曲p r e c i s i o nf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fb o d y i n - w h i t et h r o u g h t h i sm e t h o d ，a n dp r o v i d e t h es a f e g u a r df o rt h ed y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s sa c c u r a c y c o n s i d e rt h ee x c i t i n gf o r c eu n d e rt h ee n g i n e sd i f f e r e n tf r e q u e n c y , c a r r yo nt h e f o r c e dr e s p o n s ea n a l y s i st ot h ea u t o m o b i l eb o d y , f i n dt h er e s o n a n c ef r e q u e n c ya n dt h e r e s o n a n c ep o s i t i o n ，p r o v i d et h et h e o r yb a s i sf o rt h ea u t o m o b i l eb o d ys t r u c t u r e sd e s i g n a n de n g i n e sm a t c h i ti s h e l p f u l i n i m p r o v i n gw h o l eb o d y sn v hp e r f o r m a n c e s i m u l t a n e o u s l y t a k et h ei n f l u e n c eo fs u s p e n s i o n ，t i r e ，e n g i n ee t c i n t oc o u n t ，c a r r yo nt h e t r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i sa n dt h ef a t i g u el i f ea n a l y s i st ot h ea u t o m o b i l ei nt h e c o b b l e s t o n er o a ds u r f a c et r a v e lo p e r a t i n gm o d e ，o b t a i nt h ed i s p l a c e m e n tc a r v ei nt h e a u t o m o b i l eb o d y , s t r e s sd i s t r i b u t i o nc l o u dm a p ，s t r e s sr e s p o n s ec u r v ea n df a t i g u el i f e c l o u dm a p ，p r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ea u t o m o b i l eb o d ys t r u c t u r a ld e s i g n t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ea u t o m o b i l eb o d ys a t i s f i e st h ef a t i g u er e s i s t a n c ea n dt h ef a t i g u el i f e i i i 重庆大学硕士学位论文 r e q u e s t t h r o u g ht h i sa r t i c l er e s e a r c h ，g r a s pt h ea u t o m o b i l eb o d y sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ， p r o v i d et h er a t i o n a l ea n dt h et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ea u t o m o b i l eb o d ys t r u c t u r e i m p r o v e m e n t ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt h ef a t i g u el i f ea n a l y s i s ，h a sc e r t a i nt h e o r y v a l u ea n de n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e k e y w o r d ：b o d y i n w h i t e ，m o d a la n a l y s i s ，h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，d y n a m i c r e s p o n s ea n m y s i s ，f a t i g u ea n a l y s i s i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的殳士学位论文垒鱼主慈! 垒蕉啦煎茎驾免 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：雩1 f 导师签名：雪喀i - 签字日期：撕7 f 3 f i 签字日期：i q 乒f 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程) ，愿意将本人的亟士学位论文孽躯6 惫! 自蚴煎翅赴提交中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n i ( i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：! 挈! 导师签名： 、萝 也互 御年 f 月r 日 各注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年月一日。 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 车身的设计不仅要求外在曲线流畅和色彩和谐，而且要求具有合理的结构、 良好的抗振、舒适和安全性能，其开发占用了整车开发时间与费用的很大比重， 车身开发的速度对于整车占领市场具有十分重要的意义。随着计算机技术的不断 发展，在汽车开发中，c a d c a e 技术正得到越来越广泛的应用。采用c a d c a e 技术后，可以缩短新车的开发周期，提高设计质量，降低设计成本，节省大量的 人力、物力和财力。因而，c a d c a e 技术已成为各汽车公司开发新产品、组织规 模生产、加强市场竞争的重要手段，同时也成为衡量一个汽车制造公司技术水平 的重要标志。国际上汽车车身的开发和设计已由经验、类比、静态设计方法，进 入基于c a d c a e 技术的建模、静动态分析、动态参数优化阶段，并向基于计算机 平台的虚拟设计发展【l 5 j 。8 0 年代以来，国内汽车厂家陆续从国外引进c a d c a e 软件和技术，并与科研院校合作开展研究睁1 1 】，力争形成自主的开发能力。大力开 展其研究和普及推广，尤其是轿车和客车车身设计要改变传统的经验、类比和静 态设计的老方法，克服新品设计开发周期长、质量差、成本高的缺点，解决车身 开发制约我国汽车工业自主开发能力提高的“瓶颈”问题。为此，借鉴先进国家的车 身设计方法，努力提高我国自主开发车身能力已是摆在我们面前的一项重要任务。 由于我国相当大一部分汽车产品是从国外公司引进的，国内有些汽车生产企业可 能缺乏这些产品的开发技术和开发过程的设计资料。而包括力学性能分析数据在 内的设计资料，又是改型设计的主要依据。没有这些设计资料和开发技术，就会 给汽车制造企业的产品改造带来困难，国内企业也已认识到开发技术和各种分析 过程及设计资料的重要性，促使企业决心研究产品开发技术，积累开发分析过程 的详细设计资料。 1 2 国内外现状 1 9 7 0 年美国宇航局有限元结构程序n a s t r a n 的引入，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。1 9 7 7 年，通用汽车就率先在车身开发中应 用了分析与试验验证相结合的方法。利用有限元法先对结构进行动静态分析及碰 撞模拟，然后用试验对结果进行证明。随着计算机技术的迅猛发展，用于工程分 析的软硬件也有了很大的变化。从普通的微机到高速计算机，发展到现在的工作 站和超大型计算机，些通用化，商业化的有限元分析软件也相继出现并日趋完 善。目前在世界各大汽车公司广泛使用的f e m 分析软件有：n a s t r a n 、a n s y s 、 重庆大学硕士学位论文 d y n a 、a b a q u s 、s a p 、a d i n a 等。 福特公司于七十年代首先提出对点焊结构模拟研究，并采用n a s t r a n 通用 软件，用板、梁单元进行车身的静态分析，寻找车身结构的高应力区，并改进应 力分布【1 2 1 。随后通用等其他汽车公司也相继开展对焊点模拟的研究【1 3 舶】。日本五 十菱汽车公司在8 0 年代末已将c a e 应用到车身设计的各个阶段，从最初设计阶 段的粗略模型到设计中、后期的细化模型，分析的范围包括强度、刚度、振动、 疲劳及形状和重量的优化。9 0 年代以后，有限元分析得到更为广泛的应用。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，进行汽车在发动机和道路激励下的响应分析和改进， 大大简化了分析过程。日本尼桑汽车公司利用有限元分析进行整车优化，分析中 使用的模型已经包括悬架、发动机、轮胎和转向机构。 总之，在国外各大汽车公司，c a e 分析已贯穿车身设计的整个过程。在车身 结构设计的不同阶段，根据不同的分析目的，选用不同的模型规模进行车身结构 分析。分析所用模型的细化程度已经很高，单元数量高达百万之多。通过多年的 经验及数据积累，已经形成工程分析规范。虚拟试验已逐步取代实车试验【6 】。概括 起来，国外各大汽车公司车身c a e 分析系统的主要应用领域有： 车身壳体及其零部件的结构分析，包括静态强度，弯扭刚度等。 整车及零部件的模态分析。 n v h 分析。研究车身因发动机、车轮、空气阻力等激励产生的振动与噪声、 摩擦噪声、风噪声等。 车辆模拟碰撞分析。分析计算各种事故时的车身变形情况及乘客所承受的 冲击减速度。模拟车辆的正面、侧面、追尾碰撞等，以提高汽车的被动安全性。 空气动力学分析。模拟车身在风洞中的试验状态，计算出车身各点的压力 分布规律、流线方向、三维空间里的力与力矩、并确定风阻系数等，为车身造型 提供理论依据。还可以对车室内通风、空气循环流动进行模拟和优化。 优化分析。包括对结构形状与尺寸的选择与优化。进行结构重量最轻、动 静特性最优等综合分析，折中和优化一些关键参数，达到降低车身质量、改善车 身刚度分配及应力分布等目的。 虚拟试验场耐久性分析。在各种路面下进行有限元动力学仿真，解决设计 上的潜在问题。并可以利用仿真结果还可以获得整车、部件和焊点的疲劳寿命， 从而可进行汽车的完整性，结构的损伤和焊点的断开评估。 研究车身结构c a e 技术时，一方面要研究更完善的有限元建模和边界条件设 置方法，以减少建模及分析误差。另一方面要研究以分析结果为依据评价车身结 构各种性能的方法。国外先进的汽车制造企业在此方面所采用的方法是嘲： 2 l 绪论 将研究所得的完善的建模、边界条件设置和分析方法制定成规范。对所有 同类车身结构建模分析时采用同一种规范。这样，不同产品的性能参数仿真与试 验结果相比其误差可控制在同一个范围内。 找到仿真与试验结果之间的误差，然后依照结构应达到的性能要求，建立 一种考虑这些误差的分析评价标准。 由于建立了上述规范和评价标准，在进行同类型的不同汽车产品车身结构力 学性能分析时，其结果就具有很强的可比性，可以减少因仿真结果误差而造成的 分析偏差和以此为依据而造成的结构设计偏差。上述方法、规范以及评价标准只 能建立在对特定汽车车身结构各种力学性能深入研究的基础上，是任何一种商品 化仿真分析软件都无法提供的，其开发比仿真软件的开发难度更大，周期更长。 而且这些开发工作只能由汽车制造企业投入大量的人力、物力和时间去完成。因 此，这些规范和评价标准是各汽车制造企业汽车产品开发核心和最机密的技术。 国内在汽车车身c a e 方面的研究已有不少学者做了大量有意义的工作。早在 1 9 7 7 年，长春汽研所的谷安涛等人建立了车架的有限元模型，并进行了分析计算。 当时研究工作主要集中在车架分析及用梁单元模拟大客车骨架等方面的工作。随 着计算机技术的发展，有限元分析在车身结构分析上得到了更为广泛的应用。吉 林大学以郭孔辉院士为首，在9 7 年福特基金支持下，进行了包含c a e 在内的车 身设计专家系统的研究。高云凯、蓝晓理等进行了某承载式轿车车身结构的低阶 模态参数修改灵敏度分析及应用探讨，提出了车身基本抗扭承载区及空间基本抗 弯盒的概念【l7 】。清华大学的周长路、范子杰等建立了某微型客车白车身结构的有 限元模型，计算了白车身结构的自由模态，提出了一种鉴别整体模态与局部模态 的方法，并与试验结果进行了对比分析，结果表明所建立的有限元模型基本反映 了原结构的振动特性【1 8 1 。东南大学的朱壮瑞、孙庆鸿、孙凌玉等基于客车白车身 详细动力学模型，并以客车白车身模态试验结果为依据，通过调节各构件间接合 面的连接刚度和车身上的质量分布，修正了模型，得到了与实际结构力学特性相 吻合的教学模型，为进一步模拟分析奠定了基础【1 9 】。苏庆、孙凌玉等运用c a e 技 术对某微型客车车架进行了结构分析与优化设计，计算了典型道路激励下的瞬态 响应【2 们。何文、高卫民、高书娜等对焊点对动态仿真中焊点的建模方法进行了研 究，并与试验进行了对比分析【2 i 2 3 1 。钟志华、朱西产等就运用l s d y n a 对汽车碰 撞进行了数值仿真【2 4 2 5 1 。2 0 0 5 年，台湾林育正、毛庆平等运用l s d y n a 分析了 在强化路面上的动态响应情况，并采用v p g 、f a t i g u e 对计算结果进行了疲劳分 析，且每步都进行了试验验证【2 6 j 。国内也有部分运用l s d y n a 进行了虚拟路 面的动态响应分析 2 7 - 2 8 】，但是并没有进行一些相应的模型验证。 总体来说，国内在车身设计c a e 技术研究和应用方面已做了大量工作，取得 重庆大学硕士学位论文 了可喜的成绩，已从探索及积累阶段，逐步走向成熟和应用，当然还有很多问题 有待于研究解决。如由于软硬件对模型规模的限制，模型的细化程度不够，分析 结果还比较粗略，大多用来进行结构的方案比较，离虚拟试验的要求还有比较大 的差距，样车试验方法仍然是车身结构各种力学性能分析的主要方法。其主要原 因在于企业与科研单位之间合作不够紧密，企业拥有试验条件但在理论研究上比 较欠缺，而科研单位拥有理论上的研究，却仅仅限于简单结构的研究，对企业而 言，很难将其应用于工程实践。使得目前在对车身设计方面还大都限于静态结构 分析和以模态分析为基础的动态特性分析，而且能在试验验证基础上进行动态特 性分析的就更是少见，这也是国内c a e 分析发展所需要进行的主要方向。 1 3 本文的研究内容 本文通过研究车身动态响应分析中零件的简化方法和焊点连接模拟方式总结 了动态响应分析有限元模型建立的方法，应用分析与试验相结合的方式建立车身 有限元模型，并运用该模型对整车进行了模态分析、强迫响应分析、瞬态响应分 析和疲劳寿命预测。 本文所研究的主要内容包括以下几个方面： 建立车身的有限元模型，根据动态特性分析的需求，研究车身有限元模型 建立时需要考虑的问题：如某些典型特征的简化方法、单元尺寸、单元类型的选 择和网格质量的控制等； 结合实验研究焊点连接的模拟方法； 建立白车身有限元模型，对模型进行有限元分析，并通过实验验证有限元 模型； 根据汽车实际工作状况，对车身进行强迫响应分析，找出结构可能存在的 问题； 考虑轮胎、悬架、负载、路面等因素的影响，对整车进行瞬态响应分析， 并进行车身零部件的疲劳寿命预测。 4 2 车身动态响应分析有限元模型的建立 2 车身动态响应分析有限元模型的建立 2 1 引言 有限元法是把连续的弹性体划分成有限多个彼此只在有限个点相联接的、有 限大小的单元组合体来研究，也就是用一个离散的结构来代替原结构，作为真实 结构的近似力学模型，以后的数值计算就在这个离散结构上进行【2 9 】。在进行汽车 结构有限元分析前，首先要建立汽车零部件结构的有限元模型，它是物理结构的 数学表示。建立一个合理、有效的分析模型是进行有限元分析的首要条件，而一 个好的分析模型是指在模型的规模和精确度之间寻求一个最佳的平衡。汽车结构 有限元模型建模设计的主要工作包括：几何模型的简化、材料属性的确定、单元 的选择、网格的划分以及有限元模型的连接与装配。 在车身构造选择和车身结构概念发展阶段，有限元模型通常采用板和梁结合 的方式建立简化模型，而在车身结构设计细化和车身结构设计验证阶段建立的有 限元模型则为车身结构的详细模型【3 们。同时，在车身结构设计验证阶段，有限元 模型的建立也会由于分析目的不同而需要对车身有限元模型进行不同的处理。若 关注车身零件的结构强度，避免结构的应力集中，通常会将关注的位置进行网格 细分，而非关键部位采用大网格尺寸控制单元数量；若关注结构的振动特性，计 算它的模态频率和模态振型等，则结构的典型特征，如加强筋、孔、翻边等结构 则需要谨慎处理，因为这些典型特征对模态参数的影响较大；进行被动安全分析 如正面碰撞、侧面碰撞以及翻滚等有限元分析时，又因为分析中与碰撞物接触的 位置不同需要对不同的位置进行细分，而且为了考虑焊点的失效，焊点的位置和 单元的选择极其重要【3 i 】；在利用s y s n o i s e 进行车内噪声分析时，通常直接将零 件与零件的有限元节点相连，而忽略焊点的作用，且结构进行大量简化，仅保留 结构的外形特征【3 2 j 。 轿车车身的结构是由不同形状、不同厚度的薄壁板壳零件组成，而且结构和 形状都很复杂，包含大量的孔、加强筋、翻边等结构，在建立模型过程中通常都 要对结构进行简化，简化过程以忠实结构主要的力学特性为前提，但针对不同的 研究目的，所采用的简化方法也不完全相同。同时，由于车身上点焊结构分布较 广，焊点的模拟方式对动力学特性的影响较大【3 3 1 ，因此，合理选择焊点连接方式 是有限元模型建立的关键技术之一。本文中所采用的轿车车身研究对象处于结构 的设计验证阶段，需要根据车身几何模型建立有限元分析模型，本文需要对车身 进行动态响应分析，因此针对动态响应分析模型需要考虑的问题进行研究：如典 型特征的简化方法、单元尺寸和类型的选择、网格质量的控制、焊点连接的模拟 5 重庆大学硕士学位论文 方法等，并在此研究基础上建立详细的车身有限元模型。 2 2 有限元划分的基本原则 把连续体离散化成有限元分析模型时，应使原模型尽可能比较准确地得到模 拟。这步工作做得是否恰当，关系到最后计算精度的高低。因此，划分单元时， 应注意下列一些原则【2 9 】： 单元小、网格密，则计算精度高，但要求计算机的容量大，计算时间长； 若单元大、网格稀，则计算精度低，但要求计算机的容量小，计算时间短。因此， 应在计算机容量的范围内，根据合理的计算时间，并考虑工程上对精度的要求， 合理决定单元的大小。 对结构的不同部位采取不同大小的单元。对边界曲折的部位、应力或位移 变化剧烈的重要部位，单元可划分得小一些( 如在凸槽、孔洞等应力集中处) ；对 于边界平直的部位、应力或位移变化平缓的次要部位，单元可划分得大些。 对边界平直的构件，采用四边形单元，对有曲线边界的构件，允许存在三 角形单元，但应注意三角形单元的三个内角的大小不要相差太大，不要有钝角， 最好不要小于3 0 0 ，因为应力和位移的误差都与单元最小内角的正弦成反比。 应尽量利用结构和载荷的对称性，以减小计算工作量。 在结构厚度或弹性性质的突变处，应把突变线作为单元的分界线，不要让 突变线穿过任一单元。而且，在突变线附近的单元还应取得小些，以尽可能反映 出突变线两侧应力的突变情况。 在分布载荷集度变化处和集中力作用处，应布置节点，以反映因此引起的 应力变化。 2 3 单元尺寸的影响 根据有限元网格划分原则，有限元网格划分的粗细直接影响分析结果的精确 程度。整车由成百上千个零件构成，如果网格划分太细，单元和节点数量将急剧 增加，计算成本也会相应增加，而如果网格划分太粗，又会造成分析结果不可靠。 如何使计算精度与计算成本相适应，是主要需要考虑的问题，通常根据计算机的 硬件条件与计算精度来协调p 4 。 研究单元尺寸对结构动态特性的影响，选择一块边长为l m ，厚度为l m m 的 正方形钢板为研究对象，分别将钢板划分为5 m m ，2 0 r a m ，5 0 m m ，1 0 0 m m 四种不 同的单元尺寸，单元数分别为4 万，2 5 0 0 ，4 0 0 和1 0 0 个单元。材料参数为钢板材 料，弹性模量e = 2 1 e + 0 5 m p a ，密度p = 7 8 0 k g m 3 ，泊松比g = o 3 。采用a n s y s 软 件分别对四种不同单元尺寸模型进行模态分析，观察计算方形钢板的前五阶非刚 6 2 车身动态响应分析有限元模型的建立 体模态频率值，比较网格的粗细对模态分析结果的影响。当单元划分为5 m m 时， 单元数量为4 万，此时网格划分比较细致，计算结果接近真实解，将其作为参考 值，分别将2 0 m m 、5 0 r a m 、1 0 0 r a m 的模态分析频率与该结果进行比较，分析不同 单元尺寸各阶频率的误差。 表2 1 方板不同单元尺寸的计算频率对比 t a b l e 2 1t h ef r e q u e n c yc o m p a r i s o ni nd i f f e r e n te l e m e n ts i z e 5 m m2 0 m m5 0 m m1 0 0 m m f 【h z )f ( i - z )误差( )f ( s z )误差( )f o t z )误差( ) 第1 阶 第2 阶 第3 阶 第4 、5 阶 第6 、7 阶 3 3 5 53 3 5 5 50 0 2 13 3 5 8 4 0 1 0 7 3 3 6 8 7 0 4 1 4 4 。8 8 24 。8 8 3 80 0 4 74 。8 9 6 20 2 9 94 9 3 9 61 1 8 8 6 0 4 76 0 5 0 40 0 716 0 7 4 30 4 6 66 15 8 91 8 6 6 8 6 78 6 7 3 40 0 5 4 8 6 9 7l0 3 2 88 7 7 8 51 2 6 7 1 5 2 2 71 5 2 5 40 2 1 71 5 4 41 4 3 91 6 1 1 05 8 4 1 由表2 1 可知，2 0 r a m 单元尺寸的计算结果与参考结果误差很小，不到l ， 基本不影响计算精度。而5 0 r a m 单元尺寸的计算结果在第6 、7 阶时误差超过1 ， 但误差仍然较小，只有当单元尺寸为1 0 0 r a m 时误差明显增大，第6 、7 阶误差超 过5 ，计算精度下降。因此可以看出，网格划分越细致，模态分析计算频率的误 差值越小。同时，从不同单元尺寸各阶振型的误差比较看来，低阶误差较小，而 高阶的误差较大。因此，网格的粗细对模态频率的高阶影响较大，频率越高，误 差越大，而对低阶频率的影响较小。在只需要考虑低阶模态频率时网格可以选用 较大的单元尺寸，减少计算成本，而更关注高阶模态频率时则应该尽可能选择较 小的单元尺寸。 2 4 单元类型的选择 由于轿车车身的结构由不同形状、不同厚度的薄壁板壳零件组成，而且结构 和形状都很复杂。为了对车身结构进行比较准确的计算分析，现代轿车车身结构 分析的有限元模型一般采用板壳单元模型，即整个车身全部采用板壳单元进行离 散建立的模型。对于平板弯曲的计算有两种理论。一种是经典的薄板理论，一种 是厚板理论。基于这两种理论可以推导出两类板弯曲单元。为了叙述简单，通常 把板弯曲单元称为板单元，而把平面应力单元称为膜单元。对于板的厚薄，通常 是用板厚t 与跨距l 的比值来判断的。但t l 工时，在孔周围布置至少6 个节点，保证孔周边无三角形单元 的存在和最小单元尺寸不低于k ，如图2 7 中b 所示。 ( a ) 图2 7 孔的简化 f i g u r e 2 7t h es i m p l i f i c a t i o nm e t h o do fh o l e 以划分单元的平均尺寸为1 2 r a m ，最小单元尺寸限制为5 r a m 的网格来说，则 当d 8 m m 时，忽略小孔，当8 r a m d 1 5 m m 时，简化为图2 7 中b 所示。 2 。6 3 翻边的简化 车身上的翻边结构有两类，一类是翻边结构，主要应用于部件之间的相互定 位和焊接。它对于零件的横向弯曲刚度和扭转刚度有很大的提高，对于静态和动 态分析结构有很大影响。因此必须加以考虑。如果翻边的宽度小于l 可以修改 几何结构，将翻边宽度增加到k 妯以上，使网格的最小尺寸不少于k m 。在简化这 类翻边时，应尽力保持翻边原始的角度，且在有焊点连接的翻边结构处应保证至 少有两排单元，以便能够处理焊点的连接。在2 8 ( a ) 中的简化中则改变了原始的弯 曲角度，因此不可取，应采用图2 8 ( b ) 中的简化方法。 图2 8 翻边的简化 f i g u r e 2 8t h es i m p l i f i c a t i o no f t h ef l a n g e 重庆大学硕士学位论文 另类为包边结构，包边通常位于零件的边缘部位，包边折叠后将自身零件 与其它零件连接在一起，如车门的蒙皮。包边通常比较狭窄，单独进行网格划分 会形成许多小于最小单元尺寸的网格，因此，将包边连同重叠部分处理为单层板， 设置成不同的厚度，如图2 9 。 包迎处理成单屡扳 图2 9 包边简纯 f i g u r e 29 t h es i m p l i f i c a t i o n o f h e m f l a n g e s 2 6 4 其它特征的处理方法 除上述几种典型特征外，结构中往往还包括许多圆角和倒角、凸台以及包边 等，上述这些特征都是小尺寸结构，忽略这些结构会政变实际结构的刚度，保留 又会影响单元的质量，因此需要谨慎处理。 有限元网格的划分实际上是以多条直线的方式模拟曲线，为尽量使网格单元 与原模型的几何特征一致，则弦线与弧线的距离d 应小于单元尺寸l 的o 1 倍， 如图21 0 所示。因此，在考虑圆角时，则按照圆角半径的大小不同对其进行简化。 多乡g 单元尺寸。 圈2i o 弦线与弧线的关系 f i b r e 28 t h e r e l a t i o n b e t w e e nc h o r d l i n ea n da r c l i n e 当圆角半径小于最小单元尺寸工眦时，可处理成两种方式，一种时沿切线 方向延长，取消圆角，使其变成直角，如图21 1 ( a ) 。另一种方式则是在圆角的中 间位置加一热点，如图2 1 1 ( b ) 。而目前应用较多的为方式b 。 2 车身动态响应分析有限元模型的建立 图2 1 1 小于k 圆角的简化 f i g u r e 2 11t h es i m p l i f i c a t i o no f r a d i u sl e s st h a nk 当圆角半径大于k 时，在圆角上布置一个或一个以上单元，单元最小尺 寸应大于k ，且必须满足弦线与弧线的关系，如图2 1 2 所示。 图2 1 2 大于k 圆角的简化 f i g u r e 2 1 2t h es i m p l i f i c a t i o no f r a d i u sm o r et h a nk 倒角的处理方法与圆角类似，不同的是对于小于厶；。的倒角，通常采用的是图 2 8 ( a ) 所示的方式。 凸台也是车身零件上常见的特征，凸台的形成有时是为了避免安装配件时产 生干涉而冲压成的，有时则起到加强筋的类似作用，对结构的刚度有一定的影响。 凸包的简化需要注意的是简化过程中必须保证凸包的高度没有因为简化而发生改 变。对于小于k ；。的凸包，应保证凸包项部的位置不变，而改变底部节点的位置使 最小单元尺寸满足要求，如图2 1 3 ( a ) ，而对于大于k 轴的凸包，则在凸包位置建 立一独立的单元，如图2 1 3 ( b ) 。 ( a ) 图2 。1 3 凸台的简化 f i g u r e 2 1 3t h es i m p l i f i c a t i o no f b o s s 重庆大学硕士学位论文 在车身的零部件上常会出现很多自由边界结构。如果自由边界的作用是起硬 化构件的作用，在网格划分时需要保留自由边界。如果自由边界的宽度少于厶血， 通过修改c a d 图，使得网格的最小尺寸不得少于k ； 如果自由边界的作用不是起硬化构件的作用，而且其宽度少于k ，在c a d 图中取消所有这样的自由边界，不必划分网格；如图2 1 4 所示。 几何模型 图2 1 4 自由翻边的简化 f i g u r e 2 1 4t h es i m p l i f i c a t i o no f t h ef r e ef l a n g e 2 7 车身焊点有限元建模方法研究 2 7 1 典型金属焊接板件的实验模态 在实际汽车结构中焊点数量非常大，典型的车身结构就含有3 0 0 0 5 0 0 0 个焊 点。而对于成千上万个分布焊点连接而成的车身来说，焊点有限元模型的模拟精 度以及建模时间是其建模的关键技术，也是保证整个计算结果正确并具有较高精 度的关键技术。 图2 1 5 点焊薄板件 f i g u r e 2 15t h es p o tw e l db o a r d 模态分析能得到结构的固有特性，为了研究有限元仿真中焊点的模拟方法对 有限元动态响应分析的影响，将两块长l = 5 0 0 m m ，宽b = 2 0 0 m m ，厚度t = 0 8 m m 的薄板件进行点焊连接后进行模态实验，通过对比不同焊点模拟方法下有限元模 1 6 2 车身动态响应分析有限元模型的建立 态分析的固有频率与试验频率的误差，选择台适的点焊连接模拟方法，并应用于 车身各部件有限元模型间的连接。焊接后的薄板件如图21 5 所示，焊点间距离为 3 0 - - 3 5 m m ，焊点熔核直径为6 m m ，焊点个数共1 3 ，搭接宽度d = 2 0 m m ，焊点均匀 分布。 实验仪器主要有：撒振器、传感器、电荷放大器、数据采集系统等，在典型 金属板件上共取7 - 3 5 个测点，金属板件的自由模态实验频率及模态振型描述见表 2 4 。其中纵向弯曲是指：焊接金属板弯曲模态的节线与y 方向向平行；横向弯曲 指：焊接金属板弯曲模态的节线平行x 方向。 表2 4 振型描述 t a n e 23 t h e m o d eo f v i b r a t i o a d e s c r i p t i o n 阶效固有频率阻尼比( 呦振型描述 第l 阶 1 6l2 l 扭转 第2 阶 第3 阶 1 0 3 0 1 2 纵向弯曲 横向弯曲 2 7 2 点焊模拟方法研究 车身上大部分零件是薄板冲压件零件之间主要通过点焊的方式连接，在不 同部位，点焊的间距和焊接方式也不相同。对零件之间的点焊连接采取不同的模 拟方法，将影响车身的刚度的分布，焊点模拟是否合理，对模型的准确性和计算 结果有着极大的影响，因此，焊点的模拟对车身结构分析有着极其重要的作用。 根据相关参考文献，焊点的模拟在a n s y s 分析软件中主要有以下几种模型唧j ： 图2 1 6 短粱模型 f i g u r e 21 6 t h es h o r t b e a m m o d e l 短梁模型。粱单元能够承受拉、压两种载荷在a n s y s 中采用b e a m 4 重庆大学硕士学位论文 单元。每个节点有6 个自由度，需要设置b e a m 4 单元的截面形状，截面面积以及 材料参数。短梁单元连接两焊接板有限元模型的节点，长度为两连接板中面的距 离，截面采用圆形截面，直径选取焊点熔棱的平均直径，材料参数设为钢材料， 如图2 1 6 。 刚性短粱模型。在a n s y s 中采用m p c i 8 4 单元，并设置单元的行为为剐 性粱单元( r i g i db e a m ) ，该模型同短梁模型一样能承受拉压两种载荷。但其截面参 数和材料属性不需要特殊设置。 节点耦合剐体模型。即将两个或多个在相应位置节点的一部分自由度相耦 台，即这几个节点耦台的自由度是相同的。在模拟焊点的过程中，通常将焊点连 接位置上下对应的两节点的x ，y ，z ，r x ，r y ，r z 六个自由度，形成节点刚体 模型。 单层等效板模型。采用具有薄膜及弯曲效应的4 节点、3 个平动节点自由 度、3 个转动节点自由度的弹性壳单元模拟焊点。但使用单层等效板时，等效厚度 很难确定，需要根据实验来研究不同间距、不同连接形式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实 际相吻合，从而改变模型连接部分板单元的厚度，使计算结果与不同连接形式的 试验相吻合，从而找出不同焊接形式与板厚变化率之间的对应关系。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，形成动态实验模型修 正的方法。 实体单元模拟焊点。用三维弹性单元构成圆柱体模拟焊点，至少分两层， 采用8 节点的弹性体单元s o l i d 4 5 ，而被焊点连接的瓴金件采用4 节点弹性壳单 元构成。将板壳单元与体单元采用公菇节点的方式进行连接，焊点处的板壳单元 网格加密细化，增加两种单元之间的变形协调性，如图21 7 所示。这种处理方法 无疑会使模型增加丈量的自由度，对于上万个焊点连接而成的整体车身来说，对 计算机硬件水平来说要求太高，而