（机械电子工程专业论文）轻型客车车身的有限元分析与优化设计.pdf

摘 学生：卢正红 i 日 3 芝 导师：陈云飞 ( 东南大学机械工程学院) 在c a d c a e 技术中，有限元方法及其分析软件被证明是最为成功、应用最为广泛的近 似分析方法。利用有限元分析可以获取几乎任意复杂结构的各种机械性能信息，从而有效缩 短研制周期，显著降低开发成本，提高产品的质量和可靠性。 本文以某轻型客车车身为研究对象，从有限元建模、模态分析、静力分析、瞬态动力分 析和结构优化等几个方面阐述了有限元法在客车车身开发中的应用，为客车车身设计和试验 提供了依据。 建立了以壳单元为主，拥有1 万多个单元和8 千多个节点的车身有限元模型。对地板的 凹凸槽、车身零件连接中的点焊及螺栓联结的建模方法和蒙皮对模型的影响进行了详细的讨 论。通过车架模拟计算与试验的结果对比，表明车架模型在整体的静、动态特性上具有较高 的精度。 通过对车身进行静态分析和模态分析，获得了车身结构固有的振动特性及整车应力分布 规律，计算得到的车身局部应力集中区与该车在跑车试验中所发现的危险部位统计数据基本 吻合。 为使模型总载荷接近于真实，在原模型的基础上，将轮胎、悬架、座椅、人、行李、油 箱及发动机等加入车身有限元模型中。完成了客车过障工况下的时域瞬态响应模拟，并得到 了车身较危险部位的时间历程响应数据。 通过灵敏度分析，找出了对车身刚度影响较大的设计变量。实现了车身基于静态应力 的优化设计。 关键词：有限元法，客车车身，建模，模态分析，静态分析，动响应分析，结构优化 a b s t r a c t g r a d u a t es t u d e n t ：l uz h e n g - - h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f c h e ny u n - f c i f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n di t sa n a l y s i ss o f t w a r ei sc o n f i r m e da st h em o s ts u c c e s s f u l a p p r o x i m a t ea n a l y s i sm e t h o di nc a d c a e ，w h i c hi sw i d e l ya p p l i c a t i o ni ni n d u s t r yd e s i g n b a s e d o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a l ls o r t so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd a t ao fm o r ec o m p l e xs t r u c t u r e sa r e o b t a i n e d f o rt h i sr e a s o n ，t h ed e s i g nc y c l eo fc a l c a nb es h o r t e ne f f e c t i v e l y , t h ec o s tc a nb e r e d u c e do b v i o u s l y , t h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r o d u c tc a nb ei m p r o v e d t h i sp a p e r , t a k i n ga ne n t k el i g h tc a rb o d ya sa ne x a m p l e ，s p e c i f i e sa p p l i c a t i o n so ff i n i t e e l e m e n tm e t h o di nb u sb o d yd e v e l o p m e n tf r o md i f f e r e n tp o i n t s ，s u c h 勰c a rb o d ym o d e l i n g ， m o d a la n a l y s i s ，s t r u c t u r a ls t a t i ca n a l y s i s ，t r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n a l s ot h eb a s i so ft h ed e s i g na n dt h et e s to ft h el i g h tc a rb o d ya r ep r o v i d e d t h ed e t a i lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc a rb o d yw i t hm o r et h a n1 0 0 0 0e l e m e n t sa n d8 0 0 0n o d e s i se s t a b l i s h e dm a i n l yb ys h e l le l e m e n t s t h em o d e l i n gm e t h o d so ft h ec a rf l o o rw i t h c o n c a v e - c o n v e xs l o b ，i n t e r f a c e so fw e l da n ds c r e wj o i n tb e t w e e np a r t so ft h ec a rb o d ya n dt h e e f f e c to fs k i no nm o d e li sd i s c u s s e di nd e t a i l 1 1 圮r e s u l t so fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i v ec a l c u l a t i o n o ft h ef r a m eo fc a rs h o wt h a tt h ef r a m em o d e li sv e r ya c c u r a t ei nt h et o t a ls t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ht h es t a t i ca n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i so ft h ec a rb o d y , t h eb o d y sn a t u r a ld y n a m i c f e a t u r e sa n ds t r e s sd i s t r i b u t i o na r ef o u n do u t a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h el o c a t i o no fd a n g e r o u s s t r e s sp o i n t so nt h em o d e li sn e a r l yf i tt ot h a to nt h er e a lb o d yw h i c hi sm e a s u r e db yt h er o a dt e s l b a s e do nt h eo r i g i n a lm o d e l ，o t h e ra d d i t i o n a lp a r t ss u c ha st i r e s ，s u s p e n d e r s ，c h a i r s ， p a s s e n g e r s ，l u g g a g e s ，o i lb o xa n de n g i n ea r ea l s oa d d e dt of e mm o d e lo fb o d yi no r d e rt of i tt h e r e a ll o a d t h et r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i si nt i m ed o m a i nu n d e rat y p i c a lc a s e s - j u m p i n go v e ra b a r r i e r , i sc o m p l e t e d ，a n dt h et i m ed e p e n d i n gr e s p o n s ed a t ao np e r np o i n ti so b t a i n e d i tf i n d so u ts o m ed e s i g nv a r i a b l e st h a ta f f e c tt h es t i f f n e s so ft h ec a rb o d ym o r et h a nt h a to f o t h e r sb yt h es e n s i t i v i t ya n a l y s i s t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h es t a t i cs t r e s so fac a rb o d yi s c o m p l e t e d k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，c 盯b o d y , m o d e l i n g ，m o d a la n a l y s i s ，s t a t i ca n a l y s i s ， d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文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 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：扯导师签名：叠娩日期：业 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及立题意义 中国高速公路从零起步，经过十多年的建设，到2 0 0 6 年底，已突破3 万公里，高速公 路总里程位居世界第二。国民人均收入近1 0 年也快速增长，到2 0 0 6 年底，人均收入达1 7 0 0 美元。现代经济增长的历史表明，一个国家，当人均收入达到一定水平后，都会进入一个依 赖汽车进入家庭来拉动经济增长的阶段。汽车工业是产业关联度高、规模效益明显、资金和 技术密集的重要产业。正是因为汽车工业对上游产业和下游产业的发展有巨大的推动作用， 已被许多国家确定为国民经济的支柱产业。 中国汽车工业经历4 0 年的风雨历程，已形成了比较完整的产品系列和生产布局，建成 了第一汽车集团、东风汽车集团、上海汽车工业( 集团) 公司等大型汽车生产企业，国有汽 车市场占有量超过9 5 ，2 0 0 6 年一年的各类汽车的总产量为7 2 8 万辆。然而，与发达国 家如美国、德国、日本等国家相比，尚有很大差距，国产汽车始终在中、低档汽车市场徘徊。 一个主要原因是我国汽车的研发能力较差，尚未形成高水平的汽车产品开发体系和自主研发 能力。入世以后，关税降低和非关税壁垒逐步取消，尤其是服务贸易的开放，将使我国汽车 市场国际化，市场竞争将更加激烈，国内汽车工业面临前所未有的挑战。能否设计出“结构 合理、性能优良、安全舒适、价位低廉、符合国情”的新车型并迅速占领市场，将成为能否 赢得这场战争的关键。 汽车车身是汽车的主要组成部分，是汽车的三大总成之一，对于载客汽车，不仅要求外 观曲线流畅、色彩和谐，更重要的是应具有合理的结构以满足顾客对汽车的可靠性、行驶平 顺性、舒适性和优良的性价比的要求。因此，车身的结构设计已引起广大汽车制造商和汽车 研究机构的高度重视。 随现代科学技术的迅猛发展，工业生产方式正发生巨大的变革，先进的汽车生产方式不 断产生。继6 0 年代日本丰田汽车公司率先创造精益生产方式( l e a np r o d u c t i o n ) 之后，1 9 8 8 年美国通用公司和里海大学联合提出了敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟企业( v h - t u a l c o m p a n y ) 雎儿副概念，并有了已有付之实践的基础。建立在网络通讯技术、信息集成技术、 并行工程、仿真技术基础上的制造技术肯定要以新的设计方法为前题，虚拟设计( v i r t u a l d e s i g n ) 和虚拟实验( v i r t u a lt e s t ) ( 即c a d c a e ) 技术为全球设计与制造资源共享和快速 响应虚拟制造创造了条件，它实际已成为先进制造技术的一个组成部分。汽车车身结构和工 况复杂，试验和测试费用昂贵，更应该采用c a d 脚技术进行设计。发达国家的应用实践 证明，在车身开发的早期引入c a d c a e 技术能给企业带来巨大的经济效益，它大大缩短了 新车的开发周期，避免了使用大量样车进行试验( 开发周期缩减为以前的1 3 1 2 ，样车减 少3 0 - - 5 0 ) h 1 。车身的设计与开发由经验、类比、静态设计阶段步入数字化建模、静动 态分析、参数化优化阶段已成必然趋势。但我国汽车工业目前的状况主要是靠引进国外设计 的新车进行生产，在新车开发方面技术上还是依赖于国际上的大汽车公司，这显然与我国的 汽车制造大国地位不相称。本课题正是基于以上背景而设立的。 本课题的立题意义在于：利用有限元分析方法和优化设计方法，在产品设计阶段就能对 轻犁客车车身结构静、动态特性作出符合实际的预测并提出改进方向，使轻型客车车身结构 达到最优；为其他车身设计人员积累经验和数据；探索现代汽车车身结构的设计方法，以 东南人学硕士学位论文 促进国内车身自主开发能力的提高；培养自己的独立思考问题和解决问题的能力。 1 2 有限元分析方法和分析软件的发展 1 2 1有限元分析方法的发展历程 在计算机辅助设计技术中，c a e 技术对提高设计质量起着很关键的作用。而在c a e 技术 中，有限元分析方法和软件技术又占据了一个极其重要的位置。通常工程设计中，对复杂结 构的分析，常常很难得到解析解。一般用以下两种方法可以来克服这个困难：一种方法是对 复杂的问题做出种种简化，提出诸多假设，回避问题的难点，最终简化为一个能够解决的问 题。但这种方法通常由于过多的假设和简化，使得最终的解答不准确导致没有任何意义。另 一种方法就是尽可能的保留问题的各种实际情况，放弃封闭形式的解析解，尝试寻求满足工 程实际需要的近似的数值解。在计算机硬件条件和计算技术迅速发展的今天，后者成为比较 现实和有效的选择。目前在工程领域常用的数值分析模拟方法有：有限元法、边界元法、离 散单元法和有限差分法，用得最多的是有限元法。 有限元法是在2 0 世纪4 0 年代伴随航空业的飞速发展而产生，随计算机的发展而发展起 来的用于各种结构分析的数值计算方法。1 9 4 3 年，数学家r c o u r a n t 首次提出离散的概念， 他将一个连续的整体离散成有限个分段连续单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元的分 片连续函数和最小势能原理相结合求解扭转问题晦1 。1 9 5 6 年，美国波音飞机制造公司m j t u m o r 和r w c l o u g h 等人在分析大型飞机结构时，系统研究了离散杆、梁、三角形单元的 单元刚度表达式m 3 ，并求得平面应力问题的正确解答，从而开创了利用电子计算机求解复杂 弹性平面问题的新局面。1 9 6 0 年r w c l o u g h 在处理平面弹性问题时，第一次提出和使用了 “有限元方法”( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 这一术语。随后大量的工程师开始使用这一方法 来处理结构分析、流体问题、热传导等复杂问题。1 9 6 7 年0 c z i e a k i e w i c z 等出版了第一 本有关有限元分析的专著。1 9 7 0 年后，有限元方法开始应用于处理非线性问题。目前，有 限元法的应用已由求解弹性力学的平面问题扩展到空间问题、板壳问题；由求解线性问题深 入到非线性问题，如结构蠕变和疲劳分析；由求解静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题； 应用的学科从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等；应用的领域由弹性材料扩展到 弹塑性材料、水利工程、造船及原子能工程领域等。 随着国民经济和科学技术的发展，有限元法作为一个具有坚实理论基础与广泛应用效力 的数值工具，在我国得到了广泛的重视和应用。冯康教授早在六、七十年代，在水坝设计中 就应用了有限元法，并独立地发展出有特色的数学理论基础。八十年代后，随着美国s a p ( s t r u c t u r a la n a l y s i sp r o g r a m ) 和n a s t r a n ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n s t r u c t u r a la n a l y s i s ) 以及德国a s k a ( a u t o m a t i cs y s t e mf o rk i n e m a t i ca n a l y s i s ) 等大型有 限元通用程序的引进，使得国内有限元法的研究和应用都获得了迅速发展。 1 2 2 有限元分析软件的发展历程 有限元法的应用与实施离不开三个方面：计算原理、计算机软件、计算机硬件。这三个 方面互相关联，缺一不可。由于有限元法的广泛应用，世界各国都加强了对大型有限元分析 软件的开发与研制，并己研制出数十种火型的结构分析通用程序。2 0 世纪6 0 年代，美国加 州大学著名学者e dw i l s o n 开发了第一个大型通用有限元程序s a p 。他的学生j u r g e nb a t h e 2 第一章绪论 于1 9 7 5 年在m 1 1 r 创办了a d i n a 公司，开发了另一个著名的大型非线性分析软件系统 a d i n a ( a u t o m a f i cd y n a m i ci n c r e m e n t a ln o n l i n e a r a n a l y s i s ) 。布朗大学教授p e d r om a r c a l 于 1 9 6 7 年创建m a r c 公司，其研发的软件m a r c 在非线性分析领域占有重要地位。1 9 6 9 年，德 国斯图加特大学的学者a r g y r i s 开发了用于航空航天飞行器结构分析的大型商业化有限元 分析软件a s k a 。1 9 7 8 年，h i b b i t ，k a r l s s o n 和s o r e n s e n 成立h k s 公司，推出了有限元软件 a b a q u s 。1 9 6 3 年，由r m a c n e a l 博士和r s c h w e n d l e r 创办m s c 公司，其研发的软件 系统n a s t r a n 已成为航空航天领域的标准化结构分析软件。1 9 7 0 年，j o h ns w a n s o n 博士 在匹兹堡大学创办了s w a n s o n 公司( 后改名为a n s y s 公司) ，产品是a n s y s ，它是集结构、 热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件。 ? 由于计算机硬件领域在内存、外存、速度、图象显示方面取得了突破性进展，a n s y s 软件的最初版本与今天的版本相比有很大的区别。最初的a n s y s 只提供了线性结构分析和 热传导分析功能，是一个批处理程序，只能在大型计算机上使用。7 0 年代末，加入了非线 性、子结构功能，图形技术和交互操作方式也应用到a n s y s 中。经过近四十年的发展， a n s y s 软件的版本是已有1 0 多种，如今的a n s y s 功能更加强大，使用更加方便。最新版 本a n s y s l 0 0 融入了有限元能解决的大部分问题。它具有功能完备的预处理器和后处理器， 强大的图形处理能力，奇特的多平台解决方案，多种平台支持( w i n d o w sn t ，l 舢7 x ， u n ) ，以及利用a n s y s 参数化语言( a p d l ) 扩展宏命令。a n s y s 设计数据访问模块 ( d d a ) 支持许多领先的c a d 软件( p r o e n g i n e e r ，u n i g r a p h i c s ，a u t o c a d ，s o l i dd e s i g n e r ) ， 利用d d a 交互程序，用户可直接将数据读入a n s y s 进行分析，避免做重复工作。目前， a n s y s 拥有全球最大的用户群，成为国际上最流行的有限元分析软件。 1 2 3 有限元法的发展趋势 有限元法向着方法更有效、使用更方便和规模更庞大的方向发展。有限元法用来求解 大型复杂的工程问题时，要求在确保精度的前提下，耗费最小；有限元法正在探索研究混 合法和杂交单元，即位移法与应力法相结合。设计者日益强烈地希望把有限元程序与疲劳损 伤分析及疲劳损伤寿命估算结合起来；与c a d 软件的无缝集成和更强大的网格处理能力 旧1 ，加强有限元软件的协同工作能力；由单一的结构场求解发展到耦合场问题求解；程 序面向用户具有开放性。例如：允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自 定义单元特性、用户自定义材料本构( 结构本构、热本构、流体本构) 、用户自定义流场边 界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。 1 3 结构优化设计方法 传统的机械设计是通过类比的方式，选出较好的方案加以采用。这种选优方式基本是凭 经验进行，有很大的局限性。5 0 年代末数学规划法被首次应用于结构优化，加上计算机的 广泛应用，促进了优化设计理论的发展和完善。结构优化设计作为一门独立学科，可以从 s c h m i t l a 在1 9 6 0 年的论文算起，至今已经4 7 年。纵观结构设计的历史，人们学会用力 学分析设计复杂结构是结构设计中的第一次飞跃。在二十世纪5 0 年代初6 0 年代末，国内外 发展和完善了有限元理论，有限元法成为工程数值分析的有力工具，其在结构分析上的应用 使力学分析真正系统和全面地付诸于工程应用：结构设计中的第二次飞跃发生于结构优化的 理论发展和实际应用阶段，它是结构分析理论与方法( 尤其是有限元理论) 、各种实用的数 3 东南大学硕士学位论文 值计算方法及计算机发展的结果。设计时可以根据机器使用和运行的要求，按照力学理论， 建立起数学模型，借助于优化的理论和方法得出最优设计来。其中，有限元方法是结构优化 设计的基础之一，有限元分析中得到的无论是结构在外载荷下的力学响应量，还是其对设计 变量的导数，都是结构优化必不可少的信息。 优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可 以满足所有的设计要求，而且所需的支出( 如重量，面积，体积，应力，费用等) 最小。也 就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，比 如说：尺寸( 如厚度) 、形状( 如过渡圆角的大小) 、支撑位置、制造费用、自然频率、材 料特性等u u 引。概括地说，优化设计就是以数学规划理论为基础，以计算机为工具，优选 设计参数的一种现代设计方法。 进入2 l 世纪，工程设计人员应用最优化方法进行优化设计是必然趋势。目前优化应用 的面与实际成效远落后于优化理论的进展。一方面优化设计方法和程序的研究成果突出；另 一方面是应用于工程设计实际、形成产品、取得效益的却屈指可数，形成了强大的反差。原 因是多方面的，主要是机械产品整机数学模型难以建立，也就是说优化模型中的目标函数或 约束函数不能建立对设计变量的数学表达式，因而难以进行优化计算。然而，随着功能强大 的图形c a e 软件包的商品化以及人工智能技术的发展和应用，结构优化设计软件己由单纯 对设计变量的求解向c a d c a e 一体化方向发展。将有限元分析方法和优化搜索技术充分结 合起来，使结构优化设计突破了传统的结构设计格局，既能缩短了设计周期，又能提高了产 品的性能。 1 4 车身有限元分析和结构优化技术的研究现状 1 4 1 汽车车身有限元设计的基本步骤砖3 1 应用有限元方法对汽车的零部件和整车结构进行静、动态分析和动力学仿真，是研究汽 车可靠性、寻求最佳设计方案的主要手段，有限元分析已成为c a d c a e 技术的重要环节。 当前汽车车身有限元设计的基本思路是：建立车身结构的三维c a d 实体模型，然后对实 体模型进行合理简化，建立车身结构的有限元模型，并通过试验结果修正模型使之尽量与实 物相符；用c a e 软件对车身进行静态和动态分析，获得应力分布、变形分布、内力分布、 固有频率、主振型等数据；在模拟路况和约束条件下做动态响应分析：对车身零部件做 疲劳和可靠性分析；对车身结构进行参数优化；通过c a d 技术绘制优化后的车身结构 并最后定型生产。以上过程的许多理论还不成熟、不完善，尚有许多问题需研究和解决。 1 4 2 国外研究现状 有限元法用于汽车车身结构设计、分析是从2 0 世纪7 0 年代开始的。r j m e i o s h ，k k i r i o k a ，th i r a m 等人7 0 年代初在美国s a e 杂志发表了一系列介绍汽车有限元模型的文章。 福特汽车公司在7 0 年代就使用n a s t r a n 软件，用板、梁单元进行车身的静态分析，找出 了高应力区，并改进应力分布。8 0 年代初，日本五十菱汽车公司已将c a l 应用于车身设计 的各个阶段，从最初设计阶段的粗略模型到设计中、后期的详细模型，分析范围包括强度、 刚度、振动、疲劳、碰撞分析和形状、尺寸、重量的优化。早期的有限元模型是粗略自车身 模型，通常采用以梁单元为主的框架结构模型，在连接部位用等效简化模型代替相应部位的 4 第一章绪论 详细模型进行后续分析或设计。后来，随着计算机硬件技术的发展和试验条件、分析手段的 提高，模型中已经逐步包括悬架、发动机、轮胎和转向机构等汽车结构件。模型的规模和精 度也得到了很大的提高，福特公司在开发某款轿车时的分析模型已拥有约1 0 0 万个节点，且 计算结果与试验结果相当吻合。后期分析的范围已包括强度、刚度、疲劳以及形状和重量的 优化，并将研究重点集中在提高车身的n v h ( 振动、噪声和舒适性) 性能上。 1 4 3 国内研究现状 1 9 7 7 年长春汽车研究所的谷安涛、常国振在汽车工程上发表“汽车车架设计计算 的有限元法”揭开了中国汽车工业计算机辅助设计的序幕n 引。8 0 年代，利用有限元分析汽 车结构在我国逐步推广应用，清华大学的官飞、北京第二汽车制造厂的冯保义、吉林工大王 裴在车身建模上做了大量研究钔n 引，李承德进行了整车的平顺性分析6 1 ，赵济海等人进行 了路面激励工况的研究。9 0 年代后，有限元的应用向广度和深度发展，对路面谱剐及汽车 输入谱u 引的研究在继续开展，对汽车结构的模态试验、分析和动力学修正也开展了研究 儿捌。吉林工业大学的乔淑平等人采用板壳单元对某款轿车白车身进行了有限元建模， 并计算了主要零部件对车身扭转和弯曲刚度的影响，提出了提高车身扭转和弯曲刚度的最优 方法引。郑州工业大学的秦东晨等人利用梁单元和板壳单元建立了轻型货车的驾驶室有限 元模型。以车身的长、宽、高和前围、地板、项盖的厚度为设计变量，以车身重量为目标函 数，考虑性能、频率、位移等约束条件，对车身进行了优化分析心引。贵州工业大学的楚甲 良等人对某厂轻型客车采用三维弹性梁单元进行了有限元建模，并进行了车身可靠度分析 引。清华大学的马幼鸣等人用超参数厚壳单元对某轻型越野车车身骨架建立了有限元模型 并进行了静态工况分析，用刚度敏感尺寸法对车身骨架结构进行了优化旧。国内几乎所用 大型汽车生产厂均买入了有限元分析软件进行汽车开发。 目前，车身结构的c a e 设计的不足之处有：由于软硬件对计算建模规模的限制，模型 的细化程度还不够，因而分析的结果还比较粗略；工程实际模型修正的理论和方法有待完善； 工程分析主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、噪声、外流方面的模拟计算则刚 刚起步；结构分析的数据积累工作还不够完善；由于不同国家和地区路况的差异，研究我国 典型路谱激励下各种车型车身疲劳寿命与可靠性分析方法无疑具有重大现实意义。 1 5 本课题研究内容 本课题主要利用c a e 领域居领先地位的大型通用有限元分析软件a n s y s 作为分析工 具，对南京跃进汽车集团某型号的轻型客车车身结构进行静、动态分析，并根据分析结果对 车身结构进行几何参数优化研究。结合以前的研究、国内外发展现状及生产实际的需要，确 定本文的研究内容为： ( 1 ) 掌握有限元技术的基本理论和有限元法的运算方法，为下一步对实际产品的分析 和优化设计打下理论基础。 ( 2 ) 熟悉轻型客车车架的结构和受载特点，建立车架的有限元模型：对车架模型进行 静、动态分析，并通过试验验证车架建模精度。 ( 3 ) 探讨点焊、螺栓连接等连接界面和带凸凹槽的地板及翻边等局部结构的建模方法； 5 东南大学硕七学位论文 建立白车身和整车的有限元模型，并研究蒙皮对车身性能的影响。 ( 4 ) 对整车进行模态分析和静态扭转分析，获得车身的固有频率、振型和静态应力、 应变，分析计算结果的可靠性。根据各参数的计算结果，分析车身结构的薄弱环节并以此 作为车身结构改进和优化设计的依据。 ( 5 ) 建立详细的整车动力学模型。完成客车越过障碍的动态仿真，获取车身危险部位 的瞬态响应应力。 ( 5 ) 对模型进行静态灵敏度分析。根据分析结果，选择合适的参数为设计变量，对车 身结构进行优化设计。 1 6 本章小结 本章概述了有限元法的发展概况、发展趋势及优化设计方法和它的发展现状；阐述了本 课题的背景、研究意义和主要内容。 6 第二章车身结构分析中的有限元理论 第二章车身结构分析中的有限元理论 2 1 有限元法的基本原理及分析计算过程 2 1 1 有限元法的基本原理瞻町啪1 传统的解决力学问题的方法是：应用弹性力学理论建立平衡条件、变形几何方程、材料 物理方程，然后，通过协调方程建立以力或位移为未知数的偏微分方程组，在一定边界条件 下求解并得到结构的应力和位移。由于实际工程结构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，比较常用的是有限差分 法和有限单元法。这两种方法都是由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有不规则几何形状和复杂边界的方程 的求解，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，而是将连续的结构离散成有 限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作只在节点处相连接的一组单元 组合体，由每一个单元内假设的近似函数来表示求解域上待求的未知场函数，单元内的近似 函数通常由未知场函数在各个单元节点上的数值及插值函数表达，未知场函数的节点值就作 为新的未知量，节点值得到后，就可利用插值函数确定单元组合体上的场函数。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， 并且能够更好的逼近曲线边界。 2 1 2 有限元分析的过程畸羽 有限元分析的的力学基础是弹性力学，而方程求解的原理是采用加权残值法或泛函极值 原理，实现的手段是数值离散技术，最后的技术载体是有限元分析软件。在处理实际工程问 题时需要基于计算机硬件平台来进行处理，因此，有限元分析过程包括结构的建模、力学方 程和方程求解、后处理三个过程。 ( 1 ) 建模阶段 此阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元模型，从而 为有限元数值计算提供必要的输入数据。有限元建模的中心任务是结构离散，也就是网格划 分。但必须要处理许多与此相关的工作：如结构形式处理、几何模型建立、单元特性定义、 单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等。 建模是整个有限分析过程的关键所在。首先，有限元模型中为计算提供原始数据要精确， 这些输入数据的误差将直接决定计算结果的精度；其次，有限元模型的形式将对计算过程产 生很大的影响，因此合理的模型既能保证计算的精度，又不至于使计算量太大和对计算机存 储容量要求太高；再次，由于工况条件和结构形状的复杂性，要建立一个符合实际的有限元 模型并不容易，它要考虑的综合因素很多，对分析人员提出了较高的要求。因此，建模所用 的时间在整个分析过程中占最大的比重，大约占整个分析时间的7 0 。因此，把主要精力 放在模型的建立上以及提高建模速度是缩短整个分析周期的关键。 7 东南人学硕： ：学位论文 ( 2 ) 计算阶段计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算。由于这一步运 算量非常大，所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成。模型中一般包 括以下三类数据：一是节点数据，包括每个节点的编号、坐标值等；二是单元数据，包括单 元编号和组成单元的节点编号、单元材料特性( 如弹性模量、泊松比、密度等) 、单元物理 特征值、单元的截面特征值( 如截面面积、惯性矩等) 、相关几何数据等；三是载荷和边界 条件数据，包括位移约束数据、载荷条件数据、热边界条件数据、其他边界数据等。 ( 3 ) 后处理阶段 后处理的任务是对计算输出结果作必要的处理，并按一定方式显 示或打印出来，以便对结构性能的好坏或结构设计的合理性进行评价，并作相应的改进或优 化，这才是进行结构有限元分析的目的所在。 2 1 3 有限元分析的计算步骤口7 1 下面以静力分析为例说明有限元分析的计算过程。 ( 1 ) 结构离散化q = q 。 ( 2 一1 ) 式中q 。为具有某种特征的单元。 ( 2 ) 单元分析 节点描述 q 。= l hz 以一】 ( 2 2 ) 单元位移场模式 “( 芋) = a o + 口，乡+ + 口厅，占”1 ( 2 3 ) 式中亭为几何坐标，4 l 、a 2 、a n 为待定系数。 物理量的表达 单元位移“= n ( 亭：) 口q ( 2 - - 4 ) 式中n ( 亭) 为插值函数矩阵 单元应变= b ( 亭) 口q 。 ( 2 5 ) 式中b ( 亭) 为几何函数矩阵 单元应力仃- dl b ( 亭) u q 一s 口q 。( 2 6 ) 式中d 为弹性矩阵，它只与材料的弹性常数e 、有关：s ；d 【卫( 宇) 为应力矩阵。 单元势能兀。i 1q 。7 k 。q 。一p 。7 q ( 2 - - 7 ) 式中k 。= ，b 7 d b d q 为单元刚度矩阵：p = r e + f 为节点力，含施加在节点上的外力r 和作用在约束上的支反力r 。 第二章车身结构分析中的有限元理论 单元力平衡关系k 。q 。tp (2-8) ( 3 ) 装配集成 整体平衡关系k口q=p(2-9) 其中装配关系为：q = q 。，k - k ，p - p 。，并且p 由施加的所有外力f 和作 用在约束上的所有支反力r 组成，即p = r + f 。 ( 4 ) 边界条件b c ( u ) 的处理和求解节点位移和支反力 对于由装配得到的整体刚度方程( 2 - - 9 ) ，就挺体节点位移q 而言，可以分解为对应力 边界条件b c ( p ) 的节点位移吼( 未知) 和对应于位移边界条件b c ( u ) 的节点位移q 。( 已 知) ，就整体节点力p 而言，可以分解成对应于力边界条件b c ( p ) 的节点力f t ( 已知) 和 对应于位移边界条件b c ( u ) 的节点力比( 支反力) ，即 q ； q 。q 。了，p i f 。r 。】r 因此，将方程( 2 - 9 ) 写成分块矩阵形式，有 【k k ，1k k 小 q _ 1 0 ) 由( 2 - - 1 0 ) 式可求出节点位移和支反力 q 。- ki 1 ( f i k2 qt)(2-11) r 。；k 3 q 。+ k 4 q t = k 3 k i l ( r k 2 q ) + k 4 q i ( 2 - - 1 2 ) ( 5 ) 其它力学量的计算 回代式( 2 - 5 ) 和式( 2 - - 6 ) ，则可计算单元的应变及应力： 一bd q。(2-13) 盯= d 0b口q(2-14) 2 2客车车身分析中用到的有限元模型单元 有限元分析的第一步是要将丁程问题转化为有限元模型，而建模的关键是选择合适的单 元来模拟实际结构。本文研究的客车车身是由开口和闭口的薄壁板件组成的板壳型空间结 构。考虑到这些薄板冲压件既要能抵抗平行于其平面方向的拉压力，又要能抵抗弯曲和扭转 载荷，应选用符合这两种载荷特性的单元类型。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，很难找到合适的梁单元参数，以符 9 东南人学硕十学位论文 合薄板冲压件在应力与应交上的各种关系，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的分割， 能够充分描述这些零件的各种特征，因此，板壳单元才是车身大部分零件进行有限元模拟分 析的合适单元类型。故在对车身结构进行分析时，主要运用a n s y s 软件中的s h e u 石3 壳 单元，辅以b e a m 4 空间梁单元建立该车车身及其部件的有限元模型阳小制。 2 2 1s h e l l 6 3 单元3 s h e l l 6 3 是一种典型的壳单元，它既具有弯曲能力，并具有膜力。单元每个节点具有 6 个自由度：u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 、r o t z ，可以用于应力刚化和大变形能力的分 析。 s 肛u 石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2 一l 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，只需输1 1 “i ) 即可。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x o y 平面重合，但单元的x 轴可以转动一个 角度，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。 对s h e u 巧3 可以在单元节点施加力和力矩，也可以在单元的平面上施加面力( 单元面 积上的力) 以及在单元的边界上施加线力( 单位长度上的力) ，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体力。s h e l l 6 3 单元通过计算 能够输出的结果主要包括：节点位移；单元绕x 轴、y 轴的弯矩：单元扭矩；单 元在平行于各坐标轴方向的应力( 各主应力及综合应力) 。 x i b 了 z 呈- 2 | k k 。l j 图2 1弹性壳单元s h e l l 6 3 结构 2 2 2b e a m 4 空间梁单元乜刀 本文中用到的梁单元为b e a m 4 ，单元结构如图2 2 所示。该单元有两个节点，每个 节点有6 个自由度：u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 、r o t z 。 空间梁单元除承受轴力和弯矩外，还可能承受扭矩的作用，而且弯矩可能同时在两个坐 标面内存在。图2 3 所示为一局部坐标系中的空问梁单元，其长度为，弹性模量为e ，横 截面的惯性矩为l z ( 绕平行于z 轴的中性轴) 和l ，( 绕平行于y 轴的中性轴) ，横截面的扭 转惯性矩为j 。 1 0 第二章车身结构分析中的有限几理论 如 t 务妒1 势m 蚴 图2 - 2 空间粱单元结构 对应于图2 2 中空间梁单元的刚度矩阵如下： kp 。 ( 1 2x 1 2 ) 尉 ， o 0 o 1 2 z _ ， z f 3 o oo 0 0 刨 f 0 0 o 6 e i 兰 f 2 0 0 oo 0 1 2 日 ) ， j 3 o 6 e l y z 2 o 0 0 甜 ， o o 0 6 e 1 f 2 0 4 e l y f 0 00o 1 2 r 一彳o oo 1 2 e o 一彳 oo 0 o 6 e 1 0_# z z o 6 e l y f 2 0 6 e l 0 去 l z 一旦o ， 2 e l 0 f 00 o一丝 ， 6 e i _ 0 f 二 oo 0 1 2 e ， f 3 o o o