（光学工程专业论文）nj1020客货两用车车身有限元分析.pdf

摘要 r3 9 6 9 5 针对跃进汽车集团n j l 0 2 0 客货两用车存进行强制性试验 过程中连接板局部出现强度不足的情况，根据车身结构特点， 利用大犁机械c a d c a e 软件i - d e a s 建立了n j l 0 2 0 整体车 身的有限元模型，分别讨论1 r 车身在对称垂亢载荷工况、扭 转l 况及弯扭上况下的静强度特性和刚度特性。为了使车身 分析更加符合实际使用工况，本文对车身的动态特7 r 进行了 分析，包括模态分析与响应分析。分析结果表明，n j l 0 2 0 客 货两用车车身前部刚度偏小，后部刚度偏大，在车身弯曲和 扭转时，导致车身局部变形1 i 均匀而产生集r 1 1 应力。7 根据n j l 0 2 0 客货两用车的结构和t 艺特点，本文对车身 提出了必要的改进措施，即采用整体改进与局部改进相结合 的方法来降低车身连接板局部的集中应力，并通过动态分析 刘改进措施进行了验证。分析结果表明，本文所提出的改进 措施能够仃效地降低危险部位的应力幅值，大大缓解了车身 局部应力集中的现象。 、 关键词：乍身，有限元，强殷，刚度，模态分析，响应分析 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec a rb o d yf e mm o d e lo fn j l 0 2 0e s t a t e w a g o n w a ss e tu pt od e a lw i t ht h ep r o b l e mt h a tt h ec o n n e c t i o ns t r e n g t h i sl a c kb e t w e e nt h ef o r e s i d ea n dt h er e a r w a r do ft h ec a rb o d y , a n dt h e s t a t i cs t r u c t u r a ls t r e n g t ha n ds t i f f n e s su n d e rd i f f e r e n tt y p i c a lo p e r a t i n g m o d e sw e r ea n a l y z e db yu s i n gl a r g ef i n i t ee l e m e n ts o r w a r ei - d e a s s y s t e m t om a k et h ea n a l y z i n gr e s u l t sm o r er e a l i t y , t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cw a sp r o c e s s e di nt h e f a c e to fm o d ea n dr e s p o n s e t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tc o n c e n t r a t e ds t r e s sa p p e a r si nt h ec o n n e c t i o no f t h ec a rb o a yb e c a m et h ef o r e s i d er i g i d i t yo fn j10 2 0e s t a t ew a g o ni s w e a k e rt h a nt h er e a r w a r dw h e ni tb e n d sa n dt w i s t s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec a rb o d y , s o m em e a s u r e s w e r et a k e nt oi m p r o v et h es t r e n g t ha n dt h er i g i d i t yo f t h ec a rb o d y , a n d t or e l a xt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nb yc o m b i n i n gt h ei m p r o v i n gm e a s u r e s o f i n t e g e ra n dp a r t a tl a s t ，t h ee f f e c t so f t h ei m p r o v i n gm e a s u r e sw e r e v a l i d a t e db yd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e i m p r o v i n gm e a s u r e sw e r ee f f e c t i v e t o d e p r e s st h e s t r e s so ft h e d a n g e r o u sp a r t k e y w o r d s ：c a rb o d y , f e m ，s t r e n g t h ，r i g i d i t y , m o d ea n a l y s i s ， r e s p o n s ea n a l y s i s 一堡堡 _一一一 1 绪论 1 1 论文选题背景 随着市场经济的迅速发展，作为国民经济支柱产业的汽车工业面临着 严峻的挑战。由于我国汽车工业起步较晚，与世界上发达国家还有一定的 差距，所以，如何借鉴他们的成功经验，结合自己的实际，积极发展我国 的民族汽车工业，则是目前我国汽车工业面临的重要课题。 南京跃进汽车集团公司于1 9 9 6 年开始引进西班牙轿车生产线，所生 产的车型为意大利8 0 年代产品，为了适应我国汽车市场的需求，集团公 司于1 9 9 7 年对n j l 0 2 0 客货两用车货厢部分进行了改造设计，由于n j l 0 2 0 客货两用车车身前项部分采用的是西班牙进口模具图纸，技术成熟，跃进 汽车集团车身设计人员仅需对货厢部分进行设计，然后将其与车身前顶部 分进行焊接，形成整体车身，企业将其命名为尤尼柯( u n i q u e ) ，如图1 1 1 、 1 12 所示。 图1 1 1 尤尼柯客货两用车外形图( 一) 然而，在对样车进行路面强制试验时，发现该车行使3 万公里后，前 后顶连接部分可能存在强度不足问题。那么如何对其进行修改和调整以满 足性能指标要求就成为迫切需要解决的技术难题，本课题即在此背景下确 定的。论文将在分析n j l 0 2 0 客货两用车车身结构特点的基础上，首先对 n j 1 0 2 0 车身进行三维实体建模，然后进行有限元网格划分和解算，分析 1 身强度和刚度，讨论车身主要零部件对车身客货厢连接部分的影响，找 向京理t 人学硕士学位论文第1 页 出其中薄弱环节，努力提高车身客货厢连接部分的强度，为车身的改进设 计提供理论参考和指导性建议。 图1 1 2 尤尼柯客货两用车外形图( 二) 1 2 论文目的和意义 本课题的研究目标是以n j l 0 2 0 客货两用车车身为研究对象，对其进 行有限元建模，通过结构的静动态特性分析，探索车身局部出现强度不足 的根本原因，并提出最终的改进设计建议。 课题的实施具有非常重大的现实意义，主要表现在： ( 1 ) 课题的实施不仅能够解决工厂中的实际问题，而且对合作双方 理论水平的提高都具有重要的意义。 ( 2 ) n j l 0 2 0 客货两用车是南京跃进汽车集团从意大利引进的产品， 在欧洲市场深受欢迎，引进后经南京跃进汽车集团技术人员的改进，使之 更加符合中国国情，其独特的外形，强大的动力和宽敞的内部空间受到广 大用户的欢迎，但由于车身强度的不均匀分布，使整车性能存在很大的潜 在问题，因此，南京跃进汽车集团迫切需要利用现代科学的分析方法来寻 找连接板应力集中的原因并提出改进措施，从而彻底解决车身局部出现裂 纹这一实际问题。 ( 3 ) 课题的实施对于利用现代设计与分析方法来解决实际问题能力 南京理工人学硕士学位论文 第2 页 绪论 的提高也具有重要的意义，同时也积累了车身有限元建模的经验，提高了 车身结构设计与分析的水平。因此，无论从哪一方面来说，本项研究都可 以称之为一项很有意义的工作。 1 3 有限元发展与现状 由于计算机的出现和发展，力学领域也随之发生了巨大的变革，以有 限元法为代表，包括有限差分法、边界元法、加权残数法等一系列离散数 值计算方法，在近几十年来得到了蓬勃的发展，它的使用范围也越来越广， 并逐渐形成了一门与固体力学、流体力学和一般力学并列的新学科一计 算力学。 就有限元法来说，近3 0 多年来，它的应用范围已从杆、梁类结构分 析扩展到了对弹性力学平面问题、空间问题以及板壳问题分析，由分析静 态问题扩展到分析动态问题、波动问题和稳定问题，分析对象也从弹性介 质材料扩展到粘弹性、塑性等复合材料。由此可见，有限元法已获得了前 所未有的巨大发展。 在工程实践当中，有限元可对几何形状不规则、载荷和支撑情况复杂 的各种结构及零部件进行变形计算和应力分析，这是经典力学所不能及 的。由于有限元这一无可比拟的优越性，有限元法在飞机、船舶、汽车和 拖拉机等机械产品的设计中都得到了广泛的应用。 目前，国内外软件设计部门开发了大量的有限元分析软件，其中比较 流行的有限元分析软件及应用范围如下表所示： 表1 3 1 常用有限元软件及应用范围 应用范围 热 冲粘桥 气转 结 框 程 非 塑断应厚管船 悍 结瞬薄复动子 构 序名 线击弹梁a 弹轴架 称( 开发 性 性裂力板道舶接构态板口 稳 国家及单位入 分 分分与厚 系结 波性与 材性承分 析 析析蠕r统构 传 问优分薄 绗 定 播 题 问 化析冗 架 料力系析 变 题性 学 统 a d i n a ( 美国) a n s y s ( 英国) 南京理工大学硕士学位论义第3 贞 n a s t r a n ( 美 国1 s a p ( 美国) a s k a ( 德国) m a r c ( 美国) i - d e a s ( 美国1 d d j ( 中国大连 理工大学) d d u ( 中国大连 理工大学1 x j f s ( 航空部八 院1 t a p 3 ( 中国清华 大学) 由上表可以看出，通常情况下对于属线形、薄板薄壳问题的车身来说 上表中有多种软件可用于车身作静动态分析。 1 4 车身有限元法的研究现状 在7 0 年代初，欧美国家就已经在车身结构分析中采用有限元方法， 并能够较好的模拟、分析车身的静动态特性。在这段时期内，国外各大汽 车公司相继对多种品牌的轿车2 1 或大客车口1 建立了简化的有限元模型，但 他们对这些研究对象大都只进行了某一方面的分析，或只进行了强度分 析，或只进行了动态分析，而很少对车身结构进行全面的动、静态分析。 国内在8 0 年代初开始进行汽车有限元方面的研究，对汽车车身结构 的有限元分析进行了一系列的探索并积累了大量的经验，这些经验对提高 我国汽车的设计水平起到了很大的促进作用。但由于条件( 如计算机软硬 件) 的限制，国内的许多学者对整车进行建模时多采用梁单元或壳单元与 梁单元相结合的混合建模方法，虽然节省了空间、提高了运行速度，但同 时也降低了计算精度。近几年国内也有学者全部采用壳单元对整车进行建 模，如东南大学机械系的孙凌玉等人就全部采用壳单元对依维柯轻型客车 车身进行了建模4 1 。 目前在有限元建模过程中的难点与重点主要表现在模型简化与焊点 模拟这两个问题上。虽然理论上要求建立的有限元模型与物理模型相似， 南京理工大学硕士学位论文 第4 页 绪论 但这样也增加了模型的规模，降低了建模效率，因此在建立车身有限元模 型时，对车身结构进行合理简化是必要的，但至今并未有人对车身典型结 构简化作过专门研究，所以目前车身建模还主要凭借经验与技巧，缺乏系 统性与原则性。对于焊点的模拟东南大学则有学者进行过专门的研究，并 提出了一些自己的理论与方法，经实验验证后，其理论与方法是合理的。 在进行n 儿0 2 0 客货两用车车身有限元建模时，对涉及到的焊点问题在参 考他们的研究成果并考虑其它因素后选用了刚单元来进行模拟1 5 】。 1 5 课题的研究内容 根据课题的基本要求，本文主要在以下几个方面开展了工作： ( 1 ) 对n j l 0 2 0 客货两用车的车身结构、有限元的基本理论、有限元的 基本方法以及有限元软件的特点进行了分析。 ( 2 ) 利用1 - d e a sm a s t e rs e r i e s6 0 软件，建立了n j l 0 2 0 客货两用车车 身部分的有限元模型，包括选择有限元单元的类型、确定载荷、选择计算 工况、确定边界约束条件等。 ( 3 ) 对n j l 0 2 0 车身结构进行了静态分析。车身结构的静态分析包括两 个方面，结构的刚度分析与强度分析。刚度分析包括弯曲刚度和扭转刚度 分析，本文分别讨论了车身主要零部件对n j l 0 2 0 车身弯曲刚度与扭转刚 度的影响。对于强度分析本文主要在三种典型工况下讨论了车身的应力分 布以及位移，并对静力条件下车身的改进设计提出了合理的建议。 ( 4 ) 对n j l 0 2 0 客货两用车进行了动态分析。动态分析包括模态分析与 响应分析两个方面。通过对n j l 0 2 0 客货两用车的模态分析，从宏观的角 度来分析该车的刚度和强度的分布状况。而通过响应分析又可以确定该车 在通过某些典型路况时局部应力随时间历程的变化情况，这样则从另个 角度对n j l 0 2 0 车身强度进行分析检验。 南京理工人学坝士学位论文 第5 强 有限元模型的建立 2 有限元模型的建立 2 1 有限元法基本原理与方法 2 1 1 有限元法基本原理 有限元方法最基本的出发点是将分析对象的结构或实体分划为有限 个微小单元体，这些微元体称为“单元”，两相邻单元间只通过节点相连 接。将作用在结构体上的外载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向 量，以这些单元体的集合替代原来的连续结构实体，这一过程称为连续体 的离散化”1 。 离散化过程就是将被分析的工程实体简化为有限元计算模型的过程， 因此也称为模型化过程。有限元方法是在离散化的模型上求解，将复杂的 连续弹性体上分析的问题转化为在离散化的模型上解一个多元代数方程。 有限元方法的求解过程简单，方法成熟，但计算工作量大，这特别适合于 计算机计算，避免了人工在连续体上求分析解的数学困难，这就是有限元 方法广泛应用于复杂结构力学分析的原因。 有限元方法按照节点基本未知数可分为位移法、应力法和混合法。应 用最多的是位移法。 在位移法中，通常选取多项式函数近似地表达单元体内位移分量的分 布，这一通过节点位移表达单元内部位移规律的函数称为插值函数，不同 单元形式可以有不同类型插值函数。有了插值函数，即可利用变分原理建 立单元节点力向量和节点位移向量之间的关系，即单元刚度矩阵。应用节 点力平衡条件和协调条件，将所有单元刚度矩阵方程扩展后叠加，建立结 构整体节点力和节点位移的关系方程一结构总刚度方程，结构总刚度 方程是一个以节点向量为基本未知数的代数方程组。引入约束条件后即可 用计算机求解结构节点位移，代入单元刚度方程后即可求得节点力和各单 元内部应力和应变分量。 2 1 2 有限元方法与步骤 南京理丁大学硕t 学位论文第6 页 有限元模型的建立 有限元方法就是根据现实对象的实际结构利用c a d 软件建立三维实 体几何模型，将三维实体模型离散化，并将结构体所受实际载荷分别作用 到各单元体上，最后求出各单元体节点力和位移。 有限元分析的具体步骤是：一离散化，即划分单元或网格；二施加 载荷，描述约束；三计算各个单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程；四求 解结构整体刚度矩阵，建立结构整体平衡方程；五求解线性代数方程组， 得出各节点位移，由节点位移求各单元节点力；六显示处理计算结果。 在上述各步骤中，第一、二步可以划入前处理过程，第六步可以称为 后处理，其余几步则是主要的计算过程。因此上述步骤也可以归纳为如下 几个主要部分： 回一函一固e 五基习 ( 1 ) 离散化 将原来连续的单元体，假想地分割成为一个离散的结构，这一离散化 的结构由有限多个形状简单的构件构成，这些有限大小的构件称为有限单 元或简称单元，相邻单元在节点处连接在一起，因此有限元法的计算模型 实际上是一个仅在节点处连接，仅靠节点传力的有限个单元的集合体。单 元的形状和数目可以根据计算精度的要求和使用的计算机的性能等合理 选择。 ( 2 ) 单元分析 单元分析的主要目的是建立单元刚度矩阵k p ，根据刚度矩阵便可 进一步得出单元节点力和节点位移的关系。单元刚度方程的矩阵形式可表 示如下： f ) 8 = k h 妒 ( 2 1 1 ) 其中： f 一一单元节点力矩阵 丘一单元刚度矩阵 占一一单元节点位移矩阵 由此可见，单元刚度矩阵反映了节点力与单元节点位移之间的关系。下面 南京理工大学硕士学位论文 第7 页 有限元模型的建立 以平面单元为例简要叙述单元刚度矩阵建立的具体过程。 确定位移模式 单元分析的第一步，对连续介质来说也是最关键的一步是由单元的节 点位移来表示单元内任一点的位移。为求单元内任一点( l y ) 的位移 ( “，v ) ，可以先把“、v 假设为x 、y 的某种函数，这种作法称为选取位 移模式。以三角形单元为例，单元内任一点( x , y ) 的位移可表示为： uv(xz,，y)=：ai。+a2x+a3yy b b 2 x b 3 y ( 2 1 2 ) lv ( z ，) = l + + 、_ 7 在选取位移模式后，经过变换便有关系式： p ( x ，_ y ) j = n ( x ，y ) 淞( 2 1 3 ) 其中： p b ，y ) 一一单元内任一点位移矩阵 n ( x ，y ) ) 一一形状函数矩阵，由位移模式得出 扮p一一节点位移矩阵 由节点位移求应变 在弹性力学问题中，节点内任一点位移与应变之间的关系可由如下几 何方程来确定： a u 。 a x 其中： ，一一“方向的节点应变 。一一v 方向的节点应变 y ：。一一垂直于“向平面且与v 向平行的切应变 而节点内任一点位移又可由单元节点位移来确定( 见式2 1 3 ) ，代入式 ( 2 1 4 ) 后，便可得单元内任一点应变与单元节点位移之间的关系，简化成 矩阵方程为： = 【b ( 2 15 ) 南京理1 大学硕士学位论文 第8 页 钟q 加西 旦砂砂 勺 = 有限元模型的建立 其中： 一一单元内任一点应变 陋1 一一几何矩阵，其中各元素均为只与单元性质有关的常量 拈一一单元节点位移 由应变求应力 利用弹性力学中的弹性方程就可由单元应变求出单元节点内应力，写 成矩阵方程形式如下： = d 】 ( 2 16 ) 其中： 仃 一节点内任一点应力 l d l 一弹性矩阵 s 一节点内任一点位移 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 6 ) 则得： 缸) = 【0 1 8 1 8 = p 1 8 ( 2 1 7 ) 其中：陋】一一矩阵陋】与弹性矩阵【d 】的点乘，为一常量矩阵 由应力求节点力 由虚功原理可求得单元节点力与单元内任一点应力间的关系为： “) = 陋r 盯凇( 2 1 8 ) 其中：伊一一单元节点力矩阵 渊7 一一几何矩阵的转置 口 一一节点内任一点应力 ，一一单元厚度 一一单元面积 将式( 2 1 6 ) 代x ( 2 1 8 ) 可得： f 。= 时 d i b 弦t a = i x 8 刚。( 2 1 9 ) 即： 护 。= k p 。 至此，便得到了单元节点力与单元节点位移之间的关系，也得出了平面三 角形单元在此位移模式下的单元刚度矩阵表达式： x l 。= 陋r d i b 弘( 2 1 1 0 ) ( 3 ) 整体分析 南京理工人学硕士学位论文 第9 页 有限元模型的建立 相应的，整体分析的目的就是将单元刚度矩阵组合为整体刚度矩阵， 组合整体刚度矩阵一般使用刚度集成法。首先，把单元刚度矩阵扩大成单 元的贡献矩阵，然后，把各单元的贡献矩阵迭加，即可得到整体刚度矩阵。 事实上，在用计算机实现上述过程时，为节省存储容量，两个步骤是交叉 进行的。 ( 4 ) 计算求解 引入支承条件，便可对上式进行求解，得出各节点位移，再由节点位 移求得各节点应力，从而完成应力分析工作。 2 2l - d e a s 软件简介 商用有限元软件种类繁多( 见表1 3 1 ) ，其中最具代表性的有： a n s y s 、s a p 系列、m s c n a s t r a n 、a d i n a 、a s k a 以及i d e a s 等等，这些有限元分析软件功能强大，不仅可以分析线性材料而且可以分 析非线性材料的动静态特性，不仅可以分析单个实体，同时也可以分析多 个实体的组合体。但部分软件各有一些不足，比如，三维实体造型功能较 弱，有限元分析的数模完全来自于其它造型软件。在其它c a d 软件中完 成三维实体造型，然后经过通用接口( 如i g e s 、d x f 等) 将三维实体模 型传递给专业有限元分析软件，再由这些有限元分析软件分析研究对象的 相关特性。而i - d e a s 集成软件系统不仅可以构造复杂的三维实体模型， 而且可以对所建模型进行有限元分析，并对最终结果进行处理与显示。 i - d e a s 是美国s d r c ( s t r u c t u r a ld y n a m i c sr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ) 公 司开发的集成工程分析与设计软件系统。i - d e a s 软件可在众多的工程工 作站上运行，如s u n 、h p 、i b m 、s g l 等工作站上都有运行版本【7 】。另外， s d r c 公司为推广i d e a s 的使用范围，还推出了微机版。 由于s d r c 公司早期是以工程与结构分析为主逐步发展起来的，所以 工程分析是该公司的特长，如i - d e a s 软件拥有多种解算器及优化设计组 件。由于解算器是i - d e a s 集成化软件的一个组成部分，所以对分析计算 无需附加输入文件，这样就减少了大量的计算准备工作，并保证了建模、 南京理工人学硕士学位论文第1 0 页 有限元模型的建立 解算和结果显示之间的数据统一性和正确性，这就是本课题选用i - d e a s 软件作为有限元分析工具的重要原因之一。另外，i - d e a s 还以其强大的 前、后处理功能闻名，在前处理方面，它可以直接利用i - d e a s 零件主模 型、装配体主模型或其它c a d 系统生成的主模型自动生成有限元网格， 生成网格的方法有：自由网格生成、自适应网格生成、任选区域网格生成 及人工划分网格等多种方法。软件支持的单元包括有梁单元、杆单元、壳 单元、实体单元、质量单元、弹簧单元、刚体单元、间隙单元等近6 0 多 种单元。在后处理方面，它能以多种不同的显示形式表现分析结果，如几 何变形图、应力等位线图、各种曲线图等，另外，软件还提供了二维曲线 与三维曲线的显示方式，在利用图形显示的同时，用户可以根据需要进行 相关或单独的数据结果输出。 i - d e a s 由若干个应用功能模块组成，每个应用可分为几个作业，用 同一个菜单执行，并共享同一个数据库。应用模块有： d e s i g n设计( 实体建模) d r a f t i n g 制图 s i m u l a t i o n仿真( 有限元分析) t e s t 试验 m a n u f a c t u r i n g 制造 m a n a g e m e n t 管理 g e o m e t r yt r a n s l a t o r s 几何传递 d e s i g n 应用是一个工程的起点，也是包含零件和装配的几何定义的共 享信息源，实体建模产生的几何体可用于人一机交互研究、质量特性研究、 运动学分析、应力分析、动力学分析、制造、试验以及其它应用程序。d e s i g n 不仅包含零件建模，而且可以进行装配建模、机构分析和公差分析。 s i m u l a t i o n 是用于对产品进行仿真和对有限元方法进行仿真的模块， 最普遍的产品仿真是计算应力和应变。零件几何体被划分成单元网格用于 计算结构的刚度，然后在给定载荷和边界条件的情况下，解出形变。 该应用还包括非线性分析、优化、自适应网格划分和层板分析。优化 南京理工大学硕士学位论文 第1 l 页 有限元模型的建立 应用可根据用户需求自动进行多次迭代，以发现最佳厚度值，减小重量。 自适应网格划分可对应力或应变最关键的区域上的有限元网格进行细化。 i d e a ss i m u l a t i o n 应用包括模型的前处理、求解和后处理三个步骤， 其基本子模块包括： i d e a ss i m u l a t i o nt a s k s ：i d e a s 仿真应用模块 p r o - - p r o c e s s i n g 前处理 m a s t e rm o d e l e r建立有限元主模型 m a s t e ra s s e m b l y 主模型装配 m e s h i n g 网格划分 b o u n d a r yc o n d i t i o n s 边界条件施加 s o l u t i o n 解算 m o d e ls o l u t i o n 模型求解 p o s tp r o c e s s i n g 后处理 p o s tp r o c e s s i n g 后处理 前处t 望( p r o p r o c e s s i n g ) 包括产生有限元模型几何体的全过程，包括输 入物理特性和材料特性，描述边界条件和载荷。 求解阶段( s o l u t i o n ) 可以在s i m u l a t i o n 中进行，也可以在外部程序 中进行( 如n a s t r a n 、a n s y s 等) 。i - d e a s 可以解线性也可以解非线性的、 静态的、动态的、曲屈、热传导和位能等问题。 后处理( p o s tp r o c e s s i n g ) 为对研究对象所作的相应特性的描述，如 描绘出应变和应力大小、分布、均值、流场、电场特性、系统模态、系统 响应等 8 “1 2 1 。 2 3n j l 0 2 0 客货两用车车身结构特点分析 n 儿0 2 0 客货两用车是跃进汽车集团引进意大利菲亚特汽车公司产品 改造设计的，由于n j l 0 2 0 客货两用车车身前顶部采用的是意大利进口模 具图纸，技术成熟，跃进汽车集团车身设计人员仅需对货厢部分进行重新 设计，然后将其与车身前项部分进行焊接，形成整体车身。 南京理工夫学硕士学位论文 第1 2 页 有限元模型的建立 n j l 0 2 0 前车身和地板与轿车相同，采用的是轿车底盘，整个车身为 承载式车身。其结构形式( 去掉所有覆盖件) 如图2 3 1 所示。 图2 3 1n j l 0 2 0 车身结构图 覆盖件在汽车上起密封、保护、美观等作用，覆盖件包括内覆盖件和 外覆盖件，n j l 0 2 0 车身外覆盖件包括：车身前顶、发动机盖、车门外板、 翼子板、车身后顶、侧围外板以及后门外板等；内覆盖件包括：前围板、 地板、门内板等。结构件在车身乃至整个汽车中起支撑作用，它包括支柱、 门窗框、各种横纵梁等。 n j l 0 2 0 客货两用车的车身结构复杂，车身前部具有轿车车身的结构 特点，车身后部又具有微型车车身的结构特点，而在二者的过渡部分结构 更加复杂，其前后结构件是通过两块形状不规则的连接板与b 柱、前横梁、 前立柱、客货厢顶部的纵梁焊接而成。 各零件主要通过点焊构成焊接组件，然后构成几个分总成，如地板、 侧围、前围、后围、顶等，各个分总成通过铆焊形成车身整体结构总成。 总的来说，结构件通过焊接构成车身的框架结构，覆盖件通过点焊或铆接 固定于结构件上。 由于n j l 0 2 0 覆盖件是点焊在车身结构件上，它们一起受力和变形， 因而在进行车身有限元分析时必须考虑覆盖件的作用。 由于车身结构形式在客货厢连接部分发生突变，因此汽车在实际使用 南京埋丁人学硕：l 学位论文 第1 3 页 有限元模型的建立 。1 0 豸 f 一二二考 1 | 二二二j l _ 【 。二_ 士= 彳， l 一一。 图2 3 2 连接板结构示意图 图2 3 3 连接板三维实体图 该连接板通过点焊将驾驶室顶侧纵梁、b 柱、前横梁、前立柱、客货 厢顶侧纵梁连接在一起，实际厚度为o 8 m m ，由于在强制路试时发现该处 出现强度不足现象，因此，如何采取有效措施提高连接板强度，降低应力 南京理工大学硕士学位论文 第1 4 页 盲限元模型的建立 幅值是本课题讨论的主要内容。本文将重点讨论连接板处的应力和变形情 况。 2 4n j l 0 2 0 客货两用车技术特性 在对n j l 0 2 0 客货两用车车身作静动态分析时，首先必须了解其本身 的技术特性。 n j l 0 2 0 客货两用车主要技术性能指标如下： 发动机型号 n j g 4 1 5 发动机重量( k g ) 1 0 3 乘员数( 人) 5 整车装备质量( k g ) 9 2 0 满载总质量( k g ) 1 3 4 5 前轴最大允许轴荷( k g ) 7 8 0 后轴最大允许轴荷( k g ) 8 0 0 轴距( m m ) 2 4 4 2 前轮轮距( m m ) 1 4 3 0 后轮轮距( m r r l ) 1 4 2 4 前悬刚度( n m m ) 1 4 2 后悬刚度( n r a m )1 9 3 2 5n j l 0 2 0 车身有限元建模中的单元分析 汽车车身结构形式多种多样，因而其有限元计算模型也各不相同，但 根据所选用单元类型可将有限元模型归纳为以下几种：、杆系结构模型， 即全部由杆单元、梁单元组成的有限元模型；二、板壳结构模型，结构全 部由板壳单元组成，如汽车的车架、车身都是由板壳焊接而成，建模时原 则上把每一块板都取为板壳单元，最终组合为相应的计算模型：三、混合 结构模型，主要是由梁单元与板壳单元混合划分而成的有限元模型。 n j l 0 2 0 客货两用车的车身结构多为板壳结构，故可将其建成板壳结构模 型。另外，为了模拟焊接效果与悬架的作用，本课题还采用了一些辅助单 南京理工大学硕士学位论文第1 5 页 有限元模型的建立 元，如刚单元、弹簧单元、质量单元等。下面将对所用到的各种单元作具 体的介绍。 2 5 1 壳单元 在汽车车身的设计与分析当 中，面临着大量的壳体结构或薄壁 结构，如前围、侧围以及纵横梁等 结构件，非常适合使用壳单元进行 建模。在建立壳单元刚度矩阵的时 候，模型采用下列假设：一、法线 假设，即变形前中面的法线在变形 后仍是挠曲了的中面的法线：二、 忽略板厚的微小变化，即应力盯，对 ：。= = _ = l ，、 、 ，一 图2 5 1 四节点四边形壳单元示意图 变形的影响，也就是不考虑板面各层之间的相互挤压；三、壳体曲面自身 不但发生了弯曲变形，而且也发生了曲面内的伸缩变化，承担了相当部分 的载荷。在i - d e a s 中，壳单元( t h i ns h e l l ) 有三节点三角形、四节 点四边形、六节点三角形、八节点四边形等几种类型，对n j l 0 2 0 车身进 行有限元建模时选用四节点四边形单元。四节点四边形单元每个节点具有 三个平动自由度与三个旋转自由度，即六个自由度，因此也就具有六个节 点力分量。其结构形式如图2 5 1 所示。 单元具有物理属性与材料属性两种属性，对于材料属性可根据实际情 况赋以不同的数值，材料属性包括弹性模量、剪切模量、密度等属性，而 对于物理属性在计算时主要关心其厚度属性。 在利用壳单元进行有限元建模时，影响计算精度的一个重要因素是壳 单元的质量( u p 好坏) 。一般来讲，对于四边形壳单元的质量控制量有：单 元细长比、单元翘曲比、歪斜比和单元尖细比。单元细长比定义为四边形 两对边中线之半之比，为保证计算精度，车身模型中通常控制四边形单元 细长比在5 0 以内；单元翘曲比，定义为四边形单元四节点翘曲量最大者 南京理r 入学硕士学位论文 第1 6 负 有限元模型的建立 对应的正弦角，为保证精度，单元翘曲比应控制在7 度以内；单元歪斜角 定义为四边形单元对边中线角的补角，为保证精度，单元歪斜角应控制在 3 0 度以内；单元尖细比，定义为四边形单元两对角边分割的四块面积中最 小者与全面积之比，为保证精度，单元尖细比应控制在0 8 以内 6 1 。 2 5 2 刚单元 这是一种假想的人为的单元，它可以对应某种实际结构，也可以不对 应任何结构，常用于组合结构中，充当不同结构之间力学性质的连接。在 i - d e a s 中，刚单元具有两个节点，每个节点具有六个自由度。这种单元 相当于刚度无穷大的杆或梁，它所连接的两个节点具有相同的位移。在 n j l 0 2 0 客货两用车的有限元建模中，刚单元主要用于焊点的模拟，这一 点在后面将有详细介绍。刚单元既无材料属性又无物理属性。 2 5 3 弹簧单元 在车身的整体结构中，为降低车身的振动，在车身与悬架之间主要采 用了弹性连接，如采用螺旋弹簧或钢板弹簧。在n j l 0 2 0 客货两用车中， 前悬架采用气体螺旋弹簧，后悬架采用横置钢板弹簧。在这种情况下，本 文在建立车身有限元模型时使用弹簧单元对其进行模拟。在i - d e a s 中， 弹簧单元连接两个节点，每个节点有三个自由度，主要用于模拟两个节点 之间的弹性关系。弹簧单元没有材料属性，只有物理属性，在建模时主要 关心其刚度属性。 2 5 4 质量单元 在进行有限元分析时，可以利用集中载荷来模拟如发动机等实体模型 的重量，但这种描述方法却无从体现发动机转动惯量等属性，而且在动态 分析中受到一定的限制，这时就需要采用质量单元来对它进行模拟。在 i - d e a s 中，利用质量单元将整个实体质量集中在一个节点，质量单元没 有材料属性，只有物理属性，包括质量属性( m a s s ) ，转动惯量( 。，。等) ， 在建模时，本文主要关心其质量属性。 2 6 车身载荷的处理方法 南京理t 大学硕上学位论文第1 7 页 有限元模型的建立 根据计算的需要，车身所受载荷可以按不同的方法分类。根据载荷在 结构上的分布情况，可以分为以下两种：一、集中载荷，当外载荷作用在 结构上的区域很小时，便可以认为这种载荷是集中载荷，在汽车车身中， 安装在车身结构中的发动机、蓄电瓶以及其它质量较大的附件都可以认为 是以集中载荷的形式作用在车身结构上的：二、分布载荷，如果作用在结 构上的载荷，其位置是连续变化的，即载荷作用在一定面积或一定长度上， 则称其为分布载荷。当分布载荷的集度是均匀的，则称为均布载荷。结构 的自重、由质量引起的惯性力等，通常都作为均布载荷来处理。另外，根 据载荷作用随时间变化的情况，又可将车身载荷分为以下两类：一、静载 荷，当载荷的大小、方向和作用点不随时间变化时，称为静载荷或固定载 荷，如结构自重；二、动载荷，当载荷的大小、方向或作用点随时间变化 时，称为动载荷。在车身结构的分析当中，主要遇到的载荷大小均是随时 间变化的动载荷。结构在动载荷作用下，经常发生结构振动现象，因此， 动载荷作用下的分析比静载荷作用下的分析要复杂的多 1 3 1 。 作用在车身上的静载荷主要有以下三类：类是车身的自重；第二类 是车身的有效载荷，如乘员、货物等；第三类是固定在车身或车架上的相 关总成质量，如发动机、蓄电瓶等。 ( 1 ) 车身的自重力，可作为均布载荷分布到结构的相应节点上。比如， 在对n j l 0 2 0 车身作有限元分析时，车身的自重力被均布在车身地板的相 应节点上，如图2 6 1 所示。 图26 1 车身地板上的均布载荷 南京理1 = 大学硕士学位论文 第l b 页 有限元模型的建立 均布载荷的大小q = m s ( k g m 2 ) ，式中，m 为车身的质量，s 为车 身地板在水平面上的投影面积。 ( 2 ) 载重力，包括乘员和货物的重力等，这些重力可作为集中载荷也 可作为均布载荷处理，如乘客重量和座椅重量可作为集中载荷按支点的跨 距分配于相应梁的节点上，而货物重量可作为均布载荷分布于货厢地板相 应节点上。n j l 0 2 0 客货车的载重力可按图2 6 2 所示方法加载。 7 卜 图2 6 2 车身地板上的等效载重力载荷 图中，q l = m 1 s l ，m l 为最大货物载重力，s l 为货厢地板在水平面上的 投影面积。 f 。、f 2 分别为前排左右乘客与座椅质量和的一半。 ( 3 ) 固定在车身或车架上的汽车总成、设备的重力，如发动机总成、 备胎、蓄电池、油厢等，可作为集中载荷处理也可按均布载荷处理。对于 集中载荷，可按支撑点的实际位置以及各支撑点所分担的重力作用于相应 的节点上。 n 儿0 2 0 发动机是通过三根支架支撑的，支架的一端用螺栓固定发动 机，另一端焊装在车身前端两侧的骨架和前围上。在本例中可将发动机的 重量近似看成平均分配于三根支架上，作用方式如图2 6 3 所示。 l 嗣京删1 _ 人学硕卜学位论文 第1 9 页 有限元模型的建立 图2 63 车身地板上的等效载重力 图中，g f 为发动机的自重，发动机重力支撑点的位置按支架在车身 结构件中实际的焊点位置处理。油厢的重量按油厢的实际安放区域，作为 均布载荷作用于车身地板上。图中均布载荷q o = g o s o ，g o 为油厢装满燃 油时的重量，s o 为油厢在车身地板上的投影面积。 备胎和蓄电池等，可将其质量作为车身质量的一部分，施加到车身的 均布载荷中。 2 7 车身约束的处理方法 在工程实际中，任何机械与汽车结构都必须支承在某一支座或某一结 构上，才能承受外载荷并正常可靠的进行工作，同样，为了真实反映车身 的静动态性能，所建立的车身有限元计算模型也必须根据实际施加约束， 才能保证计算顺利进行并与实际情况相吻合。车身有限元模型的约束一般 分为三类： ( 1 ) 活动铰支座约束其特点是在支承部分有一个铰结构或类似于铰 结构的装置，其上部结构可以绕铰点自由转动，而铰结构本身又可沿一个 图271 活动铰支座 南京理工大学硕士学位论文第2 0 页 有限元模型的建立 方向自由移动。活动铰支座简图如图2 7 1 所式。 ( 2 ) 固定铰支座约束它与活动铰支座的区别在于整个支座不能移动， 但被支承的结构可以绕一固定轴线或铰结构自由转动。固定铰支座简图如 图2 7 2 所示。 图2 7 2 固定铰支座 ( 3 ) 固接支座约束这种支座的特点是，当结构用这种支座与基础或 其他结构相连接后，结构不能移动也不能转动。这种支座不仅承受支反力， 还承受支反力矩。固接支座结构简图如图2 7 3 所示。 图27 3 固接铰支座 在n j l 0 2 0 客货两用车车身建模过程中，本文根据实际情况选择不同 的约束形式。该车车身是与悬架系统一起工作，因此可以认为悬架约束车 身在垂直与水平方向的平动，但车身的弯曲不受限制。这种情况与铰支座 具有相同的特点，即支座只承受支反力而不承受支反力矩，因而可以利用 铰支座的布置形式来模拟悬架对车身的约束。但在进行有限元分析时，只 有在足够的约束条件下，完全消除结构刚体运动的可能性，才能求得位移 的确定解。因此，本文对后悬架的支承点采用固定铰支座约束，而对前悬 架的支承点采用活动铰支座进行约束，这样，既消除了车身的刚体移动， 又使车身在变形后的伸长或缩短不受限制，因而更加符合实际情况。 南京理工大学硕士学位论文 第2 1 页 有限元模型的建立 n j l 0 2 0 客货两用车车身约束处理的简图如图2 7 4 所示。 j _ r _ 醅， 三“、_ o 刿2 7 4n j l 0 2 0 客货两用车车身约束处理 2 8 车身与悬架连接部分的处理 考虑到汽车车身是连同悬挂系统一起工作的，为了使计算更加符合实 际工况，系统中需要具备弹簧单元，这时便可将悬挂元件与车身组合起来 进行分析，弹簧的刚度系数由螺旋弹簧刚度系数确定或由钢板弹簧的刚度 系数换算得到【l ”。 车身与悬架连接部分的处理也称为支撑的模型化，支撑的模型化必须 遵循以下两条原则： ( 1 ) 模型化后车身或悬架的受力情况与实际受力情况应相同： ( 2 ) 车身相对悬架无x 和y 方向的线位移； n j l 0 2 0 承载式车身是通过前后悬架、轮胎与地面接触的，为了使所 建模型便于计算，且更符合使用工况，在分析车身强度和刚度时，可将前 后悬架与车身的连接简化成弹簧元的形式，如图2 8 1 所示。 图281 车身与悬架连接部分的简化模型 南京理_ 【大学硕士学位论文 第2 2 页 有限元模型的建立 由于前悬架为螺旋弹簧的独立悬架，因此前悬架可简化成一组弹簧 元，弹簧元刚度为k o 。 n j l 0 2 0 车的后悬架为由钢板弹簧与减振器组成的麦弗逊式独立悬架 系统，且板簧横置，开口朝下，通过两个支撑点与车身地板的结构件连接， 因此可按图2 8 2 所示方法进行简化： ：垒，_ = 1 图2 8 2 后悬架简化模型 其中，k l + k 2 = k 对于n j l 0 2 0 ，可以认为a = b ，因此有 k l = k 2 = 0 5 k = 9 6 5 0 ( n m ) 2 9n j l 0 2 0 客货两用车车身有限元模型的建立 虽然建立有限元模型的方法与步骤是通用的，但在对形式多样、结构 复杂的车身结构进行分析时，要建立一个较为准确的有限元模型是非常不 易的。因此，在建模过程中，必须对车身结构进行一定的简化。本文在简 化过程中主要遵循一个原则，就是力的等效传递原则，也就是说，只要简 化不会影响到力的等效传递( 在远离分析的部位) ，就可以认为是合理的。 本文最终要建立的是