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轿车车身刚度有限元分析及优化 摘要 轿车车身是轿车的最关键总成之一。车身的性能是整个轿车产品性能非常 重要的组成部分，轿车车身的性能主要取决于结构的静态、动态特性。对轿车 车身进行刚度、模态特性的分析，可以指导人们对车身结构进行优化。 本文以用有限元计算与分析的方法，以某国产s r v 车型为例，从车身静、 动态特性分析和结构优化方面做了如下研究： ( 1 ) 采用四边形或三角形空间壳单元离散整个车身，建立了有限元模型。 结合国内外研究成果和相关经验，对轿车白车身有限元分析模型建立中模型的 简化、模型规模的控制、单元质量的控制和焊点的处理情况进行了详细的探讨。 ( 2 ) 对该车身有限元模型进行模态分析，并将分析结果与试验结果对比， 验证了有限元模型的准确性。 。 ( 3 ) 计算了车身的弯曲刚度和扭转刚度性能，并研究了这两种工况下车身 的主要开口的变形；以b 柱接头为例，计算了该接头的刚度，并探讨了接头刚 度对整车刚度的影响； ( 4 ) 以车身板件厚度为变量，对车身进行了结构灵敏度分析，并计算了各 性能对质量的相对灵敏度，得出对整车性能真正有贡献的部件；以灵敏度为基 础，确定优化变量，以车身刚度、整车一阶弯曲模态和整车一阶扭转模态为约 束，对车身进行结构优化，通过优化，提高了车身的扭转刚度，并减轻了车身 重量，车身的两个关键模态频率也有不同程度的提高。 本文研究的课题属于工程应用型课题，需要在今后的车身设计和分析中进 行深入研究，对改善车身设计和提高分析水平有较大的现实意义。 关键词：有限元法；模态；刚度；灵敏度分析；结构优化 s t i f f n e s sf e ma n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no nc a rb o d y a b s t r a c t c a rb o d yi so n eo ft h ek e ya s s e m b l i e si nac a r t h eb o d yp e r f o r m a n c ei sv e r y i m p o r t a n tp a r to ft h eg e n e r a lp e r f o r m a n c eo ft h ec a r t h ep e r f o r m a n c eo f c a rb o d y i sd e t e r m i n e db yt h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fi t ss t r u c t u r e t h ea n a l y s i s o ft h es t i f f n e s sa n dm o d a lc h a r a c t e r i s t i c so fc a rb o d y i st h e g u i d a n c e f o r o p t i m i z m i o no fc a rs t r u c t u r e u s i n gf e m ，a n dw i t had o m e s t i cs r va s a ne x a m p l e ，t h i sp a p e rd o e st h e f o l l o w i n gr e s e a r c hw o r ko n s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n ds t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n ： u s i n gq u a d r i l a t e r a lo rt r i a n g u l a rs h e l le l e m e n t s ，af e m m o d e lo ft h eb o d y s h e l li se s t a b l i s h e d c o m b i n i n gt h er e s e a r c h i n gr e s u l t sa n dr e l e v a n te x p e r i e n c e f r o mb o t hd o m e s t i c a n da b r o a d ，t h em o d e ls i m p l i f i c a t i o n ，s c a l ec o n t r o l l i n g ，g r i d q u a l i t yc o n t r o l l i n ga n dt r e a t m e n to f w e l dp o i n t sa r ed i s c u s s e dd e t a i l e d l y t h em o d a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ec a rb o d yi sa n a l y z e d ，a n dc o m p a r e st h er e s u l t s w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h et o r s i o na n db e n d i n gs t i f f n e s so ft h ec a rb o d ya n d s t u d i e st h ed e f o r m a t i o no fm a i no p e n i n g si nt h et o r s i o na n db e n d i n gl o a d i n g c o n d i t i o n s ：w i t hb - j o i n ta sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e s i t ss t i f f n e s sa n d s t u d i e st h ei n f l u e n c e so ft h ejo i n t so nb o d ys t i f f n e s s 。 t a k e st h et h i c k n e s so fb o d ya st h ev a r i a b l e ，t h es t r u c t u r es e n s i t i v i t yi sa n a l y s e d a n dt h er e l a t i v es e n s i t i v i t yt h a tk i n d so fp e r f o r m a n c e sa c to nm a s si sc a l c u l a t e dt o f i n do u tt h ed o m i n a n tp a r tw h i c hp r o v i d em a i nc o n t r i b u t i o n t ot h ev e h i c l e p e r f o r m a n c e ； t h eo p t i m i z m i o nd e s i g nv a r i a b l e sa r ed e t e r m i n e dt h r o u g ht h es e n s i t i v i t y a n a l y s i s a n das t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni s c o n d u c t e dw i t hac o n s t r a i n t so fb o d y s t i f f n e s s 、t h ef i r s tt o r s i o nm o d a lf r e q u e n c ya n dt h ef i r s tb e n d i n gm o d a lf r e q u e n c y s ot h et o r s i o ns t i f f n e s sr i s e sw h i l et h ew e i g h to fc a rb o d yi sr e a l i z e da n dt h et w o k e ym o d e lf r e q u e n c yr i s i n gt od i f f e r e n td e g r e e s t h i sd i s s e r t a t i o nb e l o n g st oe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ns u b je c t i tn e e d st ob e s t u d i e df a r t h e ri nt h ef r a m ed e s i g na n da n a l y s i s t h o z ea c t i o n sh a v ear e a l i s t i c m e a n i n g t oi m p r o v ed e s i g na n da n a l y s i sl e v e l k e yw o r d s ：f e m ：m o d a l ；s t i f f n e s s ；s e n s i t i v i t ya 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 插图清单 图1 1 轿车白车身及各部件对整车刚度的贡献3 图2 1 有限元分析流程6 图3 1 翘曲度定义1 0 图3 2a c m 2 焊点模型1 2 图3 3 车身焊点模型图1 2 图3 4 白车身有限元模型1 2 图4 1 一阶弯曲模态15 图4 2 一阶扭转模态一15 图4 3 第一阶模态振型对比1 5 图4 4 第二阶模态振型对比1 6 图4 5 第三阶模态振型对比1 6 图4 6 第四阶模态振型对比1 6 图4 7 第五阶模态振型对比1 7 图4 8 第六阶模态振型对比1 7 图4 9 第七阶模态振型对比1 7 图4 1 0 第八阶模态振型对比：1 8 图4 1 1 第九阶模态振型对比1 8 图4 1 2 第十阶模态振型对比1 8 图5 1 车身开口位置示意图2 1 图5 2 车身弯曲刚度计算示意图2 2 图5 3 载荷与约束图2 3 图5 4 刚度曲线的分析点布置2 3 图5 5 弯曲刚度弹性曲线2 5 图5 6 车身弯曲位移云图2 6 图5 7 车身弯曲应力云图2 6 图5 8 车身壳体的主要开口2 6 图5 9 轴间相对扭转角示意图2 7 图5 10 扭转载荷约束2 8 图5 1 1 车身扭转刚度变形曲线2 8 图5 12 车身位移云图2 9 图5 13 车身应力云图2 9 图5 1 4 车身主要接头结构分布位置3 0 图5 1 5b 柱上接头有限元模型3 0 图5 1 6 接头加载及约束3 1 v i 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 扭转刚度对总质量的相对灵敏度s t s m 3 8 弯曲刚度对总质量的相对灵敏度s b s m “4 0 一阶扭转频率对总质量的相对灵敏度s f t s m 4 2 一阶弯曲频率对总质量的相对灵敏度s r s s m 4 4 结构优化流程4 6 v i i 插表清单 表3 1 网格划分标准1 1 表3 2 轿车材料性能表1 1 表4 1 特征值提取方法比较1 4 表4 2 白车身模态分析结果1 5 表4 3 某s r v 车模拟分析结果与试验结果对比表1 9 表5 1 车身底架分析点垂直方向的位移2 5 表5 2 弯曲工况下车身壳体的开口变形量2 7 表5 3 车门门框部位各点位移2 9 表5 4 柱接头刚度对整车刚度的影响3 l 表6 1 车身各部件名称表3 5 表6 2 扭转刚度对总质量的相对灵敏度s t s m 3 7 表6 3 弯曲刚度对总质量的相对灵敏度s r s m 3 9 表6 4 一阶扭转频率对总质量的相对灵敏度s r r s m 4 1 表6 5 一阶弯曲频率对总质量的相对灵敏度s f b s m 4 3 表6 6 结构优化变量名称4 8 表6 7 车身板件优化及调整结果4 8 i i 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 金目巴工些盔堂 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。 学位论文作者签名： 段只彘签字日期：山f o 年午月i 官日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月垦三些丕堂有关保留、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。 本人授权金月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) 学位论文作者签名：段闩磊 签字日期：纠。年叶月l g 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 呵h 豸 筮a - y - 日期溯年年月f p 日 电话： 邮编： 致谢 回顾风雨兼程的求学经历，回首书香相伴的寒窗苦读，凝望着这墨香尤存 的硕士论文，心中不禁感慨良多。这既是自己辛勤汗水的结晶，更是导师毕传 兴教授精心栽培的硕果。 本论文是在导师悉心指导下完成的，论文的选题、研究的方案及论文的最 后完稿，都倾注了导师无数的心血。导师严谨求实的治学态度、真诚朴素的言 行举止、宽厚待人的风范，都将使我终身受益。在研究生期间，陈剑教授对我 的研究工作给予了多方面的指导和关怀。在此，谨向两位老师表示崇高的敬意 和衷心的感谢。 本课题的车身模型是在c a e 小组所有成员共同努力下完成的，对他们的付 出表示感谢。同时感谢噪声振动工程研究所所有老师和同学的帮助。 特别感谢我的父母和家人，感谢他们对我多年的关怀和支持，他们的爱是 我人生路上永不枯竭的动力和源泉。 感谢所有在硕士期间给与我关心和帮助的老师、同学和朋友们l 最后衷心感谢为我论文和学业把关的专家和教授。 i i i 段月磊 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 汽车发展的历史已经超过了1 0 0 年，人类在汽车的发展过程中不断改善其 性能、结构、造型等，以满足使用的需求。相对发动机和底盘总成而言，车身 总成发展较晚，但车身工程在现代汽车工业中已越来越占据主要地位。车身的 质量占整车质量的3 0 5 0 ，车身的成本占整车成本的3 0 6 0 ，车身的开发 约占整车开发时间的7 0 左右【1 1 。因此车身是汽车的关键，车身的生产能力决 定着整车的生产能力。 在现代轿车的设计开发过程中，轿车车身大多数采用全承载式结构，这种 结构可以很大程度上满足了结构设计轻量化的要求。因为承载式轿车车身几乎 承载了轿车使用过程中的全部载荷，因此，轿车车身的刚度特性具有举足轻重 的作用。车身刚度不足会引起门框、门窗、发动机罩口和行李箱开口等处变形 较大，进而导致车门卡死、玻璃破碎、密封不严以致渗风、漏雨及内饰脱落等。 车身刚度小，还会引起轿车车身振动频率低、易发生结构共振和削弱结构接头 连接强度，最终直接或间接地影响轿车可靠性、安全性、操纵性、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 ) 性能等。据统计，白车身刚度对整车的刚度贡献达到6 0 以上【2 】。因此，对轿车车身进行刚度研究，改进车身结构设计，提高车身刚度 具有十分重要的意义。 1 2 轿车车身发展历史回顾 世界汽车工业开始于上世纪初，经过百年的风雨历程，已经形成一个比较 完整的工业体系。车身是汽车的关键组成部分之一，在汽车开发过程中占据重 要的地位。轿车车身设计与分析的发展也随着轿车的诞生和发展，经过不断地 改进，形成了一套完善的方法和流程。 传统的汽车车身设计基本上是由手工设计完成的。其特点是整个过程是通 过实物、模型、图纸、样板等来传递信息，至少进行1 ：5 油泥模型、全尺寸油 泥模型和样车制作等阶段；还要进行1 ：5 油泥模型、1 ：1 全尺寸油泥模型、 实车三次风洞试验；还要进行车身原始数据保留的车身主图板、车身主模型制 作3 1 。 随着计算机的发展，计算机辅助设计已逐渐成为汽车造型设计和结构设计 的常规手段。由计算机软件生成的车身模型，与传统的手工设计的车身模型相 比，尺寸精确，便于修改，而且节省了大量的时间、人力、物力等。 车身结构分析是现代汽车结构分析的重要组成部分，应用有限元方法对车 身进行结构分析能有效地解决轿车车身结构设计的要求。早期的汽车结构分析 主要是对汽车结构进行不断地试验，对试验不断地总结，主要是根据经验判断。 对于较复杂的车身结构，早期的结构分析方法收到很多方面的限制，有时甚至 无能为力。 1 9 6 6 年美国颁布了公路安全法案和国家交通与汽车安全法案，这个法规提 出了最早的汽车安全标准。1 9 7 0 年以后，随着大型计算机的出现，标志着以分 析验证为基础的汽车结构设计革命的开始。随后几十年，计算机结构分析已经 包括动静太性能、碰撞、疲劳、n v h 等各个方面【4 1 。 1 3 轿车车身刚度分析发展现状 1 3 1 国外发展现状 国外从6 0 年代起就开始用有限元法进行车身强度和刚度的计算。1 9 7 0 年美 国宇航局将n a s t r a n 结构分析程序引入到汽车结构分析中，对车身结构进行 了静强度有限元分析，使车身减轻了自重，为车身轻量化设计开了先河【5 1 。随 着计算机技术的飞速发展，各有限元分析软件也日趋完善。有限元模型建立的 技术和方法也日趋丰富。模型的规模也从最初的几十、几百个简单单元发展到 如今的几万甚至几亿个混合单元。n 8 0 年代后期，日本五十铃汽车公司将c a e 技术应用到轿车车身设计的各个阶段，分析范围包括强度、刚度、振动、分析 对象也由静态应力扩展到动态响应、噪声、碰撞和优化设计。进入9 0 年代，有 限元分析得到了广泛应用。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，把发动机激励和道路激励集成到数据库中进行激励响应分 析，简化了分析过程【6 】。目前，国外各大汽车公司有限元分析涉及到车身设计 的各个方面，包括刚度与模态分析、随机响应分析、噪声分析、碰撞分析等领 域。 现代轿车车身的刚度分析已经贯穿于车身结构设计的全过程，对轿车车身 的结构设计起到很重要的指导作用。国外近几年的文章对轿车白车身及各部件 对整车刚度贡献做了分析，其中车身壳体的贡献达6 0 以上，具体见图1 1 所 示【7 1 。 2 v v 其他15 背r 111 2 前悬架横梁2 2 前后推力杆 3 前风窗1 1 5 前门1 7 地板通道 1 7 车身壳体6 4 整车 1 0 0 6 0一3 003 06 09 0 1 2 0 扭转刚度的贡献 图1 1 轿车白车身及各部件对整车刚度的贡献 目前国外对车身刚度的分析主要有：j o n g k e u nc h o i 关于t 型接头对整车 刚度影响的研究【8 】：h o w a r dm h d e l m a n 对轿车车身刚度及灵敏度的分析研究 【9 1 ；n i m ab a k h t i a r y 关于轿车车身刚度对噪声、振动影响的研究和r o b e r tj s z e f i 对轿车车身轻量化的研究等1 1 0 - 1 1 。 1 3 2 国内发展现状 在国内，c a e 技术与发达国家相比，落后很多。国内在七十年代末，有些 部门才开始将有限云分析应用到汽车工程中，当时研究工作主要集中客车的车 架建模方面。八十年代末，我国一些科研院所也已开始有关轿车车身的研究工 作，许多企业引进国外有限元分析系统软件和硬件，将其用于与生产设计、改 进等方面，涉及到的领域有车身造型、空气动力学、结构分析等。由于各方面 的限制，当时用软件计算的结果与试验结果相比较，很存在很大的差距。九十 年代以来，有限元法在汽车工程中的应用发展较迅速。国内各大汽车厂将国外 3 引进的技术吸收消化，通过自主开发、或与国外进行联合开发等方式，大大提 高了有限元法在汽车开发的应用力度。 目前国内对轿车车身刚度的分析有【1 2 - 1 5 】：胡宁对轿车车身的刚度分析；黄 金陵对轿车车身结构中接头的模拟分析；马迅等人对轿车车身常用薄壁构件的 刚度分析；万德安对轿车车身部件结构刚度分析和高云凯对轿车车身模态修改 灵敏度计算分析等。 现代轿车车身的刚度分析己经贯穿于车身结构设计的全过程，是现代轿车 车身设计开发必须经过的一环，对轿车车身的结构设计作用意义重大。 1 4 本文课题来源及研究内容 本文课题江淮汽车股份有限公司( j a c ) 整车n v h 正向设计流程与工程 治理项目。该项目通过对某款s r v 车进行c a e 分析，发现刚度存在的问题， 提出相应整改措施。本课题是该项目的一部分，主要对s r v 车身进行刚度、模 态、灵敏度的c a e 分析及结构优化，为以后的轿车车身设计提供参考。 本课题研究内容由以下几部分组成： 1 ) 、介绍有限元法的基本概念、步骤、分析过程，简述车身刚度对轿车车 身整车性能的影响； 2 ) 、叙述建立整车结构性能分析模型的原则，详细探讨建立轿车车身有限 元模型的过程、方法及一些关键问题； 3 ) 、建立车身的有限元模型，根据有限元模型对轿车车身进行模态性能分 析，并将模拟结果与试验结果对比，检验模型的正确性； 4 ) 、对车身进行弯曲刚度及扭转刚度分析，并分析计算各主要洞口变形量 在各工况下的变形，然后以某一接头为例，分析了接头刚度对整车刚度的影响； 5 ) 、对轿车车身进行结构灵敏度分析及结构优化设计研究。 4 第二章有限元方法在结构分析中的应用 2 1 有限元法基本理论 2 1 1 有限元法的基本概念 所谓有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 就是关于连续体的一种离散化的 数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法。它的基本思想就是把一个 整体分成有限个单元，对单元进行分析后，再把这些单元通过若干结点组合起 来代表原来的结构。这种先化整为零、再积零为整的方法就叫有限元法【1 6 】。从 数学的角度来看，有限元法是将一个偏微分方程化成一个代数方程组，利用计 算机求解。由于有限元法是采用矩阵算法，运用计算机可以快速算出结果。 有限元法的主要优点是物理概念清晰，容易理解和掌握，适用性强，应用 范围广泛，许多复杂的工况和边界条件都可灵活地加以考虑【1 7 】。 2 1 2 有限元法的基本步骤 有限元方法就是根据实物通过c a d 软件建立三维实体几何模型，然后将 三维实体模型导入网格划分软件进行离散化，再将实际结构所受到的载荷与约 束情况添加到单元体上，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【7 】： ( 1 ) 离散化，即网格划分。 ( 2 ) 设置载荷工况，施加约束。 ( 3 ) 计算各个单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程。 ( 4 ) 求解结构整体刚度矩阵，建立结构整体平衡方程。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 显示处理计算结果。 2 1 3 有限元分析的一般过程 用有限元分析软件进行有限元分析，一般只需要进行以下三个方面的工作： 1 、前处理 前处理的主要工作是建立有限元计算的模型，在建立有限元模型的过程中， 包括网格划分、添加材料特性、添加边界条件和设置载荷工况等内容。 要准确快速地建立起有限元模型，应首先建立实物的三维几何模型，然后 将几何模型导入网格划分软件，在软件中对模型进行网格划分。网格划分一直 是前处理的难点，这其中包括的关键问题有模型的简化、单元类型的选取、单 元规模的控制、单元质量的控制、材料属性的添加及焊点的处理等。总之，建 立的模型在几何形状和反映力学特性上都要和实物一致。在网格划分结束后， 对模型进行的边界条件的施加和载荷工况的设置，这也是前处理工作中的一个 5 难点，对它的模拟合理与否直接影响结果的合理性。 2 、求解 在求解器中，根据问题的类型不同，选用不同的求解算法。 3 、后处理 后处理主要是对软件计算结果的处理，目的是为了使结果更加明了。这其 中包括以下几个方面： ( 1 ) 用图形使计算结果直观化： ( 2 ) 对计算结果做可信度检验； ( 3 ) 利用结果解决实际问题。 本课题有限元分析的流程如图2 1 所示。 图2 - 1 有限元分析流程 2 2 有限元方法在车身结构分析中的应用 在汽车车身分析过程中，几乎所有的分析设计，都可以用有限元方法做计 算。目前世界上各个汽车厂家都将有限元法作为汽车分析的一个有力工具，并 且取得了很大的技术经济效益。 c a e 技术用于汽车业主要有以下功能： ( 1 ) 汽车动力性、经济性是汽车性能的重要评价指标，在汽车开发过程中 必须进行动力性和经济性计算。通过有限元分析软件可以进行编程、模拟计算， 只要输入相应的结构参数就能很快得出各项性能指标及影响动力性和经济性的 因素1 1 8 j 。 ( 2 ) 汽车车架、车身构件截面特性计算也可以通过有限元分析软件编制常 6 用开口截面的程序，只要输入相应的断面编号和结构参数，便可建立材料特性 库【19 1 。 ( 3 ) 有限元静力分析、模态分析是车身有限元分析必需的内容，通过有限 元分析可以获得整车刚度性能、局部刚度性能、固有频率、振型等，为产品的 可靠性提供依据。现代有限元分析软件包括丰富的单元库，且计算能力强大快， 操作便捷。 ( 4 ) 用有限元法对车身进行结构优化，也在各汽车厂中广泛应用。优化中 的变量，目标函数，约束函数，都可以自由设置，且可以设置变量上、下界， 得到优化后的结构参数基本可靠【2 0 1 。 ( 5 ) 客车外摆式乘客门机构参数的优化在给定外摆式车门的门宽、门缝间 隙、车门厚度、残留未开口量等参数后，通过运行优化程序，便可得到满足车 门开启、终止位置与预定设计位置误差最小的机构参数【2 1 1 。 ( 6 ) 汽车动力传动系参数的最优匹配当汽车的整车参数及发动机等总成确 定后，汽车性能优化程序能迅速找到一组变速器各档速比及后桥主减速比的最 佳匹配值，从而取得较好的动力性和燃油经济性。 2 3 轿车车身结构分析对整车性能的影响 轿车车身结构分析对整车的性能影响主要包括车身结构功能可靠性、安全 性、平顺性、n v h 性能的影响。 如果轿车车身刚度低，车身的承载能力就会降低，使得车身的局部产生变 形，甚至使局部功能丧失。车身的刚度低，还会使车身主要开口变形大，开口 开关困难，密封性降低。另外车身刚度低，使车身固有频率降低，车身容易产 生共振，导致扑粉零件早期疲劳。以上各因素都是影响车身结构可靠行的因素， 所以说车身刚度对车身可靠性有影响。 车身刚度不合理还会使车身安全性能降低。合理的刚度情况可以吸收来自 碰撞的冲击，是乘客受到的冲击在某一限制内。因此要根据安全法规规定，提 高乘客舱的刚度，是乘客在碰撞过程中受到的冲击最小，保护乘客安全【2 2 1 。 当汽车在不平路面上行驶时，车身会产生振动，这是要保证乘客有一定的 舒适的环境，即使车身能够避开乘客的敏感振动频率【2 3 1 ，降低噪声，提高n v h 性能。 7 第三章轿车车身有限元模型的建立 在对车身进行结构分析之前，首先要对车身进行有限元模型建立，建立的 有限元模型要能充分反映车身的各个性能，因此，建立具有较高精度的车身有 限元模型至关重要。 3 1 轿车车身有限元模型类型及建立原则弘和驯j 轿车车身有限元模型类型可分为两种：概念设计阶段的轿车车身有限元模 型和产品开发阶段的轿车车身有限元分析模型。在这两种不同的阶段，模型的 建立原则不同。 车身造型设计基本完成之后，车身结构详细设计以前的这个阶段我们称之 为轿车车身概念设计阶段。在这个阶段，需要对车身结构的一些位置参数和断 面尺寸参数做适当的调整，为车身结构详细设计阶段提供最佳的车身结构布置。 为了避免增加设计成本和延长设计周期，这个设计阶段的轿车车身分析模型不 但要容易建立、占用的资源少、计算快，而且简化的模型有很大的设计自由度， 易于变更和对比分析，也容易提取参数进行优化设计。另外模型必须参数化， 设计者只需修改所需的参数值，就可以生成相应的分析模型，不再需要手工修 改或调整单元网格，适应了概念阶段的设计特点，同时这些参数还可以参与外 形优化。 车身造型设计己经完成之后，对车身结构的进行定型设计，这个阶段我们 称为轿车车身产品开发阶段。在这个阶段，详细的车身几何模型已经基本完成。 结构分析的主要任务是确定检验合理的车身结构布置是否合理和对不合理的结 构进行优化，以确定车身结构的最终形式。 在建立轿车车身刚度有限元分析模型过程中，由于轿车车身的构件繁多， 且各构件形状复杂，因此建立有限元模型工作繁重，时间较长，因此在建立有 限元模型时可以适当忽略对结果影响很小的附加零部件结构。在这个阶段中建 立详细的轿车车身分析模型不但要对薄壁结构进行板壳单元的划分，还要对连 接形式进行准确的焊点模拟。 3 2 轿车车身有限元模型建立的基本过程 3 2 1 有限元模型的简化 为了减轻工作量，在对车身建模时要对车身进行简化。结构简化的原则是： 在保证充分反映实际结构力学性能的前提下，作必要的简化【28 1 ，即使有限元模 型的结构要与实际结构一致，有限元模型要能充分反映车身实际的力学特性。 我们的目的是分析车身的刚度、模态和其他的力学性能，过于详细的描述 一些细小的部件，不但会增加建模的难度、单元的数量，而且会影响计算精度， 8 也会增长计算时间。因此，对于车身一些较小的结构，如小孔，开口，翻边， 凸台，尺寸不大的筋等，他们设置的目的是为了避让一些管道、线束等，或者 是为了局部连接，对车身力学性能意义不大，可以做出适当的简化。还有一些 小的圆角结构，是为了与其他设备角度配合而设的，对车身结构性能影响较小， 因此，在建模过程中做适当的简化处理。 就白车身刚度而言，不考虑前翼子板、保险杠等用螺栓联结的非承载结构 和非焊接小零件【2 9 1 。 对于车身结构不同部位，可采用不同的处理方法。 1 ) 、对加强筋的简化 对加强筋的处理，可以分为以下几种情况： a 、研究整车的刚度等性能建立简化模型时，车身整体的刚度强度占主要方 面，局部的加强筋的贡献并不大，所以可把加强筋简化。 b 、研究车身局部结构的刚度等性能建立简化模型时，加强筋可适当忽略。 c 、模态分析，求解固有频率、固有振型的模型不能忽略加强筋。 2 ) 、对翻边的简化 在对翻边进行简化时，起不同作用的翻边要区别对待。对构件刚度有 加强作用的翻边，在建立有限元模型时最好不要忽略。 对于两个构件之间起连接作用的翻边有以下两种情况： a 、当有些翻边仅是工艺上的需求时，对结构的力学性能影响很小，因此这 样的翻边可以忽略掉。 b 、当两构件焊接后，翻边对加强结构有一定的加强作用时，这样的翻边可 以保留一个，另一个忽略掉。 2 ) 、对孔洞的简化 车身结构中的孔洞结构大致分为两种类型：一种是由于装配连接的需要而 设置的孔，这些孔直径较小，数量多，对车身力学性能影响不大。因此这些孔 可以忽略掉。另一种孔直径较大，是为了安装某种零部件而设置的孔，而且这 些孔大都有翻边，对局部的力学性能有一定的影响，因此，最好不要忽略。一 般情况下，小于1 0 m m 的孔，可以忽略掉。 3 2 2 有限元模型单元类型的选取 在轿车车身结构分析有限元模型建立过程中，单元类型的选取十分重要。 对于车身结构有限元模型，所选取的单元应尽可能准确的反应车身的结构。 车身上的结构部件繁多，而且各结构都是由曲面组成，这种曲面结构形状复杂， 能够承受一定的空间变形，因此建模时所选取的单元要能反映实际情况。本文 模型是在h y p e r m e s h 中建立的，选取的是p s h e l l 壳单元。这种单元具有四个 或三个节点，每个节点都具有六个自由度，单元具有厚度、材料属性等，能够 9 承担空间变形，与实际接近。 3 2 3 有限元模型单元规模控制 轿车车身结构分析有限元模型单元数量的控制，主要影响前处理工作量和 计算时间。单元的类型确定以后，要确定单元的基本大小，进行单元的划分。 理论上说单元划分得越细，结果越精确，但是由于软硬件资源上的限制和计算 所用时间的经济性，单元的大小和数量要有一定的限度。 根据建立模型的不同目的，对车身模型的单元规模控制有所不同。一般来 说，在可以比较准确地获取计算结果的前提下，尽力减小模型规模。 3 2 4 有限元模型单元质量控制 有限元模型单元质量控制是轿车车身有限元建模过程中的关键。单元的质 量直接影响计算结果的准确性。下面对本课题所研究s r v 车身有限元模型的单 元质量标准进行说明。 对于四边形单元，要首先注意单元的翘曲角度( w a r p a g e ) 的检查。翘曲度就 是指单元对角线分割的两三角形垂直矢量间的夹角0 【，如图3 1 ，它反映了单元 的扭曲程度。翘曲度越小越好，理想单元的翘曲度为零。对于翘曲程度较大的 四边形单元，可通过细化或者将四边形单元分解成两个三角形单元来处理。 图3 1 翘曲度定义【3 0 】 单元外观l 匕( a s p e c t ) 也是影响模型质量的因素。外观比就是指单元最长边和 最短边的比值，它反映的是单元外观差异。一般认为此比值越接近1 越好，当 比值比较大，超过5 ：1 时，节点位移的最大差值将达到2 4 3 1 l 。 另一个影响模型质量的因素是偏斜度( s k e w ) 。偏斜度反映了单元夹角的偏 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 。 建立车身有限元模型的时候尽量采用四边形单元。因为三角型单元容易产 生应力，不符合标准，所以我们应该减少三角形的比例，一般三角形的比例应 控制在lo 以内。 参照相关研究经验，本课题研究的车型网格检查规范选取如下图3 1 。 1 0 表3 1 网格划分标准 名称标准 单元翘曲角不大于2 0 度 单元长度 按10 m 衄皂i j 分，最小单元长度不小于4 m m 单元长宽比小于5 雅可比大于0 6 最小四边形内角 大于4 0 度 最大四边形内角小于1 3 5 度 最小三角形内角大于2 0 度 最大三角形内角 小于t 4 0 度 三角形占全部单元比例小于1 1 3 3 2 5 材料属性及单位 车身板件的材料属性通常由密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、屈服极 限等物理量来表示。在添加材料属性时，为避免计算错误，要特别注意的情况 是单位的统一。本文采用的是t - m m s 单位制，即长度单位为毫米，时间单位为 秒。该轿车车身主要具体的材料性能如表3 2 所示。 表3 2 轿车材料性能表 i 材料 抗拉强度m p a屈服点仃。m p a 弹性模量g p a 密度t m m 3泊松比 s t e e l3 0 02 152 0 57 8 5 e 9o 3 3 2 6 有限元模型焊点处理 现代轿车车身普遍采用点焊装配技术，辅以缝焊，同时加上铆钉和螺栓等 连接件来连接车身各个部件。白车身总成各主要部件基本上都是采用点焊来连 接的。本车型白车身共有6 3 2 5 个焊点，整车估计有8 0 0 0 个焊点。 本模型在建模时主要用如下两种焊点模型来模拟： 1 ) 、单梁模型。这种模型是在焊点处用弹性梁或刚性梁直接将被焊接件连 接起来，或者直接把两焊接件上布置在焊点处的节点合并到一起。该类模型着 重模拟点焊的刚度特征及其对周围零件的影响。对单梁形式的点焊模型，在 n a s t r a n 软件中通常是用r b e 2 来实现的。 2 ) 、a c m 2 模型。a c m 2 ( 即a r e ac o n t a c tm o d e l2 ，区域接触模型2 ) 模 型是h e i s e r e r 最先提出。该模型是由一个处于两焊接件间、垂直于被焊接面的 六面体单元，即焊核，通过r b e 3 单元分别与两被焊接件连接组成。a c m 2 模 型如图3 2 所示。 囤3 - 2 a c m 2 焊点模型 整车车身焊点模型如图3 - 3 所示。通过焊接合并后的白车身模型如图3 - 4 所示。模型中，白车身所有零件都用板壳单元进行离散，尽量采用四边形壳单 元，三角形单元只占单元总数的7 ，共有部件总数3 2 7 个，4 9 3 1 0 9 个单元 5 5 1 0 6 1 个节点。 图3 - 3 车身焊点模型图 图3 4 白车身有限元模型 3 3 本章小节 本章简单介绍了车身有限模型类型及建立原则，总结阐述了该车车身有限 元模型的建立过程。对模型的简化原则、模型规模控制、网格相关标准及模型 质量控制、焊点的处理给出了一定的说明。对轿车白车身模型的建立具有一定 的参考价值。 第四章轿车白车身模态分析 车身结构固有模态是指车身结构振动特性，包括固有频率和振型。对车身 进行模态分析可以避免车身的频率与路面频率接近，防止共振情况出现【3 2 1 。 本章在白车身结构有限元模型的基础上，对车身结构的模态进行计算，得 到了车身固有频率和模态振型等参数，为后面的结构优化设计提供了分析基础。 4 1 模态分析基本理论 4 1 1 模态分析基本理论 模态分析主要计算车身结构的固有频率与相应振型。模态频率和振型除了 可以反映结构的动刚度特性外，还是分析结构动力响应和其它动力特性问题的 基础，它可以帮助判断引起结构共振的原因，通过模态综合分析，可以得到结 构对激励的响应等。 结构模态分析的意义，可解释成一种自由运动的变位分布方式。在不考虑 材料阻尼所形成的能量耗散且无外力干扰的情况下，系统可以周而复始地运动 下去，形成一个能量守恒系统。一个离散化模型的一个质点在一个方向上的变 位指标称为一个自由度，一个离散系统的一个模态，可由一个以该系统各自由 度为分量所组成的向量来代表。对多自由度系统，各模态为彼此独立的完全集， 在模态合成法中，结构的任何运动可以由其自由振动模态的线性组合来表示。 对于一般多自由度系统而言，其运动微分方程为【33 j ： 阻】辟( f ) + 【c 】协( f ) ) + k 】口( f ) ) = f ( f ) ( 4 1 ) 【明、【c 、【叼分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵； ( f ) 、拉( f ) j 、p o ) 为位移、速度和加速度向量；结构系统的基础模态是考虑无阻尼的自由振动， 因此式中i c l 与f ( f ) 为零。则可得： 阻 谚p ) + 区肛( f ) ) = 0 ( 4 2 ) 对任何线性结构系统而言，上式【竹】，k 】均为实数对称矩阵，求解时假设 在结构系统中，不同部位的振动为简谐运动，即 = 移) s i n ( c o t ) ，其中移 为特 征向量，0 9 为角频率，将此方程式代入方程式( 4 2 ) 中得到： 一缈2 阻形) s i n ( 耐) + k 形 s i n ( c o t ) = 0 ( 4 - 3 ) 式( 4 3 ) 在任何刻对t 均成立，故除去含t 的相可得： ( i x l 0 ) 2 m p 彩 ：0 ( 4 4 ) 式( 4 4 ) 为一典型的实特征方程式，通过变化可解得： ( k