（车辆工程专业论文）白车身静动态特性研究及结构优化.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社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，允许论文被查阅和借阅，同时授 权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库 并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论 文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密幽 学位论文作者签名：摩l 氮 砌1 年么月i 弓日 指导教师签名。智j 荔汐哕 年月 日 白车身静动态特性研究及结构优化 t h es t a t i ca n dd y n a m i c a n a l y s i sa n ds t r u c t u r e o p t i m i z a t i o no ft h eb o d yi nw h i t e ( b i w ) 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 车身是轿车的关键总成，它的构造决定了整车的力学性能。车身设计应满足 其刚度和强度的要求。车身的刚度特性反应了车身在整体上抵抗扭转和弯曲载荷 的能力，反应了轿车车身的整体性能。因此，通过对白车身进行刚度分析，结构 优化设计，提高其刚度性能有着十分重要的意义。另外，模态分析是车身结构动 态特性分析的基础，对白车身进行低阶模态分析能考察车身结构的整体动态性能， 并据此优化车身结构，合理的车身模态分布对提高整车的可靠性和n v h 性能等有 着十分重要的意义。 首先，将白车身三维模型导入有限元前处理软件h y p c r m e s h 中，建立有限元 模型，并对该模型进行了模态分析。同时采用锤击法对样车进行了模态试验分析， 通过仿真与试验的对比，验证了有限元模型的可靠性。然后，对常用工况和匀加 速工况下车内噪声和车身振动情况进行了阶次试验分析，发现该车型车内噪声较 大，而且在城市工况某些常用车速下存在共振可能。 为了研究车身的静态刚度特性，对车身进行了扭转刚度分析和弯曲刚度分析， 并测量了门框、前风挡框，后背门框对角线的变形情况，发现车身扭转刚度和弯 曲刚度与同类型车相比较高，只是有局部区域刚度相对较弱，需要改进。 为了提高模型修改的效率，有针对性的对结构进行改进，本文对白车身进行 了应变能密度分析，可以快速找出刚度较弱的区域；还对车身部件的板厚进行了 频率灵敏度分析，以确定各部件板厚的变化对白车身低阶频率的影响程度。通过 权衡各个构件对修改目标的影响，有针对性地提出了优化方案。 关键字：白车身，应变能密度法，灵敏度，刚度分析，模态分析 白车身静动态特性研究及结构优化 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o t i v eb o d yi sav e r yi m p o r t a n ta s s e m b l yo fam i n i c a r ， a n di t s s t r u c t u r ea c t sak e yr o l eo nt h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo ft h ec a r s b o d ys h o u l db ed e s i g n e dt om e e tt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t hr e q u i r e m e n t s s t i f f n e s so ft h ec a r b o d y i nt h eo v e r a l lr e a c t i o no ft h e a b i l i t y t o r e s i s tt o r s i o na n d b e n d i n gl o a d sa n dt h ep e r f o r m a n c eo fc a rb o d ys oi tw i l l b eo fm o m e n t o u ss i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h es t i f f n e s so ft h eb o d yb yt h e w a yo fs t i f f n e s sa 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 i na d d i t i o n ， m o d a la n a l y s i si st h eb a s i so fd y n a m i c a n a l y s i so fb o d ys t r u c t u r e b o d y s t r u c t u r es h o u l db eo p t i m i z e do nt h eb a s eo ft h ea n a l y s i so fl o wo r d e r m o d e s i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et or a t i o n a l i z et h em o d e sd i s t r i b u t i o nt o i m p r o v et h ev e h i c l er e l i a b i l i t ya n dn v hp e r f o r m a n c e f i r s to fa l l ， b o d yi nw h i t e ( b i w ) m a t h e m a t i c a lm o d e lw a sb u i l ta n d i n p u ti n t oh y p e rm e s h t oc o n s t r u c tf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h e nl o w e ro r d e r m o d e a n a l y s i s a r e a d o p t e d m e a n t i m e m o d e lt e s tb a s e do nt h e h a m m e r p e e n i n gw a s c a r r i e do u tt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ef i n i t em o d e l m o r e o v e r ，o r d e rt e s to ft h ei n t e r i o rn o i s ea n dt h ev i b r a t i o no ft h ec a rw a s c a r r i e do u ti nt h ec o n d i t i o no fc o m m o nu s e d s p e e d a n du n i f o r m l y a c c e l e r a t i o n a sar e s u l t ， i tw a sf o u n dt h a tt h ei n t e r i o rn o i s ei sv e r yb i g a n dt h er e s o n a n c eo ns o m es p e e d sm a ye x i s tb yc o m p a r i n gt h et h e o r y m o d e la n a l y s i sw i t hm o d e lt e s t t o r s i o n a lr i g i d i t ya n db e n d i n gr i g i d i t ya n a l y s i so ft h ec a rb o d yw a s m a d et os t u d yt h es t a t i cs t i f f n e s so ft h eb o d y a tt h es a m et i m e ，t h ec h a n g e o ft h el e n g t ho fd i a g o n a ll i n e so ft h ed o o r f r a m e ，f r o n tw i n d s h i e l df r a m ea n d b a c kd o o rf r a m ew a sa c c e p t e d i tw a sf o u n dt h a tt h et o r s i o n a lr i g i d i t ya n d b e n d i n gr i g i d i t yo ft h ec a rb o d yw a sh i g h e rt h a nt h es a m ek i n do fc a r s ， 白车身静动态特性研究及结构优化 e x c e p ts o m el o c a la r e aa l i t t l ew e a k e rt h a no t h e r s c a rb o d ys h o u l db ep e r t i n e n to p t i m i z e d ，s ot h a tt h em o d e lc a nb e m o d i f i e de f f e c t i v e l y t oa s c e r t a i nt h ew e a k e rs t i f f n e s sa r e a sq u i c k l y , s t r a i n e n e r g yd e n s i t ya n a l y s i so fb i w w a sp e r f o r m e d t oa s c e r t a i nt h ei n f l u e n c e o fc o v e rp a n e lt h i c k n e s so ft h ec a rb o d yo nt h el o w e ro r d e rm o d e f r e q u e n c y ，t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i sw a sp e r f o r m e d b a s e do n t h ea n a l y s i s ， o p t i m i z a t i o no b j e c tw e r ev e r i f i e dt om e e td i f f e r e n td e m a n d so ni n s t r u c t i n g t h ec o m p a n i e st oi m p r o v et h ee a rb o d ys t r u c t u r e k e yw o r d s ：b i w ，s t r a i ne n e r g yd e n s i t y ，s e n s i t i v i t y ，s t i f f n e s sa n a l y s i s ， m o d a l a n a l y s i s i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 第四章 4 1 4 2 目录 1 j 3 i 言】【 现代车身设计技术1 轿车车身研究背景3 1 3 1 国外研究现状3 1 3 2国内研究现状4 本文的研究内容及意义。5 有限元模型建立及有限元软件介绍7 弓i 言。7 有限元法的基本思想8 有限元分析软件介绍9 2 3 1 有限元前处理软件h y p e r m e s h 介绍1 0 2 3 2 有限元后处理软件o p t i s t r u c t 介绍1 0 白车身有限元模型的建立1 1 2 4 1 模型建立的原则1 1 2 4 2白车身有限元模型建立过程1 3 本章小结。1 4 白车身静态刚度模拟计算分析1 5 弓i 言1 5 白车身刚度分析基础1 6 3 2 1 车身扭转刚度1 6 3 2 2 车身弯曲刚度1 7 白车身静刚度模拟计算分析过程1 8 3 3 1白车身扭转刚度模拟计算1 8 3 3 2 白车身弯曲刚度模拟计算2 0 窗口及门洞口的变形2 2 本章小结。2 3 白车身结构动态分析。2 4 引言2 4 白车身数值模态分析。2 4 4 2 1 数值模态分析基本理论2 5 v 白车身静动态特性研究及结构优化 4 3 4 4 4 5 第五章 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 第六章 4 2 2 白车身数值模态分析结果分析一2 6 试验模态分析2 8 4 3 1 试验模态分析理论2 8 4 3 2 模态试验方案设计。3 0 4 3 3 模态试验结果分析3 1 阶次振动试验分析3 3 4 4 1 阶次分析理论基础3 3 4 4 2 阶次跟踪试验过程3 4 4 4 3 阶次跟踪试验结果分析3 6 本章小结4 2 车身结构优化设计研究 弓i 言j 。4 3 车身应变能密度分析4 4 5 2 1 应变能密度理论及分析4 4 白车身灵敏度分析介绍4 7 5 3 1 灵敏度分析的意义4 7 5 3 2 灵敏度分析基本理论4 7 5 3 3白车身灵敏度分析。4 9 白车身结构优化5 1 本章小结5 3 结论与展望。5 4 6 1 全文总结5 4 6 2 展望5 5 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的学术论文 5 6 5 8 5 9 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着国民经济的蓬勃发展，汽车已一跃成为当前极为重要的交通工具。作为 汽车上三大总成之一的车身，已后来居上越来越处于主导地位。据统计，客车、 轿车和多数专用汽车车身的质量约占整车自身质量的4 0 一6 0 ；货车车身质量约占 整车自身质量的1 6 一3 0 ；其各车型的车身占整车制造成本的百分比甚至还略超过 以上给出的上限值【l 】【2 】。 车身是轿车的重要组成部分，现代汽车车身大多数采用全承载式结构，其覆 盖件的质量布置直接影响汽车的寿命和整车力学性能。汽车在行驶过程中，不仅 承受静载( 人、货等) 的作用，同时受路面不平度的影响，因而不断受到随时间变化 的激振力的作用，其结构刚度特性具有举足轻重的作用，据分析白车身对整车的 刚度贡献达到6 0 以上。因此对汽车车身进行结构刚度分析，在汽车结构的综合 设计中是必不可少的【3 】。 汽车自上个世纪诞生以来，已有了一百多年的历史，随着汽车技术的不断推 陈出新，各级供应商和整车厂之间日益紧密合作，不同品牌汽车的使用性能和安 全性能之间的差别同趋缩小。相比之下，汽车的舒适性能如振动和噪声就常常成 为区分汽车品牌好坏的重要因素之一【4 】。另外，单纯的驾驶性能早已不能满足人们 的要求，汽车开始向着驾驶性能、乘坐舒适性以及美观的综合要求发展。汽车行 驶时，路面不平以及发动机、传动系和车轮等旋转部件会激发汽车的振动，当外 界的激振频率与系统固有频率接近时，将产生共振。共振不仅使乘员感到很不舒 服，带来噪声和部件的早期疲劳损坏，还会破坏车身表面的保护层和车身的密封 性，从而削弱抗腐蚀性能。合理的车身模态分布对提高整车的可靠性和n v h 性能 有着十分重要的意义。 1 2 现代车身设计技术 车身设计技术主要包括造型设计技术、工程设计技术以及先进的设计理念等 几个方面，具体有计算机辅助造型技术、虚拟现实技术、空气动力学模拟、人机 白车身静动态特性研究及结构优化 工程技术、数字样机技术、c a e 分析和验证技术、模块化设计技术、性能设计技 术和并行工程等【5 1 。 1 1 计算机辅助造型技术 计算机辅助造型( c o m p u t e ra i d e ds t y l i n a s ) 是随着扫描技术和矢量化技 术的发展，在现代车身设计中得到应用的- - f q 新兴的造型技术。c a s 设计与传统 的仿形法设计不同，它是将表达完整的造型胶带图用三维扫描仪直接输入工作站 中，经过矢量处理后得到原始的数据点，再运用c a s 系统进行实体造型，最后得 到三维可加工的数字模型。 劲虚拟现实技术 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i 缈堋) 技术目前是国际上各大汽车厂商及设计公司 展示自身实力及进行辅助造型设计的一种手段，同时为方案评审提供了准确的依 据。虚拟现实技术是一种先进的计算机用户接口，它强调将用户和计算机视为一 体，通过多媒体的方法将信息进行可视化，展现在用户面前。用户通过专用的设 备进入虚拟的环境中，以各种习惯的方式与计算机进行人机交互。 3 1 空气动力学模拟 汽车空气动力学主要是运用流体力学的知识，研究汽车行驶时周围空气的流 动情况和空气对汽车的作用力( 称为空气动力) ，以及汽车的各种外部形状对空 气流动和空气动力的影响。此外，空气对汽车的作用还表现在对汽车发动机的冷 却，车厢里的通风换气，车身外表面的清洁，气流噪声，车身表面覆盖件的震动， 甚至刮水器的性能等方面的影响。因此，汽车的空气动力学问题可分为内流和外 流两种情况，整车空气动力特性属于外流，空调系统、车室内流动等属于内流。 在新型汽车开发中提出的有关空气动力学问题，包括新车型气动性能预测和现 生产产品性能分析等。如果采用传统的研究方式，即风洞试验，需要准备实车或模 型，费用较高、周期较长，各种状态的三维流场的详细情况在试验中也很难观察到， 使试验研究受到很大的限制。而采用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 模拟计 算，不需要实车或模型，可节省大量的试验经费，可在开发的前期进行预测，随时 对设计方案进行修改，并可得到三维流场的详细信息，以供设计部门参考。 铆人机工程技术 人机工程学是从2 0 世纪5 0 年代开始迅速发展起来的一门新兴的边缘科学， 2 江苏大学硕士学位论文 从人的生理和心理特点出发，研究人、机、环境的相互关系和相互作用的规律， 以优化人一机一环境系统的一门科学。在车身产品开发过程中，主要体现在驾驶 员和乘员在驾驶和乘坐状态下的舒适性、视野性、手伸及性和操纵方便性等方面。 5 1 数字样机技术 数字样机( d i g i t a lm o c k - i 忡u m ) 技术作为目前世界汽车行业产品开发的 主流技术，在提高汽车产品开发的速度与质量方面起着越来越重要的作用。它在 车身产品开发中，主要体现在一下几个方面： 幻白车身焊接过程模拟 b 1 车门玻璃装配模拟 曲运动干涉分析 6 ) c a e 分析和验证技术 产品设计阶段的c a e 分析和验证技术已经得到了全面深入的应用，主要涉及 白车身和部件的静态、动态、安全和疲劳分析，空间和管路的c f d 分析，钣金件 的冲压成形可行性分析，塑料件注塑过程的模拟分析等方面。 7 ) 模块化设计技术 模块化设计技术是在系列化设计和平台设计的技术概念背景下提出的。随着 零部件供应商自主开发能力的不断提高，总成开发的技术革新和产品开发的职责 向供应商转移，模块化的程度和趋势日益明显。 目前，车身设计的模块化程度已经达到车门模块化、仪表板( 加副仪表板) 模块化、顶后侧内饰模块化以及白车身模块化。 1 3 轿车车身研究背景 1 3 1国外研究现状 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 ， d y n a ，a b a q u s ，s a p ，a d i n a 、h y p e r m e s h 等。经过三十年多年的积累和发 展，国外各大汽车公司建立了高性能的计算机辅助工程分析系统，形成了完整的 设计、分析方法与试验程序，应用领域有l q ： ( 1 ) 结构分析。如车身静态刚度、强度分析；耐久性分析；塑性变形分析； 复合材料分析。 3 白车身静动态特性研究及结构优化 ( 2 ) 整车及零部件的模态分析。 ( 3 ) n v h 分析。包括各种振动、噪声，如摩擦噪声、风噪声等。 ( 4 ) 车辆模拟碰撞分析。可以模拟车辆的正面、侧面、追尾碰撞，还可以模 拟碰撞中乘员的姿势。 ( 5 ) 流体分析。如空气动力特性分析。 ( 6 ) 优化分析。包括对结构形状与尺寸的优化，结构重量最轻，动静态特性 最优等综合分析。 工程分析贯穿车身结构设计的全过程。对应于车身结构设计的概念设计阶段， 结构设计阶段及不同的分析目的，选用不同的单元，不同的模型规模进行车身结 构分析。为获得更加准确的模拟计算结果，目前国外用来进行静态分析及静态特 性优化的轿车车身有限元模型单元、碰撞和噪声分析的模型单元高达几十万。软 硬件实力雄厚，二次开发能力强。国外各大公司不仅拥有世界上最先进的工程分 析软件，而且还能充分利用现有的软件，结合各自的c a e 系统进行开发，达到前 后处理与分析的高度自动化。 目前，国外新车型开发周期已经缩短到2 4 至3 6 个月同，这与采用现代车身结 构设计方法是分不开的。现代车身结构设计由经验、类比、静态设计，向建模、 静动态分析、动态优化及虚拟现实设计转变。现代车身结构设计方法有以下几个 明显的特点：设计与分析平行；结构优化的思想被应用在设计的各个阶段；大量 的虚拟试验取代实物试验。 1 3 2 国内研究现状 随着我国汽车工业的不断发展，对汽车研发的投资越来越多，不断引进国外 先进技术，自身研发能力和技术水平也得到大力提高。到目前为止，我国汽车工 业已经基本具备商用车和乘用车以及零部件的自主开发能力。但与国际水平相比， 我国的汽车技术水平和研发能力仍然较低。近年来，我国汽车工业的技术引进正 在从单一全套产品引进，向以引进开发技术为主的方向转变。为实现完全自主开 发，关键总成( 包括车身) 开始与国外厂家进行联合开发，从中学习技术、积累 经验，尽快向自主开发过渡【8 l 。 在我国汽车工业发展的大环境下，就车身产品设计技术而言，也走了一条“技 术引进一自我开发一联合设计 的道路，并向自主开发的方向努力。国内车身设 4 江苏大学硕士学位论文 计技术状况具有如下几个特征 9 1 t l o l ： 1 ) 国内主要设计单位的设计技术水平已经达到全面三维设计的程度，从三维 造型、线图设计、三维结构设计，到最后输出二维图样和文件，全面应用三维设 计软件( a l i a s ，i c e m s u r f ，c a t i a ，u n i g r a p h i c s ，p r o e n g 矾e e r ) ， 保证了产品在开发过程中数据的一致性和共享性，极大地提高了产品的开发质量， 缩短了开发周期，为快速反应市场需求提供了技术条件。 劲部分设计单位初步具备了自主开发能力。虽然国内市场的主流产品大多是 通过技术引进的方式实现国产化的，但在此基础上的改型设计( 如改前脸、侧围、 内饰等) 基本上都是自主开发。在改进这些项目中，初步具备和掌握了当前先进 的设计方法和设计手段，如计算机辅助造型技术、c a e 分析和验证技术等。 3 ) 产品开发流程和设计规范得到了提高和完善。随着联合设计项目的增多， 与国外先进设计公司的技术交流也日益频繁，在技术培训和项目操作过程中，吸 收了国外先进的开发流程和设计规范，并充实和应用到具体的产品开发过程中， 实现了流程的再造。科学的流程对项目的管理运作、产品的开发和设计都起到了 积极的指导作用。 1 4 本文的研究内容及意义 本文主要以某轿车白车身为研究对象，建立其有限元模型，从试验研究到仿 真计算，研究了白车身的静态刚度特性及其动态特性，并且基于灵敏度分析对白 车身进行结构优化设计。主要研究内容如下： ( 1 ) 对白车身进行静态刚度模拟计算，计算了其静态扭转刚度和弯曲刚度， 得到了车身底部纵梁及门槛梁的变形曲线，并测量了最大载荷情况下门框、前风 挡框、后备门框对角线的变形情况。 ( 2 ) 在“自由自由”边界条件下对其进行模态分析，计算得到白车身的理论模 态参数。对白车身进行了模态试验，得到实际白车身的动态特性参数，通过理论 和试验结果对比分析，校验有限元模型的精确度，对模型做了进一步修改和完善。 对白车身常用工况下的车内噪声和结构振动进行了阶次试验分析，对白车身动态 性能进行评价。 ( 3 ) 对该轿车白车身做了应变能密度分析，及灵敏度计算分析，通过计算分 5 白车身静动态特性研究及结构优化 析确定了车身上刚度较弱的区域以及对模态频率较灵敏的零部件。这为以后提高 整车或局部刚度和改变某一阶模态频率提供很高参考价值。 ( 4 ) 基于以上分析的结果，取部分结构的板厚为设计变量，以刚度均匀化和 避开常用车速下的激振频率为优化目标进行优化分析。 本文对白车身计算分析过程的介绍为汽车行业内的相关研究积累了一定的经 验。对有限元模型进行静态刚度分析、模态分析以及应变能密度分析，并以低阶 模态频率值为目标函数进行灵敏度分析，然后以灵敏度分析得到的结果对低阶模 态频率影响较大的部件的板厚为设计变量进行优化分析。该分析流程同样适合所 有模型，该分析为同类分析积累了一定的经验和技术资料，且该分析数据对同类 车型具有一定的参考价值，对车身的结构设计具有一定的指导意义。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章有限元模型建立及有限元软件介绍 2 1引言 轿车车身结构复杂，组成零件繁多【1 1 】，传统的产品设计是以经验设计为主的 结构设计，以满足功能要求为第一位。设计流程是一个人工反复进行设计的过程。 工程师借助a 心工具进行产品设计，提交工厂进行加工制造，然后对实物产品进 行各项试验。如果产品不能满足功能要求或者失败，就需要对产品设计进行修改， 重新制造、试验，如此反复，直到产品在试验中满足全部要求为止。产品的设计 周期长，耗费高，不能满足产品快速发展的要求。 而且，早期的汽车结构分析主要是对汽车结构的经验判断和试验模拟。应用 经典的力学方法进行零部件的材料强度和刚度计算。而对轿车车身这样的复杂的 大型连续弹性体来说，人们的解决方法就显得十分有限，很难得到有意义的分析 结构【1 2 1 。 当今c a d c a e 技术己经成为衡量一个国家汽车工业技术水平的重要标志之 一，也是衡量一个汽车制造公司技术水平的重要标志。随着c a e 技术的日渐成熟， 各种数值仿真方法，如有限元、多体动力学、计算流体力学等技术，在产品设计 中得到大量的应用。以有限元法为代表的技术是分析各种结构问题的强有力的工 具，它是伴随着电子计算机技术的进步而发展起来的一种新兴数值分析方法。有 限元法是一种工程数值计算方法，其适应性很强，可以解决各种各样的复杂工程 问题【1 3 1 。产品在完成初步设计后，可以基于c a d 模型进行产品性能的虚拟试验， 通过有限元分析，观察车身及其结构件在各种工况下的变形，可以得到车身强度、 刚度以及振动频率等力学特性，初步检验其工作应力、运动过程、产品寿命等。 将有限元分析结果反馈到车身设计的各个环节，可以修改设计中不合理的因素， 经过反复的优化，提高车身设计质量，使得车身在设计阶段就能够保证满足使用 的要求，从而缩短设计周期，节省大量的试验和生产费用，现代产品设计流程如 图2 1 所示【1 4 1 f 1 5 】： 7 白车身静动态特性研究及结构优化 图2 - 1 现代产品设计流程图 f i 醇一1f l o wch a r to fm o d e m p r o d u c td e s i g n 2 2 有限元法的基本思想 有限元法的基本思想可以概括为“先分后和”或“化整为零又积零为整” 1 4 1 是将一个实际的结构( 弹性连续体) 划分为有限大小的、有限个数的单元组合体进 行研究。这些单元只在有限个指定的节点上相互连结，单元之间的载荷也仅由节 点传递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单元划 分。有限个的单元称为有限单元，简称单元【1 6 1 。 从求解未知量的角度分析，有限元法可以分为三类【1 7 】： ( 1 )位移法取节点位移作为基本未知量。 ( 2 )力法一取节点力作为基本未知量。 ( 3 )混合法取部分节点力和部分节点位移作为基本未知量。 目前广泛应用的是有限元位移法，它是以单元的节点位移作为基本未知量。 先单元分析，找出单元内的位移、应变、应力和单元节点力与单元节点位移之间 的关系，建立每个单元的刚度方程；其次进行结构整体分析，集成整个结构所有 8 江苏大学硕士学位论文 单元刚度方程构成总刚度方程；确定整体结构的边界条件和载荷之后，求解总刚 度方程就可得到各单元节点位移，利用位移与应变之间的几何方程得到节点的应 变，然后用应变与应力之间的弹性方程得到节点的应力【1 8 1 。 有限元法是在差分法和变分法的基础上发展起来的一种数值方法，它吸取了 差分法对求解域进行离散处理的启示，又继承了里兹法选择试探函数的合理方法。 有限元的基本思想可归结为两个方面，一是离散，二是分片插值。 1 、离散 离散就是将一个连续求解域人为地划分为一定数量的单元( d e m e n t ) ，单元 又称网格( m e s h ) ，单元之间的连接点称为节点( n o d e ) ，单元间的相互作用只 能通过节点传递。 离散处理的目的，就是将原来具有无限自由度的连续变量微分方程和边界条 件转换为只包含有限个节点变量的代数方程组，以利于用计算机求解。 2 、分片插值 变分法是在整个求解域用一个统一的试探函数逼近真实函数，当真实函数性 态在求解域内趋于一致时，这种处理是合理的。但如果真实函数的性态很复杂， 再用统一的试探函数，就很难得到较高的逼近精度，或者说要得到较高的精度就 需要阶次很高的试探函数。同时，由于不能在求解域的不同部位对试探函数提出 不同的精度要求，往往由于局部精度的要求使问题的求解很困难。所以这类方法 一般用于求解函数较规则和边界条件较简单的问题。 分片插值的思想是有限元法与里兹法的一个重要区别，它是针对每一个单元 选择试探函数( 也称插值函数) ，积分计算也是在单元内完成。由于单元形状简 单，所以容易满足边界条件，且用低阶多项式就可获得整个区域的适当精度。对 于整个求解域而言，只要试探函数满足一定条件，当单元尺寸缩小时，有限元解 就能收敛于实际的精确解【1 9 1 。 2 3 有限元分析软件介绍 c a e 软件通常可分为通用软件和行业专用软件。目前在国际市场上被认可的 通用软件主要包括：美国m s c 公司的m s c n a s t r a n 、m s c m a r c ，美国a n s y s 公司的a n s y s ，美国澳汰尔( a l t a i r ) 公司的h y p e rw o r k s ，美国h k s 公司的 9 白车身静动态特性研究及结构优化 削酣屺u s ，美国l s t c 公司的l s d y n a ，美国n e i 公司的n e n a s t r a n ，比利时 s a mt e c h 公司的s a m c e f ，美国a d i n a 公司的a d i n a 和美国e d s 公司的i - d e a s 等。这些软件都各有自己的特点。 本文将车身c a d 模型导入有限元分析软件h y p e rm e s h 中，对车身进行有限 元网格划分，赋予材料属性以及单元属性，建立约束条件和载荷条件，然后对其 进行有限元分析。针对模型存在的不足，应用o p t i s t r u c t 后处理软件对模型进行优 化设计。 2 3 1有限元前处理软件h y p e r m e s h 介绍 a l t a i rh y p e rm e s h 是一款高效的有限元前、后处理软件，能够建立各种复杂模 型的有限元和有限差分模型，与多种c a d 和c a e 软件有良好的接口并具有高效的 网格划分功能。h y p e rm e s h 是一个针对有限元主流求解器的高性能有限元前后处 理器，工程设计人员可以在一个极佳的交互式可视环境下对多种设计条件进行分 析。 h y p e rm e s h 含有一系列工具，用于整理和改进输入的几何模型。输入的几何 模型可能会有间隙、重叠和缺损，这些都会妨碍高质量网格的自动划分。h y p e r m e s h 提供方便、实用的几何清理工具，通过消除缺损和孔洞以及压缩相邻曲面的 边界等，用户可以在模型内更大、更合理的区域划分网格，从而提高网格划分的 总体速度和质量。同时，它还具有云图显示网格质量、单元质量跟踪检查等方便 的工具，可以及时进行检查并改进网格质量。 在建立和编辑有限元模型方面，h y p e rm e s h 为用户提供了一整套先进而且易 于使用的工具包。对于2 d 和3 d 建模，用户可以使用各种网格生成模板以及强大的 自动网格划分模块。 2 3 2 有限元后处理软件o p t i s t r u c t 介绍 a l t a i ro p t i s t r u c t 是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解 器，拥有全球先进的优化技术，提供全面的优化方法。o p t i s t r u c t 从1 9 9 3 年发布以 来，被广泛而深入地应用到许多行业，在航空航天、汽车、机械等领域成功获得 大量应用。 o p t i s t r u c t 是以有限元法为基础的结构优化设计工具。它提供拓扑优化、形貌 1 0 江苏大学硕士学位论文 优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化，可产生精确地设计概 念或布局。 o p t i s t r u c t 提供的优化方法可以对静力、模态、屈曲、频响等分析过程进行优 化，其稳健高效的优化算法允许在模型中定义成千上万个设计变量。设计变量可 取单元密度、节点坐标、属性( 如厚度、形状尺寸、面积、惯性矩等) 。此外，用 户也可以根据设计要求和优化目标，方便地自定义变量。 在进行结构优化过程中，o p f i s t r u c t 允许在有限元计算分析时使用多个结构响 应，用来定义优化的目标或约束条件。o p t i s t r u c t 支持的常见的结构响应，包括位 移、速度、加速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、结构应变能，以及各 响应量的组合等。其特点可概括如下【2 0 1 ： 包含多种设计变量及合并的设计变量。 强大的优化算法。 多种工况下合并优化。 多目标优化分析。 可设置临界约束，加快优化计算效率。 重启动功能，优化分析可从一个完整的周期开始而且继续下去。 采用可调整的收敛精度。 稀疏矩阵求解器，速度快、所需磁盘空间小。 优化后模型可输出给c a d 软件进行二次设计。 模态跟踪。 多种制造加工约束定义。 自动报告生成功能。 2 4 白车身有限元模型的建立 2 4 1 模型建立的原则 在有限元分析过程中，建模是最关键的环节。建立有限元模型时需要考虑的 因素很多，分析的问题不同考虑的侧重点也不一样。但不论什么问题，建模时应 考虑两条基本原则【1 9 1 ： 1 ) 保证计算结果的精度 1 1 白车身静动态特性研究及结构优化 有限元计算是一个非常复杂的过程，计算结果的精度与很多因素有关，且很 多因素对精度的影响有较大的偶然性，所以对结果精度做出定量估计非常困难。 从有限元分析的整个过程来看，计算结果的误差主要来自两个方面：一是模型误 差，二是计算误差。 模型误差是指将实际问题抽象为适合计算机求解的有限元模型时所产生的误 差，即有限元模型和实际结构之间的差异。他又包括有限元法离散处理所固有的 原理性误差，几何模型处理和实际工况量化为模型边界条件时所带来的偶然性误 差。计算误差指采用数值方法对有限元模型进行计算所产生的误差，误差的性质 是舍入误差和截断误差。 在上面分析的误差中，有些是程序设计人员在软件开发中需要考虑的，有些 是分析人员在建模时应该考虑和控制的。在建模过程中，应视分析问题的特点， 有选择地采用各种方法提高计算结果的精度。一般可采用的方法有： 舢提高单元阶次 适当增加单元数量 曲单元形状规则化 m 边界条件与实际相符 减小模型规模 d 避免出现病态方程 劲适当控制模型的规模 模型规模指模型的大小，直观上可以用节点数和单元数来衡量。一般来说， 节点和单元数越多，模型规模越大，反之则越小。在估计模型规模是，除了考虑 节点的多少外，还应考虑节点的自由度数。因为总刚度矩阵的阶次等于节点数与 其自由度数的乘积，即结构的总自由度数。如在热分析中，每个节点仅有一个温 度自由度，模型节点数量增加一倍时，总刚度矩阵的阶次也仅增加一倍。而壳单 元节点自由度达到6 个，这时节点数量增加一倍，总刚度矩阵的阶次将增加6 陪。 所以，节点数量相同的情况下，后者单元的模型规模要远远大于前者。 要降低模型规模一般可采取以下措施： 幻对几何模型进行处理，将细节简化 采用子结构法，即先将一个复杂的结构从几何上分割为一定数量的相对简 江苏大学硕士学位论文 单的子结构，对每个子结构进行分析，将每个子结构的计算结果组集成整体结构 的有限元模型。 曲利用分布计算法，即计算时先忽略细节，对整个结构采用比较均匀和稀疏 的网格，然后，以此计算结果作为模型的边界条件，计算划分的更细密的局部细 节结构。 d ) 进行带宽优化和波f i 处理，由于有限元计算的计算时间和存储容量与模型 带宽和波前有关，带宽和波前的大小又取决于节点和单元的编号顺序。所以对节 点和单元的编号进行优化，使模型带宽和波前最小，同样能使模型规模降低。 d 利用主从自由度法，即在模型的所有自由度上选择部分典型自由度作为主 自由度，其余自由度均作为从属自由度，然后将结构运动方程缩减到主自由度上， 从而使运动方程的阶次降低。求解缩减的运动方程后，再将主自由度上的节点的 运动情况还原到所有自由度上，就可以获得整个结构的运动情况。 2 4 2 白车身有限元模型建立过程 该轿车的车身骨架结构由车体结构件以及覆盖件焊接而成，建立车身有限元 模型是一项十分繁重的工作。为了在合理的程度内减轻工作量，往往只考虑较为 主要的结构【2 1 1 。所以要对结构进行简化，结构的简化以忠实主要的力学特性为前 提，既力求每个单元与实际结构之间几何类型的一致，又力求单元传递的运动力 学特性相一致【捌【矧。因此对车身做的简化主要包括以下几个方面： ( 1 )忽略非承载结构件。车身的主要承载零部件及总成包括门槛梁，前、 后纵梁，顶盖，a 、b 柱和后风窗支柱，前、后轮罩，前、后悬挂固定座，后围板， 包裹架等。保险杠主要是用于轿车碰撞时的吸能元件，前翼子板的设计也主要是 从外形、维修要求及安全性出发，它们都是用螺钉与车体骨架连接的，在建立模 型时一般不考虑这些零件； ( 2 )忽略结构的次要特征。车身结构中有的小尺寸结构，如小孔( 直径1 0 m m 以下) 、开口、翻边、尺寸不大的筋和凸台等，它们的设计目的通常是为了局部连 接或者让一些管路、电线束的穿过而设，而不是从提高刚度方面来考虑的。还有 一些小的圆角结构，也常常是从制造工艺和安装其它设备，以及与其它部件配合 的角度出发的，将这样的圆角简化成尖角，对整车的结构特性影响极小。因此它 们在建模过程中被简化掉； 1 3 白车身静动态特性研究及结构优化 ( 3 )主从节点原则。为了避免模型病态问题，对于位置较近的构件结合点 应采用适当合并或主从节点的方式处理； 轿车白车身主要由薄壁板件构成，厚度在o 7 _ 2 0 r a m 之间且大部分厚度在 0 8 m m 左右，故采用定义厚度的四节点板壳单元( p s 卸巨l u 来划分薄壁板件的网 格，对于零件上形状不规则的区域采用四边形单元和三角形单元混合划分，焊点 采用r b c 2 单元模拟。 网格的数量对计算结果精度和计算规模有很大的影响。网格数量增加，结果