（车辆工程专业论文）车身概念设计中接头的精细仿真研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在车身概念模型设计中，由于忽略接头单元对整车扭转刚度、弯曲刚度还有模态的 影响，导致概念设计产生结果与详细模型结果在数值上存在一定偏差，最明显表现在整 车的扭转刚度上。 本文针对这些情况作了以下几点工作： ( 1 ) 针对目前比较难解决的接头仿真问题，用解耦方法实现刚度矩阵转化变形使 其达到可以让参数化接头更符合真实情况。 ( 2 ) 全面地描述简化接头的模拟过程，详细阐明概念设计中接头单元的组成部分。 ( 3 ) 利用详细接头单元自身的物理属性，更加方便地测算出接头单元的刚度。通 过c a e 仿真实验，研究分析得出关于接头单元刚度的测算公式。并采用神经网络的原 理对接头的刚度进行测算。 ( 4 ) 本文通过对比具有接头单元的简化车身模型与不带有接头单元的模型，分析 认为具有接头单元的车身模型的扭转刚度更加贴近详细车身模型，验证概念设计的接头 单元更加可行。 关键词：概念设计；解耦；接头；模拟 j o i n ts i m u l a t i o nm e t h o d i nc o n c e p t i o nd e s i g n o fc a r b o d ys t r u c t u r e a b s t r a c t b a s eo nn e g l e c t i n gt h es t u d yo ft h ej o i n ti nt h ec o n c e p t i o nd e s i g n ，t h et o r s i o ns t i f f n e s s ， t h eb e n d i n gs t i f f n e s sa n dt h em o d e lo ft h ew h o l ec a rm i g h tb er e s u l t e di nm u c he r r o r ， e s p e c i a l l yi nt h ec h a n g eo ft h et o r s i o ns t i f f n e s s s of a r , t h es t u d yo ft h ec o n c e p tj o i n th a dn o t b e e ns u f f i c i e n t t h ew o r k sa sf o l l o ww e r em a d ef o rt h e s ec o n d i t i o n s ： ( 1 ) t 1 1 ew a y o f n o n c o u p l i n gw a su s e dt os i m u l a t et h ej o i n te l e m e n tm o d e l i nc o n c e p t i o n m e t h o dt od e s i g nt h ea u t ob o d ys t r u c t u r e ( 2 ) t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e st h ep r o c e s sh o wt os i m u l a t et h ec o n c e p tj o i n tm o d e l ，t h e p a r t sw h i c hw e r em a d eu po ft h ec o n c e p tj o i n te l e m e n ta n dt h ew a yh o wt oc a l c u l a t et h e s t i f f n e s so f t h en o r m a l j o i n tm o d e l ( 3 ) 而ew a yt os o l v et h es t i f f n e s so ft h ej o i n te l e m e n tb a s e do nt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e s w a sc a r r i e do u t t h r o u g ha l a r g en u m b e ro fc a e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to nj o i n ts t i f f n e s s ，t h e m e a s u r e m e n tf o r m u l aw a ss t u d i e d ( 4 ) f o rv a l i d a t i n gt h ef e a s i b l eo ft h ew a yt os i m u l a t et h ej o i n tm o d e l t h ee x p e r i m e n tt h a t t h ec o m p a r eb e t w e e nt h ew h i t eb o d i e sm o d e lw i t hj o i n tm o d e la n dt h a tw i t h o u tj o i n tm o d e l w a se x p e n s e d k e yw o r d s ：c o n c e p td e s i g n ；j o i n t ；n o n c o u p l i n g ；s i m u l a t i o n i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：垒戛趣金銎型生堡丞垒塑! 里塑复印宾 储獬：书j 磅嘲：雩年盥孕日 大连理上人学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理t 人学硕十学位论文 第一章前言 1 1 车身概念设计模型以及车身概念设计模型接头的仿真研究的意义 111 车身概念设计模型结构参数建模 对于现代汽车工艺汽车车身结构分析不仅是汽车开发过程中的重要一环，同时也 是现代结构设计的重要组成部分。通过正确的车身结构分析，就可以反映出车身真实的 力学特性，如整车的弯曲剐度和扭转刚度等。但是汽牟车身结构分析显然需要花赞大量 的时间和劳动来进行详细模型的措建和车身c a e 分析。如图1 1 所示即为个详细车身 的有限元模型。 图1 1 详细车身有限元模型 f i g i 】t h ed e t a i la u t o b o d y f i n i t e m o d e l 在车型开发设计中，可采用如图1 2 所示的简化车型束辅助详细车身模型进行模拟 计算。虽然其测试的结果可能并不会与详细模型所得到的数据一致，但是，却可以对整 车结构的性能拥有一个大体的控制，其中，通过本文所得到的数据，车身概念设计模型 的弯曲刚度和扭转刚度与详细车身模型的刚度值偏差爿i 到3 0 0 , 6 。 陶12 午身概念设计模型彳i 限元横型 f i gi 2 t h ec o n c e p t i o na u t o b o d y f i n i t e m o d e l o 1 身概念设计模”中对接头的仿真研究 h 前对概念设计中模型的研究常常把车身骨架视为刚性连接，从而就忽略丁接头 币元的柔度特性，这样计算往往会使整车的扭转刚度与真实车身柯很大偏差。本文研究 发现，没有接头单元的车身模型扭转刚度比具有接头模型的刚度超过5 0 0 0n o m d e g 从 而可以清晰地看出接头单元对于车身模型起着很重要的作用。 112 车身接头结构分析 接头单元，在详细车身模型中就是指几个梁单元之间的过渡区域。其中完整的接头 单兀应该具有包括2 个或者2 个以上的分支，由外板、内板、加强板等构成。可参见图 i3 所示为b 柱上部接头。 一f j ：。掌 咿甲 图i3b 柱上接头详细接头单元的分解模型 f i g i3 t h e d i f f e r e n t m o d e l s t h a ta r e m a d e o f t h e b j o i n l m o d e l 而对于一个白车身( b i w ) 而占其具体的接头单元包括有顶盖前横粱和前风窗支 杜形成的a 立柱上接头，顶盖侧梁与b 立柱形成的b 市柱上接头，门槛粱与b 立秆下 接头等。可参见图1 4 所示。 豳l4 重点区域即为接头单元 f i gl4 k e ya r e a s f o r j o i n tu n i l 大连理t 大学硕士学位论文 从上图观察整车结构，白车身结构其实主要就是由接头、粱和板三部分组成。而作 为过渡区域的部件，接头对于整车的角位移变化起到了很重要的作用，所以接头对车身 的扭转刚度和模念都有很大的影响。 1 1 3 接头参数化建模的重要性 对于概念设计中接头设计，如果设计不得当，或者说，不能正确的反映出接头所固 有的力学特性，就会很容易产生刚度过硬或不足，可能还会产生应力集中问题，必然会 导致车身的n v h 性能恶化，降低车身使用品质，导致模拟失败。 接头的重要性可反映在以下两个方面： 1 刚性要求。如果接头单元在整车设计中刚度不够大的话，就会使接头部分的应力 应变水平和模态应力相应水平上升，从而就必然会改变整车的模态振型，使整车的疲劳 寿命降低。 2 柔性要求。正是由于接头柔性的存在，才会使接头所连接的梁与梁，或者梁与板 之间有限制的相互转动。而对于目前，大多数车身概念设计将梁与梁之间的过渡处理成 刚性，最终使得结果偏高。 所以依据以上两个方面，在设计和构建接头模型中，对接头的刚性和柔性要进行统 筹的概括，然后针对接头的这些特性在车身详细模型中对该部位进行较为详细核算，并 在概念设计中找到合理模拟车身接头单元的方法。 1 1 1 2 国内外目前在概念设计中对接头的研究方法 1 2 1 国内外对接头研究方法现状及分类 目前，在概念设计中对接头研究，因为认识到接头模型对整车骨架计算分析的影响， 自1 9 7 0 年开始汽车工程师们就致力于一边解读接头单元到底对整车结构变形起到了什 么样的影响，一边寻找一种更适合设计过程的简化接头模型。c h a n g d c 初步研究了接 头的柔性在整车结构性能中的影响，所以采用由弹簧单元和铰链单元来模拟概念设计中 接头单元，并说明接头单元具有柔软的特性【2 】。r a o 确定了一个接头刚度值范围，提供 比较认同的n v h 相应的汽车结构【3 1 。n i k o l a i d i s 和l e e 较为详细的描述接头在受力状态 下变形形式，并发展一种方法去估算用弹簧来模拟接头的简化模型【5 】。l e e y w 通过大 量模拟与计算，研究接头的结构形式、焊点、板厚等因素之间相互关系【6 】。h j b e e r m a n n 等也指出车身主要接头对结构系统响应影响很大，将接头视为刚性的计算结果使整车刚 度提高5 0 7 0 1 7 母1 。m m l e e 采用有限元法研究了包括粘接和点焊的两种t 型接 头扭转特性，指出连接技术和接头偏心距是影响t 型接头扭转特性的主要因素。通过 车身概念设计模型中对接头的仿真研究 研究指出截面厚度、横截面面积和连接技术是主要影响接头刚度的因素【l 们。y a s u a k i t s u n a m i 等也研究接头的塑性变形情况，提出了高精度高速度的整体局部分析的方法 【l l 】 o 如果要归纳国外汽车界对接头的研究，可以集中在以下两个方面。 1 在车身概念设计中，找到适合于设计过程的简化接头模型，更加详细地描述接头 在受力状态下的变形形式，并且找到可以反映出这种变形的接头模型。 2 研究接头柔度与结构形式、焊点、板厚等因素之间的关系。对车身所有接头的柔 度参数进行大量的模拟计算和测试并加以总结归纳。 正是由于汽车工程师的努力研究，形成比较准确的对接头刚度值估算和参数化模拟 理论。 1 2 2c a d c a e 对与车身概念设计模型中所起到的作用 作为现代生活必备品，汽车，人们对其要求逐渐增高，再加上现代人们对美的追求 迫使汽车车身不断的改进迎合人们胃口，但是，作为需要知识来支撑的产品，不能单单 考虑改变外观，同时，也要考虑到影响车身结构的因素。所以就产生车身结构设计的新 趋势：要求整车及零部件具有足够的强度和刚度；同时，要求缩短产品的开发周期，在 刚度保证的前提下，尽可能地降低费用，减少生产成本，使开发产品具有更好，更强的 竞争能力。 而对于本文所研究的接头单元正是这种对结构分析有着重大意义的部件。而作为老 套的车身设计方法主要走的是经验路线，即是产品设计主要是以生产技术中的经验数据 为依据，这种设计方法，显然是缺少准确设计数据和科学计算方法的，并会使产品的安 全系数偏差比较大，在设计阶段也会产生不信任和笨重的感觉。 在当今计算机高速发展的时代，所产生的c a d c a e 产品也随着计算机软硬件技术 和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。作为一门可以大大减轻设计者劳动强度技 术，可应用到汽车设计领域中，给汽车设计新的活力，使设计变的更加灵巧准确，并且 也可避免很多不必要误差的产生。而且c a e 技术结果数值模拟方法一有限元分析， 正越来越广泛的发展起来。因为有限元分析方法并不单单依赖于实物的模型，也可以在 设计初期就可以对产品进行分析、评价和优化。 随着计算机发展，所带来c a e 技术已经称为当今汽车车身设计中主要方法，这种 方法与传统的车身设计方法相比较可总结以下几点。 1 设计与分析并行。车身结构分析参与车身结构设计的各个阶段，贯穿整个过程。 而由于c a e 介入，使得虚拟试验代替了实物试验。在设计车身模型初期，就可以对车 大连理工人学硕十学位论文 身进行静态分析，可以及时发现车身设计中所出现不足并做出修改，使车身研发周期大 大缩短。 2 有限元静力分析、模态分析。由于有限元软件对设计计算和模拟分析，为产品 的可靠性提供保证，而且还拥有很强大的计算功能，使实验员在电脑前就可以观察出汽 车的受力变形等，具有很强的便捷性。 1 2 3c a e 技术在车身接头研究中的应用 目前，利用c a e 技术对车身接头单元模拟，比较流行的方法，是由k e l l e r 提出 t a g u c h i 的接头优化设计方法。它是通过编程，从所有能满足目标性能的可控因素组合 方案中，选择一种对不可控因素变化最不敏感的一组方案进行优化【1 2 】。l e e 使用了“目 标设计 程序对接头进行优化，将实验得出的目标值同设计计算所得值进行对比后，再 进行优化【1 3 】。如图1 7 所示。 1 。3 本文的研究内容与意义 本课题研究内容：首先分析在概念设计中接头单元的组成，分布情况，以及接头单 元的特性。并且阐述目前国内外对接头研究和接头模拟中较为流行的几种方法。 8 g 车身概念设计模型中对接头的仿真研究 本文将会对b 柱上部接头进行模拟测试和求解刚度，并利用同样方法求解出其它接 头的刚度值，最终再对整车简化模型接头进行测算，通过数据分析求出具有接头单元的 车身模型的弯曲刚度和扭转刚度。 本文研究意义： 1 本文关于接头设计有限元分析方法，对汽车行业中车身优化设计具有一定的参考 和借鉴价值。 2 本文关于接头参数化建模的方法，在开发车型的概念设计阶段，对简化模型优化 提供一种新的途径。 1 4 本章小结 本章节主要是阐述接头单元的定义，并讲述c a e 技术在车身设计中的广泛应用以 及是对接头单元模拟的重要工具。同时，提出本文的研究目的和方法。 人连理工大学硕十学位论文 第二章接头简化模型的建立和模拟方法 本章主要说明，接头单元在简化模型中的模拟方法。并利用软件h y p e f m e s h 对b 柱 上部接头的各个分支进行计算，得出详细接头模型的前后刚度、内外刚度和扭转刚度， 然后利用软件n xn a s t r a n 模拟车身简化模型中接头部分。 2 1 有限元的基本理论 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是关于连续体( 连续结构) 的一种离散化的数值 分析，是可以计算并总结出模型力学特性的数值计算方法。基本思路：假设将连续体( 连 续结构) 划分成由许多有限元单元网格。这些单元是由具有六个自由度( 三个平动自由 度，三个转动自由度) 的节点连接到一起。原来的连续体( 连续结构) 就可变成为有限 单元装配而成的离散结构，连续体的无限个自由度的问题就可以简化为离散结构的有限 个自由度的问题。 结构有限元法一般选择简单函数近似地表达单元内位移变化规律，利用力学推导建 立单元的平衡方程式，再把所有单元的方程组表示成整个结构力学特性的代数方程组， 最后引入边际条件求解代数方程组，得到数值解。由此可见，有限元法是将力学模型采 用分块近似方法，利用数学方法求解一系列线性代数方程组，避免求解力学微分方程这 繁琐环节，有益于计算机求解，从而大大提高了计算的准备率和工作效率。 有限元法的主要优点是概念清楚，容易理解和掌握，使用性强，应用范围广泛，许 多复杂的工况和便捷条件都可以灵活地加以考虑。 2 1 1 有限元模型建立的原则 有限元模型的建立要以真实的物体为参照，其c a d 模型要满足实物的特性。实物 的尺寸、弯曲角度等都是会对物体力学特性产生影响的物理属性。然后再根据具体的实 物模型，将所建立的c a d 模型离散化，并赋予模型与实物相同材料属性，进行边际条 件的模拟，提供出具有可接受精度结构的仿真模型。 建立的c a d 模型可以是详细的，同时也可以是简化的。详细模型，完全按照实物 建立，要求实验人员，对实物进行非常详细测量，再将测量结果运用到可以绘制c a d 模型的软件中，得出符合实物的c a d 模型，并对所建立的c a d 模型进行有限元求解。 而对于简化模型，要求实验人员对梁单元和板壳单元先进行统筹分类。同时需要实验人 员在建立梁单元时，将所抽取出梁单元赋予所对应的材料截面，建立板壳单元要求实验 人员确定该单元的厚度以及材料属性。 下身概念殴计桉”中对接头的仿z 删f 宄 21 2 有限元详细模型网格的选取和控制 山于详细模型尺寸数据和各个单元的连接关系都要从实物中测最得出，对于丈型的 物体( 例如由许多零部件组成的整车而言) c a d 模板措建显然是耗时耗力的1 1 i i 。在有 限元划分网格时，山于实物过于庞大，模型会被数以万记的网格覆盖，在分析模型时就 会花费大量时问，可参看图11 。奉文所讲解和研究的详细模型不能参考大型实物，而 足应该参考比较小的零部件如整车的接头部分，如图21 所示。 帑。蕉 豳2 】b 柱上接头的正m l 、侧而、背面孙h f i 9 2it h e f i g u r e s o f t h ej o i n t f r o n t ，s i d ea n db a c k 对于接头结构来说，板壳单元可以相对精确地模拟车身薄板冲压件的力学性能，其 板厚对于特定部件来说，也是j i 变化的，所以其各节点处板厚也相同，材料处理为各向 同性。 213 有限元简化模型网格的选取和控制 简化模型具有构造简单，运算景小和对硬件要求低的优点，但是却有精度低的缺点。 所以运用简化模型，并不能得出完全与实际相符合实物数据。但是可以对实物力学属性 有很强的控制能力。用途主要归结以下两个力面；一是在实物结构设计初期进行构造方 案选择和结构参数优化：= 足进行实物的刚度评价、静态分析等。 对于且体简化规范，此时可对罔1l 所示的详细模型做简要概括。在图11 中，可 以清楚看到整车中各详细零部件。对于简化模型而言，小会出现多个零部件连接的情况， 取代这些详细零部件的则可能是赋予截面的粱单元或者赋予厚度的板壳单元。在简化模 型搭建完毕之后，可以得到图1 2 所示的由简单的粱和板组成的模板。模板选用的单元 包括l d 单元和2 d 单元，避免了修复网格所带柬的大量繁琐的丁作，提高计算机工作 效率。 大连理j 二大学硕士学位论文 在建立接头简化模型过程中，为实现接头柔度特性，主要利用了弹簧单元。弹簧的 刚度主要是对新坐标系三个方向的柔度值进行刚度换算获得。同时，弹簧的方向亦町确 定。 蚓2 4 对b 柱上接头的简化有限元模型 f i g2 4 t h ec o n c c p t i o a m o d e l f o r t h e b t o p j o i n t 此外，在各分支节点与接头中心点之间，设置了实现接头三个刚度( 扭转刚度、前 后刚度和内外刚度) 的一组弹簧元，同时，在研究中各分支均处理为刚性粱单元。 22 软件h y p e r m e s h n x _ n a s t r a n 简单介绍 221 h y p e r m e s h h y p c r m c s h 是高效的有限元前后处理器，能够建立各种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 r m e s h 是针对于 有限元主流求解器的高性能有限元前后处理软件，工程设计人员可以在极佳的交互式可 视环境下对多种设计条件进行分析。口o l h y p e r m c s h 的几何接口 h y p c r m c s h 通过输入输出功能，可以阅读各种业内主要的c a d 软件的数据格式， 生成有限元模型。在h y p e r m e s h 中有一系列的工具，可以用来对输入的几何模型进行清 理或修补。 2 h y p e r m e s h 的求解器接口 h y p e r m e s h 支持多种求解器输入输出格式，与主流求解器无缝集成，包括 l s d y n a 、a b a q u s 、o p t i s t r u c t 、r a d i o s sb l o c k 、a n s y s 、p a m c r a s h 、n a s t r a n 、 ， 岬 一 。 怛、c 卞身概念设计模型中对接头的仿真研究 m a r c 、m a d y m o 、c m o l d 、m o l d f l o w 等主流求解器。除此之外，还具有很强的灵活 性，通过一整套输出模板语言和c 语言库来开发输入数据转换器，支持其他求解器。 3h y p e r m e s h 的网格划分 h y p e r m e s h 为用户提供了一套完善而又易于使用的工具程序。用户可以使用各种网 格生成工具及h y p e r m e s h 网格自动划分模块来创建二维和三维有限元模型。 h y p e r m e s h 中具有几何型面的网格自动划分模块，为用户提供了一套可靠的网格划 分工具，并使用户能够对每个面( 或每个面的边缘) 进行网格参数调节，调节单元密度、 单元偏执梯度、网格划分算法等。 同时，h y p e r m e s h 也能够用一阶和二阶四面体单元对一段封闭区域自动划分出高品 质的单元，还提供了多种三维单元生成方式来共建高质量的四面体、六面体网格和c f d ( 计算流体动力学) 网格。用户可以根据结构情况和c f d 模型的实际需要来控制单元 的划分、选择边界浮动的固定边界的三角形单元重新对局部区域划分网格。h y p e r m e s h 提供多种形式的网格质量检查菜单，是用户可以实时控制单元质量，另外还提供了多种 网格质量修改工具。 h y p e r m e s h 提供了多种焊接单元生成方法。其中，利用c o n n e c t o r 进行大规模自动 化焊接单元转化，大大减少手工单元生成的操作。 4 h y p e r m e s h 的后处理 有限元分析模型时可分为四步：网格划分一创建材料一指定单元特性一添加 载荷和约束条件。在递交分析阶段，可以根据实际情况确定分析类型是静力、动力、非 线性、疲劳、热分析等，再生成与对应分析程序相应数据文件。通过h y p e r v i e w 等观察 后处理的可视化工具h y p e r m e s h 为用户提供了实时动画、等值线、x y 曲线图、云纹 图等强大的后处理功能。 而对于本文所研究的详细接头的有限元模型，其分析过程也是要遵循上面所表述的 过程。并通过h y p e r m e s h 强大求解器求出详细接头在各个分支上所出现的最大的角位移 变化。为后来对接头单元的在车身概念设计模型上模拟做出必要的准备。 2 2 2n x _ n a s t r a n n a s t r a n 是国际上应用广泛的c a e 工具，许多工程设计人员依靠其分析结果来设计 和生产更加安全可靠的产品，得到更优化的设计，缩短产品研发周期。n xn a s t r a n 适用 于需要完成大量流程化分析计算的用户。他的特点是灵活、可同其他大量的分析软件进 行协同运作，形成统一高效的分析流程，并在整个流程中承担核心求解功能。他的数据 格式可以在绝大多数的c a e 软件中识别和使用。【2 l 】 大连理上人学硕士学位论文 n xn a s t r a n 作为应用最广泛的有限元独立求解器，其输入和输出格式及结果数据可 作为中间文件被c a d c a e c a m 等相关软件移植到不同的平台上。 而且n xn a s t r a n 几何建模的基础包括软件s e m e n su g s 公司的u g sn x 。本文 所模拟车身概念设计模型主要就是借用的是n x 平台。同时，在简化模型中，存在接头 单元的车身概念设计模型对扭转刚度的影响也是通过n xn a s t r a n 来计算分析的。 2 3 接头模型柔性的研究 在车身结构中，接头无疑是很重要的部分，早在七十年代，l u b k i n 就提出车身结 构的整体刚度很大程度上受接头刚度的影响，接头单元差不多控制着6 0 的车身刚度。 在过去分析和设计计算中，常常将车身骨架的接头部位视为刚性，结果整车模型计算结 果偏差很大，因此在接头部位不能用刚性代替，必须考虑接头的柔度。研究发现与车身 承载骨架的其它部位相比，接头部位的刚度是相对较弱的，出现这种情况的原因在于， 车身结构在接头部位存在以下几个削弱刚度的因素： ( 一) 点焊的间隔与点焊的质量均对接头各冲压板连接性能产生影响，即使点焊质 量与工艺得到了保证，这种连接仍是不连续的，与整体式的结构骨架相比仍是脆弱的。 ( 二) 几乎车身中的所有的薄壁梁断面尺寸都较大，这样在连接部位必然会产生较 大的中空，并且由于生产工艺性的限制，接头中央部位的连接处理较为困难，从而减弱 了该部位的局部稳定性，这也是削弱接头刚度的重要因素。 ( 三) 车身外表面有外观造型的要求，有些表面不能使用焊接处理，甚至没有进行 连接处理，这样的结构，其刚度与强度都会有相应削弱，在设计中必须加以校核计算。 接头简化模型的建立必须充分地研究接头的柔度参数，并进行详细的设计计算。 2 4 接头有限元详细模型的提取 2 4 1 接头有限元模型的提取及简化 在详细车身模型中，所要提取出的接头模型，需要注意以下几点： 1 要保证所提取接头模型的完整性，即所提取出来的模型必须要保证其尺寸大小应 该包括其构成的各冲压板、工艺孔、相关焊接与粘接等。 2 还要考虑所提取接头的载荷与约束条件，要尽量保持接头模型与车身整体变形保 持一致。同时还要注意，接头模型应该处于整车模型的坐标系中。 3 在对接头单元进行提取时，要根据所要求研究的内容不同而变更接头部位的分割 方式，而对一般性而言，可以提取接头各跟分支长度2 0 0 2 5 0 r a m 。图2 5 给出了几个重 要接头的图示。 车身概念设计模犁中对接头的仿真研究 8 露鲐 蘑参虚 掺畸 i 1 1 聃 煞i 圈2 5 车身结构中比较重要的几个接头 f i gz 5 t h e m a i n j o i n t s o f t h ea l l t o h o d s g l a l c t l l r g 4 要根据简化原则，对接头结构刚度影响不大的加强梁，板等进行简化并可以忽略 一些对接头结构刚度影响不大的工艺孔。 而对于本文所要研究的b 柱上部接头，主要提取方法是从详细车身模型中，提取出 分支长度为2 0 0 r m n 的接头模型。 图2 6 所提取出的b 柱上接头有限元模型 f i 9 2 , 6 t h e b t o p j o i n t d e t a i l e d f i n i t e m o d e l 得如罔2 6 所示的有限元b 柱上部接头。其中该有限元模型网格主要以s h e l l 单 元格为主，相应板厚和材料属性都是参照真实车身中板厚和材料属性。各个板单元之问 通过焊点( r e b 2 ) 连接。 大连理人学硕l 学位论文 242 接头模型的边界条件及材料参数 图27b 十1 1 上接头截面 f i 9 27 t h es e c t i o no f t h e b t o p j o i n t 在测量接头刚度时应该保证接头分支所产生的截面形成统一体。将接头分支的各 冲压板连成整体。可利用图27 所示的多点约束( m p c ) 单兀类型，在特殊节点z 问定 义刚性连接，常用的m p c 类型，包括e x p l i c i t 、r i g i d 、r b e i 、r b e 2 、r b e 3 等。 在图27 中，中心点与其他多点连接所组成的单元刘是m p c 单元。m p c 常用于表 征此特定的物理量，比如刚性连接、铰链( 平面铰和球铰) 等。而图27 所表示的 m p c 单元，描述的是多个非独立节点与一个独立节点相互固定并保证非独立节点的 所有自由度都与独立节点的自由度保持致，及平动1 奇：移和转动位移致。其中所确定 的中心点规定为分支截面的形心。 243 接头模型的坐标系的建立 在本文研究中，坐标系的定义主要是参考整车模型坐标系，见图28 。车身整体坐 标系主要建立方式为：原点o 忙于片右| j i 轮中心连线1o 车身对称而的交点卜z 轴垂直 向上，x 轴沿车身纵向后方为j 下，y 轴沿车身横向，以右手定义垂直x 、z 半面为正定 义坐标系。 接头模型的坐标系主要通过参照整车的坐标系定义，具体定义方法如下：原点o 在 接头所要计算刚度的分支截而的形心l ，x 轴沿改分支的形心轴线在o 点的切线方向， y 轴甲行于车身整体坐标系的x y 平面，z 轴垂直于x 、y 轴按照右手定则向上为下， 参见图2 9 。 午身概念啦计模删中对镁头的仿真研究 图2 8 车身的整体坐标系 f i g2 8 t h e w h o l es y s t e mo f t h ea u t o b o d y 图2 9 接头模型局部坐标系 f i 9 2 9 t h e p a r ts y s t e mo f t h e j o i n t 2 44 接头模型的加载和约束方式 由于接头分支的刚度值与加载方式有着很大的关系，所以对于接头模型的加载，为 体现山接头模型整体变形，要在m p c 点上添加约束点，如图2 1 2 所示。而加载方向， 要选用该接头分支的局部坐标系的方向。如图21 0 所表示的就是载荷加载在接头模型局 部坐标系上的x 轴向。而对于约束来说，j 刊样添加约束点也要定义在其他的两个分支 m p c 单元点上而且保证约束点的六个自由度全部锁死，如图21 1 表示。这样效果是 为可以保证接头单元其他分支全部约束，以便于可以将接头分支进行解耦讨算。 t 幽2 1 0 f i g2 1 0 图2 f i 9 2 圈2 1 2 f i 9 2 1 2 豢 大连理_ 【：人学硕士学位论文 2 5 接头单元的解耦处理及解耦后接头简化模型的模拟 刚鞋靴 p - ， 现在将矩阵s l 单位对角化可以得到： ( 乳1 0 ( 吼盯s 1 武( m 杖m 盯m 】( z 、is 2 搿00 、im j 。( m h ls i 肼s 1 盯s 1 圪i 2 i 蚝| | 0 s 2 y y 0 il 双及s 1 甜s 1 冱)m 醒 m 酣m 琵) 0 0 s 2 冱) m 疆 m 酣 将公式( 3 2 ) 代入( 3 1 ) 并左乘以特征向量矩阵 m 】7 可得： 00j l s 2 y y 0 1 0 s 2 忽j ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 根据上文研究接头单元，其线性位移影响很小，可以忽略，所以本节将会对接头单 元刚度起到作用的9 个角位移作为进行研究分析。1 1 1 可假设接头单元的力矩矢量为： o o = 1j 翻辙 一恢眇r 特学力的头接的后耦解 曩o 、i 车身概念设计模型中对接头的仿真研究 m = m a ) 【m a ym a zm b 。m b ym b zm c 。m 。y m 。：】t ( 2 4 1 ) 相应的角位移矢量为： 0 = o 缸o a y0 配9 b x0 b y 0 b z0 。0 c y 0 。z t( 2 4 2 ) 式中下标第一个字母为一端点序号，第二个字母为一局部坐标轴。 因此，在局部坐标系中节点角位移与节点力矩之间的对应关系可以由下式表示 m 。 m 。 m ： k 。k ： k 。墨： 玛。如 铅 ； 兜 ( 2 - 5 ) 研究b 立柱上部接头，可以根据接头模型的约束方式，并假设接头单元已经完成解 耦，即各个分支之间不再受任何影响。则公式( 2 5 ) 可转化为( 2 6 ) ： ( 2 - 6 ) 巨h 薹引目 协 l 1 2 l 如bkl i 2 - 9 ) l 收ji 如bk 儿免j 一1 6 9 9 9k 如； l 2 3 l 2 3 ， 2 3色吃眈幺只见只眈包 o o o o o o k k k 2 2 2 o o o o o o k k o o o o o o 毛k k o o 0 m 圮 o o o 尼后七 0 0 o m 蛇 o o o o o o k k k o o o 0 o o m 北 奶0 o 0 o o o k k o o o k k k o o o o o o 川 以 以0 0 o 0 0 0 七尼后 k k k o o o o o o 2 3 2 3 2 3 大连理t 大学硕十学位论文 fkb 砭1f ，免。2 银。1 ，= i b 如i i ，2 ，l ( 2 - 1 0 ) l 疋砭jl 包。铊2 铊s j 隙蓑到纠 五= 免铭 e 呶8 h9 b ： 吃吃 ( 2 1 4 ) 鞋引塞纠 车身概念设计模刑中对接头的仿真研究 幽2 1 3端加载其余两端约束 f i g21 3 t w o e o n s t m i n ta n do n e l o a d 加载力矩的载荷端分别按照局部坐标系的方向加载三个方向的力矩，将会产生不同 的3 * 3 角位移矩阵，即是所要求解的柔度矩阵，根据图21 3 洋细有限元模型，当该有限 元模型通过软件h y p e r m e s h 计算后可得出图21 4 所示的该模型在添加不同方向扭矩时 生成的角位移云图。 侈云图 o n t h e m o d e l 幽2 1 4 0 ) 模型y 方向的角位移云图 r i g21 4 巾) s w a i nc l o u d o f y d i r e c t i o no i l t h e m o d e l 大连理i ：人学硕j ：学位论文 图2 1 4 ( c 1 模犁z 方向的角位移云酗 f i g21 4 ( c ) s t r a i nc l o u do f z d l r e e f o n o i l t h e m o d e l r4 4 2 2 e 一3 1 2 l _ 2 0 9 一62 9 4 7 3 3 e 一6 、 l2 9 4 7 3 3 e 一62 0 3 6 5 8 e 一69 8 69 4 0 e 一6 j 其中t 柔度矩阵x 单位为d e g ( n m m ) 。从式( 2 - 1 6 ) 可以看出柔度矩阵x 为j 下交 矩阵，满足坐标系映射意义。同时，对于柔度矩阵x 来说，所有元素均非0 ，可描述为 对于接头剐度矩阵来说，可以找到向量矩阵将其进行解耦处理。通过计算可得出接 头刚度矩阵的特征值即为非耦合条件下接头单元的刚度值，而其特征向量矩阵的列向量 就是该接头刚度矩阵解耦的矢量方向。因此，可以对该柔度矩阵进行计算，求得它的特 r o r 0 0 5 8oo 、 l 00 0 0 7 7 7 j ，0 0 5 0 8 _ 0 0 7 0 5 - 09 9 6 2 l 09 4 7 0 03 2 0 100 2 5 6( 2 1 8 ) i _ 03 1 7 109 4 4 8加0 8 3 1j 特征值矩阵的三个特征值即为解耦后对应新的坐标系三个方向的柔度值，从而可以 根据刚度系数k “= i 1d 求得解耦后的b 立柱上接头1 分支的扭转刚度、前后刚度和 下身概念设计模l o 中对接头的仿真研究 前后剐度 内外刚度 扭转刚度 圈215b 拄接头的二个刚度的示意1 兰| f i 9 21 5 t h es h o wo f b r e es t i f f n e s s o n b l o i n t 同样的方法，对b 立柱上接头2 、3 分支也进行同样的计算。 第二分支角位移云图见图2 1 6 ￥i：- ：- w z 一，1 - 幽2 i r m a ) 第一个分支x 方向的角位移云幽 f i 9 2l 舶、t h es t r a i nc l o u do f t h eo m 盯b r a n c h o n t h e xd i r e c t i o n s l 呈兰| 蝌m 大连理t 大学硕士学位论文 图 v d i r e c t i o n 圈21 6 ( c 1 第二个分支z 方向的角位移云圈 f i 9 2j 6 ( c ) t h es t r a i nc l o u do f t h e o t h e r b u m c h o n t h e z d i i e c t i o n 得出第二分支的扭转刚度、前后刚度和内外刚度为( 单位为n m m r a d ) 。 前后刚度：1 5 00 0 5 6 内外刚度：5 1 4 6 7 6 扭转刚度；1 0 9 7 6 6 第三分支角位移云图，见图21 7 幽21 7 ( a ) 第三分支x 方向的角位移云图 f i g21 7 ( a ) t h es t r a i n c l o u d o f t h e t h i r d o t h e r b r a n c h o n t h e x d i r e c t i o n 黧一t 下身概念设计模型中对接头的仿真研究 d i r e c t i o n 国2 1 7 ( c 1 第三分立z 方向的角位移云图 f i 9 21 7 ( a l m es w a i nc l o u do f t h e t h i r d b r a n c h0 i l t h ez d i r e c t i o n 由于解耦后新的坐标系以及相应于它的三个坐标方向的相互独立的刚度的求得，为 车身接头结构参数化建模提供了充分的准备。 得出第二分支的扭转刚度、前后刚度和内外剐度为( 单位为n m n g r a d ) 。 前后刚度：2 2 13 0 1 0 自外刚度：4 6 8 8 2 7 扭转刚度：85 5 9 3 254 解耦后简化接头模型的建立 建立b 柱上接头的详细有限元模型，三个分支长度应均截取为2 0 0 m m 。在各分支 的截断处设有节点，即接头单元与相邻梁单元的连接点，接头各分支的另端点则和接 头的中心点通过球铰连接，以保证接头的三个分支在接头中心点线位移连续，相对转动 自由度不受约束。根据接头结构的力学性能，接头各分支的一端和接头结构中心点之间 分别安置了一组扭簧单元，每组扭簧单元是三个刚度不相关的扭簧。而接头单元的各分 支则设为刚性梁单元。 图21 8 就是所模拟详细车身b 柱上接头有限元模型的简化模型，其中中间圆圈部 分为中间的球铰连接，细杆部分为跗有梁截面的简化模型的分支。 纛。；t 大连理一j ：人学硕士学位论文 图2 1 8 解耦的简化模型模拟 f i g2 18t h ec o n c e p t i o nm o d e la f t e rc o u p l i n g 一、球铰单元的实现。 根据接头单元的力学性能，为了适当地模拟接头中心点和分支截断面节点所建的自 由连接，通常需要设置铰链单元。既保证两个节点在线位移上协调，并且不受旋转自由 度的限制。本文主要利用刚性链接并将刚性链接的旋转自由度打开来模拟球铰单元的特 性。 具体实施方法，是根据在u g sn x 中，关于刚性链接的属性卡的操作，如图2 1 9 所示。作为刚性链接，主要作用是可以保持两个节点线性位移和转动位移一致。而作为 球铰单元，主要作用仅要求各节点保持线性位移一致，所以需要将刚性链接的属性卡中 的转动自由度打开，如图2 2 0 所示。 图2 1 9 中，可以看到有六个自由度，其中前三个是表示三个方向平动自由度u x ， u v ，u ：，而后三个是表示的三个方向的转动自由度r 。，r v ，r ：。而对于属性卡中 各个文本框中，o n 表示自由度锁死，而o f f 表示自由度打开。图2 2 0 就是表示平动自由 度锁死，转动自由度打开的刚性链接单元，也是模拟球铰单元的重要部分。 1 j 身概念设计模犁中对接头的仿真研充 竺竺竺一 日_