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轿车白车身结构有限元及其试验分析 摘要 随着计算机技术和数值分析理论的发展，以有限元分析技术为代表的c a e 技术在现代汽车产品设计中扮演着越来越重要的角色，几乎贯穿了汽车设计的 全过程；现代轿车车身广泛采用全承载车身，这种车身整体参与承受来自汽车 其他各个总成的载荷，满足了结构轻量化和节能的要求，但其车身的刚度、模 态等静、动态力学性能也需满足较高的要求。采用有限元方法对车身的结构力 学性能进行理论分析在现代车身设计中得到广泛的应用，越来越受到人们的关 注，国内外相关研究已经取得了相当大的成果。本文在调研国内外相关研究的 基础上，建立了某轿车白车身有限元模型，并进行了静态刚度和自由模态分析； 相应地，对实际样车进行了静态刚度和模态试验测试。对理论分析与试验分析 的结果进行了比较分析研究，掌握白车身的结构力学特性，验证有限元模型的 可信性。在此基础上，指出其结构静、动态力学性能上的不足，为优化设计提 供参考。结构优化设计也是本文讨论的一个方面，本文总结了相关文献资料， 提出了基于灵敏度分析方法的有限元模型修正和结构参数优化方法，具有较好 的实际应用价值。文中以地板总成为例建立了其参数化模型，对其进行了厚度 模态频率灵敏度分析，为整个白车身的灵敏度分析和结构优化奠定了基础。 在课题的进行过程中，针对遇到的一些问题进行了相关总结，如在建立有 限元模型过程中，对焊点处理的处理；在进行弯曲、扭转刚度分析和自由模态 分析过程中，相应的边界条件确定、理论计算求解方法的选择；刚度、模态试 验数据的处理等。总之，本课题较全面地对白车身结构分析的基本内容进行了 理论分析和试验研究，分析结果对比具有较好的一致性，验证了所采用的各种 处理方法的有效性，为车身结构的进一步优化提供了极具价值的参考和指导。 关键词：白车身有限元方法刚度分析模态分析灵敏度分析 s t r u c t r a lr e s e a r c ho fc a rb o d y i n w h i t eb a s e do nf i n i t e e l e m e n t a n a l y s i sa n dt e s t i n ga n a l y s i s a b s t r a c t c a et e c h n o l o g y ， r e p r e s e n t a t i v e l yf e am e t h o d ，p l a y s am o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g no fm o d e r nc a rp r o d u c t sa l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt h e o r y i ta l m o s tc o v e r st h em o s t f i e l do fc a rd e s i g nw o r k t h ef u l l b e a r i n gc a rb o d yh a sb e e nw i d e l yu s e di nm o d e r n c a r s ，w h i c hb e a r st h ew h o l el o a d sf r o mt h eo t h e r p a r t so fc a rs t r u c t u r e i tm e e t s t h ed e m a n d so fl i g h t w e i g h ta n de n e r g ys a v i n g ，b u ta l s oh a sh i g hr e q u i r e m e n t so f m e c h a n i c a lc a p a b i l i t i e s ，b o t hs t a t i c a l l ya n dd y n a m i c a l l y ，l i k es t i f f n e s sa n dm o d a l c a p a b i l i t i e s a d o p t i n g t h ef e at e c h n o l o g yt o i n v e s t i g a t e t h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo ft h ec a rb o d yi sp r e v a i l i n gi nm o d e r nd e s i g no fc a rb o d y ，w h i c h c a t c h e sp e o p l e sa t t e n t i o nm o r ea n dm o r ea n dh a sg r e a ta c h i e v e m e n t si nt h ed o m a i n d o m e s t i c a l l ya n do v e r s e a b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h er e l a t e dd o m e s t i ca n d o v e r s e a sr e s e a r c hi nt h i sf i e l d ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fac a rb o d y i n w h i t ei s e s t a b l i s h e d ，s t a t i cs t i f f n e s sa n dm o d a la n a l y s i sw e r ec a r r i e do b a c c o r d i n g l y t h e s t a t i cs t i f f n e s sa n dm o d a lt e s t i n gh a db e e nf i n i s h e d r e s u l t sc o m p a r i s o nb e t w e e n t h et e s t i n ga n da n a l y s i sr e v e a l e dt h es t r u c t r a l c a p a b i l i t e sa n dv e r i f i e dt h e f i n i t e m o d e l sc o r r e c t n e s s t h em e r i t sa n dd e m e r i t so ft h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ew e r e p o i n t e do u t ，w h i c hp r o v i d ec o n s u l t sf o rs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g n t h es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nd e s i g ni sa l s oap a r to ft h i sp a p e r t h el i t e r a t u r ea n di n f o r m a t i na b o u t t h i st h e m ea r es u m m a r i z e d ，t h em o d i f i c a t i o no ff e am o d e la n ds t r u c t r e o p t i m i z a t i o na r ep u tf o r w a r d ，w h i c ha r eb a s e do nt h eg r a d i e n to p t i m i z a t i o na n da c t w e l l t h ep a r a m e t r i cm o d e lo ft h e f l o o ri se s t a b l i s h e d ，t h et h i c k n e s s f r e q u e n c y g r a d i e n to p t i m i z a t i o ni se o m p l i s h e d ，w h i c hb u i l d saf i r mf o u d a t i o nf o rt h ew h o l e b o d yo p t i m i z a t i o n d u r i n gt h i sr e s e a r c h ，s o m e s u m m a r i z a t i o ni sc a r r i e do ni na l l u s i o nt ot h e p r o b l e m sa n dd i f f i c u r i e s ，s u c ha st h es i m u l a t i o no fw e l d s p o t si nt h ef e am o d e l ， d e f i n i t i o no ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n 、s e l e c t i o no fe q u a t i o ns l o v e r si nt h es t i f f n e s s a n dm o d a la n a l y s i s ；p r o c e s s i n go ft h et e s t i n gd a t a i nc o n c l u s i o n ，t h i sp a p e rd i da o v e r a l lt h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ec a rb o d y i n w h i t es t r u c t u r e ， w h i c hs h o w sag r e a tc o n s i s t e n c ya n dv e r f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h o s ew a y sa n d m e a n s i tp r o v i d e sav a l u a b l ec o n s u l ta n dg u i d a n c ef o rt h ef u r t h e ro p t i m i z a t i o no f t h ew h o l eb o d y k e yw o r d s ：b o d y - i n - w h i t e ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，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 ，s t a t i cs t i f f n e s st e s t ，m o d a la n a l y s i s 插图清单 图卜1 传统车身设计方法流程图2 图1 - 2 计算机辅助车身设计开发步骤2 图卜3 修改设计的成本3 图1 - 4 产品形成过程在质量上的重要性3 图1 - 5 不采用和采用c a e 分析技术的产品设计、制造流程3 图卜6 轿车白车身及其各部件对整车刚度的贡献5 图2 一l 矩形壳单元示意图1 2 图3 一l 零件几何清理前后的对比1 9 图3 2s h e l l 6 3 单元的几何描述2 0 图3 3 白车身有限元模型2 2 图4 1m p c i 8 4 单元几何描述2 5 图4 2 白车身静态刚度分析模型2 5 图4 - 3 扭转工况约束与载荷图2 7 图4 - 4 扭转工况车身扭转变形位移云图2 7 图4 5 前轴扭转角示意图2 7 图4 - 6 车身底部扭转特征部位2 8 图4 - 7 最大扭转载荷下白车身扭转角曲线2 8 图4 8 左侧扭转变形曲线2 8 图4 9 右侧扭转变形曲线2 8 图4 - 1 0 弯曲工况模型载荷与约束图2 8 图4 一1 1 车身弯曲计算变形效果图2 9 图4 1 2 车身底部弯曲绕曲线2 9 图4 一1 3 白车身刚度试验测试部位及测点布置3 0 图4 1 4 白车身刚度试验设备3 0 图4 1 5 刚度试验分析边界条件3 1 图4 一1 6 测试现场照片3 i 图4 - 1 7 白车身左右侧扭转变形曲线3 3 图4 一i 8 白车身扭转角曲线3 3 图4 1 9 白车身弯曲变形绕曲线3 4 图5 - i 轿车白车身模态分析模型4 1 图5 - 2 前六阶模态振型变形图4 2 图6 - i 白车身悬挂点示意图4 4 图6 2 激励点位置4 6 图6 3 白车身模态试验模型4 6 图6 4 试验模型中测点布置4 6 图6 5 模态试验测试系统框图4 7 图6 - 6 测试系统现场照片4 7 图6 7 东华动态测试系统数据采集系统界面4 7 图6 - 8 悬挂点有效性检验图4 8 图6 - 9 各通道频响函数瀑布图4 8 图6 1 0 某通道频响函数及其相干函数曲线4 8 图6 1 1d h m a 模态分析系统界面4 9 图6 1 2 白车身前6 阶模态振型图5 0 图6 1 3 前1 4 阶模态有效性验证5 1 图7 - i 白车身地板总成6 4 图7 - 2 选取的子总成构件6 4 图7 - 3 各构件灵敏度曲线表示6 7 2 表格清单 表3 - 1 轿车材料性能表1 9 表3 - 2 所采用的网格划分合格标准2 1 表3 - 3 焊点处理模型比较2 2 表4 - 1 求解器使用比较2 6 表4 - 2 最大扭转载荷下左侧各测点变形数据3 2 表4 - 3 最大扭转载荷下右侧各测点变形数据3 2 表4 - 4 最大扭转载荷下洞口变形量数据3 2 表4 - 5 白车身从前到后扭转角度3 2 表4 - 6 最大弯曲载荷下左侧各测点变形数据3 3 表4 7 最大弯曲载荷下右侧各测点变形数据3 3 表4 8 最大弯曲载荷下中央通道加强板处变形数据3 4 表4 9 最大弯曲载荷下洞口处变形数据3 4 表5 - 1a n s y s 中最常用的模态提取方法3 9 表5 2 轿车白车身模态分析结果4 l 表6 - 1 模态测试中常用的激励信号4 4 表6 2 白车身前l o 阶模态参数5 0 表6 - 3 特征值灵敏度5 2 表6 - 4 特征向量灵敏度5 2 表6 5 各测点前六阶模态频率质量灵敏度5 3 表7 - 1 白车身模态分析计算值与试验值对比5 9 表7 2 地板模态分析结果6 6 表7 3 频率厚度灵敏度分析结果6 6 独创性声明 本人卢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。掘我所知，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，也不包含为获得佥盟王业盍堂或其 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：交4 脓f签字日期：吲年辱月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴些盍堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有：关部门或机构送交沦文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金壁工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：亩】媛于 签字日期：2 叩年年月f ) 日 导师签名 签字日期：炒7 年年月；日 学位论文作者牛业后去向： 工作单位：黼泛牟有限黼l 电话： 通讯地址：盔；磁荛蒯布径竹技李、辱芪区邮编：二斗i 帕1 矧蜘躇 致谢 光阴似箭，我的研究生学习阶段即将结束，回首间万千感慨! 在论文完成之际，首先感谢我尊敬的导师一一陈朝阳教授，衷心的感谢他 在我的研究生阶段所给予的学习上的指导和生活上的关心，陈老师对我的小论 文和学位论文都提出了宝贵的意见，他严谨的治学态度深深地影响了我。感谢 张代胜教授在整个研究生学习过程中所给予的热心帮助和细心指导，张老师宽 以待人严以律己的作风、严谨求实的科学态度和深厚的专业理论、豁达的胸襟， 使我在学习和做人方面都受益匪浅，是我今后工作和学习的榜样。在此，谨向 我尊敬的两位老师再次表示最诚挚的谢意! 感谢谭继锦老师在我做课题和做论文期间给予的大力帮助，谭老师深厚的 专业知识和敬业的科研态度为我今后的学习和工作树立了很好的榜样! 感谢教研室石琴、张卫华、徐建中、王荣贵、尹安东、温千虹、黄志鹏等 老师在课题学习和试验测试期间给予的热心帮助! 感谢李华香、胡玺良、戴声良、蔺瑞兰、许力、李进、初长宝、刘嫂、胡 军义、张雷、张林涛、陈玉杰、汪成名、夏国林、裘兵、梁子君等同学对本人 学习、论文完成和生活上的帮助! 最后，深深感谢我最敬爱的父母和可爱的妹妹，正是由于他们坚定的支持 和鼓励，才让我能够顺利地完成学业! 作者：刘焕广 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 “衣”、“食”、“住”、“行”是人类生存生活的四大需要，是人类发展、 进步的重要基本条件。汽车问世以来对人类的出行产生了无法估量的巨大影响。 如今，汽车工业的发达程度已经成为一个国家工业水平的重要标志，汽车也已 经成为当代物质文明与进步的象征及文明形态的一种代表。 汽车产品结构复杂、加工精密，是世界上零件数以1 0 4 计、产量以1 0 7 计的 唯一产品，其设计和生产属于“技术密集，劳动密集、资金密集”型产业。 汽车设计技术在近百年中也经历了由经验设计发展到以科学试验和技术分析为 基础的设计阶段。进入2 0 世纪6 0 年代中期，在设计中引入了电子计算机后形 成了c a d 、c a e 、c a m 等新方法，并使设计逐步实现半自动化和自动化。一些当 代世界最新的科学技术与成果，也往往首先在汽车上或汽车工业中得到推广应 用。如高速数值计算和仿真技术、精密机械制造技术，柔性加工、自动控制技 术等。 文献1 ，2 中均对汽车产品开发的一般过程都作了简单描述。一般地，汽车 开发大致可分为五个阶段：决策阶段、设计阶段、试制阶段、定型投产阶段、 持续改进阶段。为了适应现代汽车市场竞争的要求以及不断涌现的新技术在汽 车设计生产中的应用，使得汽车产品的开发流程也在不断的发生着变化。世 界各国的汽车制造商也把缩短新车型开发周期，加快推出新车型的速度，节约 开发成本作为企业竞争力的重要体现。 在整车设计开发过程中，车身的设计工作占有非常重要的地位。国内外汽 车生产的实践一再表明：整车生产能力的发展取决于车身的生产能力，汽车产 品的更新换代在很大程度上也决定于车身。一般地，车身的开发约占整车开发 费用和时间的7 0 左右，轿车的车身设计更是如此“1 。正因如此，对于汽车车 身的结构性能和造型特征提出了更高的要求，许多新的设计思想和手段也在车 身设计中首先得到了应用。 1 2 研究背景及意义 车身作为汽车四大系统总成之一，在汽车新产品开发中占据重要的地位。 自从汽车问世1 0 0 多年来，车身的设计方法不断改进和完善，形成了一整套传 统的设计方法，如图1 - i 为传统车身设计方法的一般流程。 传统的汽车车身设计方法的整个过程是基于手工设计完成的。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i ：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。 绘制1 ：5 车身布置图 绘制缩小比例 彩色效果图 雕塑l ：5 油泥模型 绘制l ：l 线型图 雕塑1 1 油泥模型 制作1 ：i 内部模型 制作车身 主板图 绘制车身 内外覆盖件图 制作车身 主模型 取样板 交付生产 图1 - 1 传统车身设计方法流程图 自从计算机辅助设计与分析进入汽车车身设计这一领域，已逐渐成为汽车 造型和结构设计的常规手段。如图1 - 2 为典型的现代计算机辅助车身设计开发 的一般步骤。由于计算机生成的数据模型尺寸精确，便于修改、不会变形，又 便于与计算机制造系统连接，可以省去制作油泥模型、主板图、主模型等人力 和物力资源，足不出户就可以实现异地交换设计讯息及情报资料 概念设计 外形掏忍 构造线蜥剪修嫂 夸泷光照立体校塑 拥r l ：4 域i ：i 模楚 鞯确构逢0 身外彤曲埘 几蜘造型设计一卜+ 畸进 亍光顺性详价 身结构髓计 牟身绍构分析 牛，准笛 建e 忽隘4 二囊外艇；数学楼塑 = = ：= = = = = = = = ：= = = = = = = = 确窀开缝线及糕菠仆垃界 # e = = = = = = ：= ，# = = 目e t = = _ 总成l 醴汁 = = = = $ # = = = = 一 零什醺 # # = ；= = = = = = = = ；= = # 目= 自自j 目一 母成改计文档糍料 = = = = = = = = = = = = = = = = = ：= 有艰几数傅汁蓐分蝣 t = e = = = = = t = # = = = e # = = d 一 运动功山学协毵分折 = = = = = = = ：= = ：= = ：= = = 嚣 冲所1 艺设计 = ；_ ；z ；z = = ；= = = = j 自4 e = = 蹦 冲模c a d _ - - _ _ _ d _ _ _ 一 数控编狸 = = = ；= = = = = = = = t = ，= = = 一 冲横数控加_ l ： 图i - 2 计算机辅助车身设计开发步骤 随着计算机技术、数值计算理论、有限元分析技术、多体动力学仿真技术 等的发展和应用，高速图形终端和工作站的出现，c a d c a m c a e 等现代设计方法 筹歼技蹦玲觳据蟛 在车身设计中扮演着越来越重要的角色。其中，c a e ( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g 计算机辅助工程) 技术使得设计人员在样车试制前就可对车身结 构方面的性能或缺陷有所预见，因此能做到在设计阶段尽量完善车身设计，避 免设计错误出现在类似生产、试验等后续的开发阶段，大大缩短了开发周期， 提高了设计质量。 m ：。一”一” 洋攮生产菇迭生产 致汁堆鼍 时 图1 - 3 修改设计的成本卜4 产品形成过程在质量上的重要性 如图1 - 3 表示了在产品形成的不同阶段修改设计的成本，图卜4 表示了产 品形成过程中质量的重要性“1 。由此可见，7 5 的错误发生在设计阶段，这些错 误的8 0 却是在制造阶段发现并改正的，而修改这些错误则带来了生产成本的 巨大增加。而越是现代化的大批量流水线生产的产品，对其设计的内容要求越 严密，要经过多次可靠的技术验证，否则设计中的错误或缺陷将会在批量生产 中造成严重的后果。因此可见，c a e 分析技术为尽早发现在产品设计中的错误 提供了一种强有力的技术保证。 f 磊习 i 竺兰：i 图1 - 5 不采用和采用c a e 分析技术的产品设计、制造流程 c a e 分析技术在汽车开发中的价值就在于可以在产品开发初期通过建立基 本的计算机分析模型，对所设计的产品进行强度、寿命分析，运动学、动力学 仿真，以得到所设计产品的各种性能，从而指导产品设计，缩短设计周期。由 图1 - 5 即可看出c a e 分析技术对于汽车产品设计、制造流程的影响。过去，新 型轿车从构思到试产一般要经历4 5 年时间，运用了计算机辅助c a e 分析技术 后，从设计到样车仅需2 年甚至更少的时间”1 。 此外，自c a d 、c a m 及整车c a e 之间建立联系，实现无纸化设计、分析和制 造，使汽车上部件与部件之间是否发生干涉、装配关系是否正确、装配工艺性 如何、保养和维修的接近性如何都能够在显示终端上清楚地表现出来。同时， 利用计算机模拟技术还可以对动力性、经济性、操纵稳定性、平j 颐性、可靠性 等各项性能预测和设计控制。其中，整车的结构有限元分析、空气动力学分析、 车身碰撞有限元分析、噪声振动分析等方面已取得很大发展，在汽车设计竞争 中的优势越来越明显。随着各种设计软件系统的功能越来越强大和完善，计算 机辅助车身设计也日趋成熟。目前，世界各大汽车厂商均设有专门的计算机辅 助车身设计中心，加快了其推出新车型的速度。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 c a e 分析技术在汽车设计中的应用 以有限元分析方法为代表的c a e 技术已应用于对车辆的各种模拟和各种分 析方法之中，从汽车结构的强度分析，设计的刚度与变形分析，设计的应力与 疲劳分析，动力学特性分析到碰撞模拟，塑性变形分析，声场分析等等，包括 汽车设计的整个过程，使我们在汽车还未制造出来之前就对整车的特性有了一 个详细的了解”1 。 c a e 是一个很广的概念，可以包括工程和制造业信息化的所有方面，传统 的c a e 主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠性分析，对其未 来的工作状态和运行状态进行模拟、及早地发现设计计算中的缺陷，并证实未 来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。分析的目的主要是：进行结构缺 陷部位，分析原因并寻找改进途径；进行结构的最优化方案设计。现如今，汽 车结构c a e 分析的发展已经分工十分精细，包括汽车结构的静态和动态特性， n v h 特性，碰撞特性等。具体来说，c a e 分析技术在汽车上的应用主要包括以 下几方面： ( 1 ) 工程数值分析 运用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、变形等物 理场量，给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实现结构的从线性、静力 计算分析到非线性、动力的计算分析。 分析内容包括： 静力分析：线性静力分析、非线性静力分析、材料非线性( 弹塑性) 、几何 非线性( 大变形) 、状态非线性( 接触) ； 动力分析：稳态动力分析、特征值( 固有频率) 分析、谐响应分析、瞬态 动力分析、谱分析； ( 2 ) 结构优化设计 运用优化设计的方法在满足设计、制造、使用的约束条件下，对产品的结 构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能、工艺过程达到 最优。 结构优化的几个层次： 截面优化( 只改变结构的截面尺寸) 几何优化( 改变结构节点的几何尺寸) 拓扑优化( 改变结构节点间的拓扑关系) 4 结构类型优化( 改变结构的类型) ( 3 ) 运动学动力学仿真 运用运动动力学的理论、方法，对由c a d 实体造型设计出的机构、整机 进行运动动力学仿真，给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度以及动反 力的大小等。 i 3 2 国内外车身结构c a e 分析的发展概况 早期的车身结构分析主要是对车身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、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，很难能得到有意义的分 析结果。车身整体力学特性只能在制作出样车后进行一系列的复杂试验得到1 。 整车 l l 自车身j 毋 p 夹谴谨粟 o 前九 - i 0 前风亩 - i6 口后支摊杼】 5 t 鲁集横粱 】， 背掀门 1 3 其他】，j 5 i水平尾 - 5 005 0i 蔓车 1 1 0 0 白车身= = = = “ 前鲁第横蘩j 2 2 前风亩 l ， 臀掀广， 1 2 中央避道累 7 前门 7 前盾支捧扦】j 其他】5 - 3 5 匕水平尾一 驾曲一u 厦扭转月度 图i - 6 轿车白车身及其各部件对整车刚度的贡献 国外大型汽车公司经过近百年的汽车设计制造，在车身设计方面积累了丰 富的试验数据和理论分析经验，形成了实用的结构设计数据库、设计改正记录 和设计规范。c a e 技术的成功应用更是有效地帮助和指导着设计师进行车身n v h 设计、耐撞性设计、耐疲劳、耐腐蚀设计以及轻量化设计等。目前应用于车身 开发上比较成熟的方面主要有；刚度、强度分析( 应用于整车、大小总成与零 部件分析以实现轻量化设计) ，n v h 分析( 各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风 噪声等) 、机构运动分析等；建立在分析和实验基础上的各种优化方法为车身设 计提供了多种实用的选择方案，使车身设计从经验设计到优化设计跨出了一大 步。如图i - 6 为国外近几年的文章对轿车白车身及其组成部件对整车的刚度的 贡献做了分析”8 ，。 在国内，由于没有完备的结构设计数据库和设计规范，有时只能按解剖进 口车结构来进行参照性设计。具体在车身结构分析方面，车身的刚度分析对结 构分析的重要性近些年已受到广泛的重视。从分析类型上看，仍以车身结构静 态分析为主，而车身碰撞模拟分析、金属板件冲压成型模拟分析、疲劳分析和 空气动力学分析的精度有待进- 步提高。虚拟试验场整车分析正在着手研究， 此外还有焊装模拟分析、喷涂模拟分析等。其中，车身刚、强度分析，碰撞模 拟分析，空气动力特性分析，金属板件拉延成形特性分析等已步入实用化阶段， 为车身的全面优化设计奠定了基础”1 。 相应地，国内外不少公司、科研机构及高等院校陆续开发了一些通用性很 强的大型有限元结构分析软件程序，这些程序可用来分析任意规模的结构，如 整架飞机或整个汽车的结构。这些有限元软件已发展到成熟的阶段，比较成熟 并且普及较广的有美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的s a p 、美国麻省理工 学院研制的a d i n a 、美国国家航空与航天局研制的n a s t r a n 、德国斯图加特大学 宇航结构静力学研究所研制的a s k a 、世界上最大的有限元分析软件公司之一的 美国a n s y s 开发的a n s y s 软件等等。这些通用程序的研制成功，大大简化了结 构分析工作，只要求使用任意掌握有限元法的基本理论，熟悉建立有限元分析 模型的方法和通用程序的使用方法即可。这些大型商业通用有限元分析软件也 像c a d 设计软件一样在汽车研发过程中得到普及，有实力的汽车厂商甚至为自 己的产品开发独立地从事这些有限元分析软件的二次开发。 1 3 3 现代汽车车身结构设计的特点 总体来说，现代汽车车身结构设计已经呈现以下特点： ( 1 ) 轻量化成为车身结构设计所普遍追求的目标。轻量化的研究最早是从 沃尔沃汽车公司的l c p ( t h ev o l v ol i g h tc o m p o n e n tp r o j e c t ) 2 0 0 0 开始的。 虽然它的出现是上世纪七十年代的两次石油危机造成的，但美国钢铁研究所推 出的u l s a b ( t h eu l t r al i g h ts t e e la u t ob o d y ) 和奥迪汽车公司推出的a u d ia 8 铝制车身却完全地表明，在激烈的市场竞争中，设计出质量更轻、成本更低的 车身已成为一种有力的竞争手段。 ( 2 ) 舒适性和安全性仍是车身结构设计中所考虑的主要内容。八十年代以 来，承载式( 包括带有副车架的) 车身结构形式已成为轿车车身的主要结构形式， 而这种车身结构形式所带来的乘坐舒适性的影响，又重新吸引了众多车身工程 人员的注意。承载式车身结构形式的采用不仅对舒适性有影响，而且对安全性 也有影响，随着公众对安全性认识的提高，安全性能也成为一种有力的竞争手 段。 ( 3 ) 利用现代车身工程手段，缩短车身结构的开发周期。缩短整车的开发 周期，已成为各汽车制造商提高自身竞争力一项重要举措。车身结构开发周期 的缩短，不仅可以节省产品开发费用，还可以提高企业对瞬息万变的市场的适 应性，在市场竞争中以快取胜。 ( 4 ) 在汽车车身结构设计过程中，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，贯穿整个设计过程，从一开始的构造选择，为结构设 计提出具体的性能参数要求，到具体设计方案的比较确定，设计方案的模拟试 验。这样确定的车身结构设计方案，基本上就是定型方案，据此试制而成的样 车，只需一定的验证试验即可定型。这样，车身的研制周期被大大缩短了。 6 ( 5 ) 优化的思想在设计的各个阶段被引入。轻量化的要求和对舒适性及安 全性要求的不断提高，使车身设计的难度越来越大，优化设计的思想能有效地 缩短轿车车身的开发周期。 1 4 研究内容 c a e 分析技术作为现代车辆设计方法的一个重要部分，它是计算机技术和 工程分析技术相结合形成的新兴技术。其理论基础是有限元理论和数值计算方 法，核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动动力学仿真技术。c a e 软件是 由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技 术相结合而形成的一种综合性、知识密集型产品。 在现代轿车开发过程中，无论是改进车型还是全新的车型，在车身开发过 程中都要投入相当多的人力和物力，其重要性可见一斑。在车身实体试制前， 为了在车身设计过程中就能掌握车身的结构性能，以有限元法为代表的车身结 构c a e 分析就必不可少了。在车身c a d 几何建模的基础上，采用有限元建模工 具建立白车身有限元模型，分析车身结构的静动态性能，在通过试验验证并修 改有限元模型后获得的比较精确的模型，就可以为后续的车身动态和碰撞性能 分析提供可靠的保证。对于分析过程中发现的车身结构方面的缺陷，设计人员 通过优化和反复分析提出最终的优化方案，从而指导车身的设计。毫无疑问， 通过车身结构的有限元分析，只要建立的模型足够精确，分析的工况与实际相 符，其结果具有较好的可信度，在此基础上提出的优化方案就可以大大加快车 身的设计开发速度，缩短整车开发周期，节约成本。 本课题涉及的主要内容是轿车白车身结构有限元及其试验分析。在建立的 有限元模型上主要对其结构的静态刚度和自由模态特性进行仿真计算；在专用 的试验台架上进行相应的静态刚度和自由模态测试。将理论计算的结果与对应 的试验结果进行对比分析，掌握白车身的基本静、动态性能，评价该白车身的 结构力学性能，根据车辆实际使用工况和性能要求提出尚待改进的地方。通过 试验的结果也能验证有限元模型的精确程度，修改后的模型就能通过灵敏度分 析等方法针对特定的结构性能参数进行优化设计。 1 5 本章小结 本章从课题的研究的背景、研究意义及国内外研究现状等方面全面说明了 研究领域的工程实践意义和发展前景，并简要介绍了本文的研究内容。随着有 限元理论和数值计算方法的不断发展，加之不断完善的通用有限元分析软件， 现代c a e 分析技术在汽车车身设计中必将得到更加广泛、深入的应用，发挥不 可替代的作用。 7 第二章有限元法理论及相关工具软件简介 2 1 引言 以有限元法为代表的c a e 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。对于复杂 的结构，进行动力学性能的研究及优化设计，有限元方法被证明是一种最为成 功，应用最广泛的近似分析方法。 有限元法的发展历程可追溯到2 0 世纪4 0 年代。1 9 4 1 年，h r e m k o f f 提出了 所谓网格法，它将平面弹性体看成是杆件和梁的组合。1 9 4 3 年，r c o u r a n t 第一次在论文中定义了在三角形域上的分片连续函数并利用最小势能原理研究 了s t v e n a n t 的扭转问题“”。有限单元法的基本思想一一“离散化”概念就 在这一时期提出，由于当时计算条件的限制，没有引起重视。十年后，英国航 空工程教授阿吉里斯( a r g y r i s ) 和他的同事运用网格思想成功地进行了结构分 析。1 9 5 6 年t u r n e r 、c l o u g h 、1 4 a r t i n 和t o p p 等人在他们的经典论文中首次应 用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答。1 9 6 0 年，c l o u g h 进一步解决了 平面弹性问题，并首次提出了“有限单元法”这个名称，有限元方法受到工程 技术人员的关注。6 0 年代中后期，数学家们开始介入对有限元法的研究，使有 限元的发展有了坚实的数学基础。1 9 6 5 年，津基威茨( 0 c z i e n k i e w i c z ) 和 同事y k c e u n g 宣布，有限元法适用于所有能按变分形式进行计算的场问题， 有限元法的应用被推广到了更广阔的范围。有限元法最先应用到航空工程领域， 后来迅速推广到机械与汽车、造船、建筑等各种工程技术领域，并从固体力学 领域拓展到流体、电磁场、振动等各学科。从7 0 年代开始，随着大容量计算机 的出现和美国宇航局结构分析程序n a s t r a n 的开发成功，美国几家大的汽车公 司开始了一场汽车结构设计的革命。进入8 0 年代以来，随着计算机软硬件技术 的飞速发展及计算方法的创新，有限元模型建立的技术和方法日趋丰富和完善， 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十万个 混合单元，分析对象己由静态应力到动态响应、噪声、碰撞和优化设计。应用 大型有限元软件，建立汽车的有限元模型，进行汽车的动静态分析，完成汽车 的优化设计，己是各大汽车公司普遍采用的一种手段。 在汽车c a d c a e 技术中，有限元分析方法和软件技术占据了一个极其重要 的位置。对汽车的零部件和整体结构进行动力学仿真和分析，是研究其可靠性、 寻求最佳设计方案的主要手段。 2 2 有限单元法基本理论 2 2 1 线弹性体静力学问题 线弹性体的静力分析问题是整个结构有限元分析的基础。它主要由以下步 骤完成： ( 1 ) 结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限元方法的基础。这一步是 把要分析的结构划分成有限个单元体，并在单元制定位置设置节点，把相邻单 元在节点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。 ( 2 ) 选择位移函数 为了能用节点位移来表示单元内任何一点的位移、应力和应变，首先假定 单元内任意一点的位移是坐标的某种简单函数，称之为位移函数。也即： 厂 = m 娩， ( 2 一1 ) 式中： ) 为单元内任意一点的位移列向量； 砭) 为单元的节点位移列向量； n 为形状函数矩阵。 ( 3 ) 分析单元的力学特征 利用弹性力学的几何方程，可以导出用节点位移表示的单元应变： 斜2 嘲娩， ( 2 2 ) 式中的 b 为几何矩阵。 利用物理方程，可以导出用节点位移表示的单元应力： 盯 ：【d 】 剀 瓯 ( 2 3 ) 式中的 b 为平面应力问题物理方程中的弹性矩阵。 利用虚功方程建立作用于单元上的节点载荷和节点位移之间的关系式，即 单元的刚度方程，从而导出单元的刚度矩阵： 只 2 k e 】 以 ( 2 4 ) k 。】= i 【明【d b l d v r ( 2 5 ) 式中的 k 为单元刚度矩阵。 ( 4 ) 计算等效节点荷载 连续弹性体经过离散化以后，便假定力是通过节点从一个单元传递到另外 一个单元。但是对于实际的连续体，力是从公共边界传递到另外一个单元的。 因此，作用在单元上的集中力、体积力以及作用在单元边界上的表面力，都必 须等效的移置到节点上去，形成等效节点荷载。 ( 5 ) 整体分析 集合所有单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程，从而形成总体剐度 矩阵： 【