（光学工程专业论文）轻型客车车身结构设计与优化.pdf

a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering structure design and optimization of the light bus body candidate : tan wei major : vehicle engineering supervisor : asso. prof. zhang yunqing huazhong university of science and technology wuhan, hubei 430074, p. r. china january, 2012 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学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。 保密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打 “” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 i 摘摘 要要 车身是汽车的重要组成部分之一，对于一个全新开发的轻型客车而言，车身结 构的好坏将对整车的 nvh，碰撞安全等重要关键性能产生重要影响。轿车车身结构 的研究日趋成熟，但是对于国内市场不多见的承载式轻型客车车身，并没有完善的 设计指南。因此对于这一类车身结构的研究是非常有必要的。 本文基于有限元分析的方法，构建了轻型客车的白车身结构有限元模型，采用工 业界广泛认可的有限元求解软件 nastran，对车身结构有限元模型进行模态频率 和模态向量的求解，研究了该款轻型客车车身结构的动态特性，根据整车 nvh 性能 设计的要求，对车身结构进行评估和改进，并通过模态试验的手段进行了实际的验 证。另外，还构建了轻型客车的整车碰撞有限元模型，采用著名的显式动力学求解 软件 ls-dyna，进行了整车 50kph 100%正面碰撞的仿真计算，研究了车身结构的 抗撞性能，对存在的结构问题提出了改进建议，并通过碰撞试验验证了改进的效果。 最后，采用响应面优化法，对车门结构的方案进行了多目标优化的工作，确保了车 门结构的设计质量。 通过运用先进的 cae 分析手段进行汽车车身产品的研发设计，可以明显地缩短 设计周期，减少开发性试验的数量和费用，达到降低成本的目的。 关键字关键字：轻型客车 车身 结构 模态 碰撞 响应面法 多目标优化 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 ii abstract body is an important part of the automotive, of which the structure design will have a great influence on the key performance, such as nvh and crashworthiness of the full car for a newly developed light bus. research on the body structure of the car is becoming more developed. however, there is no perfect and complete design guidelines for the light bus load type body which is rare in the domestic market. thus it is very necessary to research the body structure of light bus. based on finite element analysis method, the author builds finite element model of the light bus body structure by software nastran. then light bus body structure dynamic characteristics are studied by extracting the modal frequencies and modal vectors of the body finite element model. according to the analysis results and nvh performance requirements, the body structure related to the whole vehicle is evaluated and improved. a modal test is performed in order to investigate the effect of the modification and validate the final body structure proposal. in addition, a special finite element model of this light bus for crash simulation is built by the well-known explicit dynamic solver software ls-dyna. the body structure crashworthiness is researched by simulating the scenario of 50 kph 100% frontal crash for the vehicle. the final design scheme is proposed and crash test is performed to validate the effect of the modification. finally, response surface method is adopted to solve a multi-objective optimization problem of the door structure to ensure that the door structure design quality. by applying the advanced cae analysis technology to the development of the automotive products. the time of design cycles can be significantly shortened, and the number of trials can be reduced to decreae the development costs. keywords: light bus, body, structure, modal, crash, response surface method, multi-objective optimization 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 iii 目目 录录 摘摘 要要 . i abstract . ii 1 1 绪论绪论 1.1 课题来源 . (1) 1.2 课题研究的目的和意义 . (1) 1.3 国内外研究现状 . (1) 1.4 本文研究内容 . (9) 2 2 轻型客车白车身模态有限元分析与测试轻型客车白车身模态有限元分析与测试 2.1 白车身动态性能设计思路 . (11) 2.2 白车身模态有限元分析 . (11) 2.3 白车身模态试验 . (27) 2.4 模态试验与分析对比 . (38) 2.5 本章小结 . (39) 3 3 轻型客车碰撞有限元分析轻型客车碰撞有限元分析 3.1 显式动力学分析理论简介 . (40) 3.2 轻型客车碰撞仿真建模关键技术 . (42) 3.3 50kph 100%正面碰撞仿真 . (55) 3.4 车身碰撞结构改进与分析 . (58) 3.5 碰撞试验验证 . (62) 3.6 本章小结 . (63) 4 4 轻型客车车门结构设计与优化轻型客车车门结构设计与优化 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 iv 4.1 车门结构有限元分析 . (65) 4.2 车门结构改进与优化 . (67) 4.3 本章小结 . (77) 5 5 全文总结与展望全文总结与展望 5.1 全文总结 . (78) 5.2 展望 . (78) 致致 谢谢 . (80) 参考文献参考文献 . (81) 附录附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文攻读硕士学位期间发表的学术论文 . (85) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题来源课题来源 本课题来源于东风汽车股份有限公司战略性产品开发项目： “a08 轻型商用客车 研发” 。 1.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 该车型最短轴距型号的整备质量达到 2.2 吨，车身为承载式车身，空间尺寸大， 在国内市场对整车安全性能要求和整车 nvh 性能要求越来越高的现状下， 如何在有 限的投资预算下开发出各方面达标的车身成为该公司的重大课题。在技术日新月异 的今天，cae 技术被广泛地用于汽车产品开发的工作中。尤其在国外发达汽车公司 内部，都建立了完善的 cae 技术系统，他们的产品开发从概念阶段就开展 cae 分 析和改进的工作，可以较早的发现设计问题，减少后期失败的风险。现在越来越多 的中国汽车公司也开始在自主研发的项目中大量的应用cae技术来帮助提高产品的 设计质量，缩短研发周期，减少后期试验的费用。本课题旨在使用先进的 cae 分析 技术和试验手段，对轻型客车的白车身总成的结构动态特性和抗撞性能这些关键技 术指标进行分析计算和试验，获取宝贵的关键技术参数，总结分析和试验结果之间 的差异以及原因，在开发的前期对其结构进行评估，并提出改进意见，保证白车身 总成在结构的模态和抗撞吸能方面达到设计要求，达到降低后期开发性试验费用， 缩短研发周期的目的。 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 cae 是 computer aided engineering 的简写，中文称为计算机辅助工程，是一种 针对实际的物理现象和过程建立相应的近似数学模型，并利用计算机程序求解，根 据计算的结果来进行科学实验仿真研究的现代工程技术分析方法。cae 应用早期局 限在国防科技和军工部门(如航天，航空，核能等)，随着计算机硬件的发展，数学理 论的不断成熟，cae 技术已深入到科学研究，工程设计，辅助决策，系统优化等各 个方面，成为一种非常重要的工程设计手段。它的应用可以有效的缩短产品开发周 期，降低产品研发的成本，从而提高产品的市场竞争力。cae 是一个大范畴的概念， 其中又包含了多种具体的数学算法和软件工具，其中有限元法是发展最快，应用最 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 2 广的一种方法。 从上世纪 70 年代开始，就有许多学者开始采用有限元分析的方法进行汽车结构 方面的研究1- 3。1971 年，美国福特汽车公司的 willy petersen 采用有限元分析法研 究了汽车车身结构的力学性能4， 计算规模只有 10000 个自由度；日本丰田汽车公司 的 kirioka 等 人开发了可以考虑弯曲应力的板壳单元， 把车身结构处理成板壳单元进 行有限元分析计算5，borowski 等人采用有限元方法计算了汽车车身骨架的模态频 率和振型，并与试验进行对比6。1976 年，日产汽车公司的 yoshihiro kajio 等人开 始将非线性有限元分析的方法应用到汽车顶压和安全带固定点的强度的计算机仿真 分析中7。但由于当时计算机硬件不够发达，缺少专业的 cae 工具软件，很多工作 都属于研究性质，计算规模也很小，对汽车产品开发中的很多问题并不能详尽的描 述， 并且缺乏相应的标准和流程管理， 还不能产生实际的效益。 到了上世纪 90 年代， 出现了一些比较成熟有限元程序， 主要有 ls-dyna、 abaqus、 nastran、 ansys 等。1990 年，克莱斯勒汽车公司的 alaniz 等人开始运用 abaqus 有限元程序进行 车身面板刚度的仿真分析， 通过与试验对标， 制定了相应的车身面板设计分析方法8。 1991 年， 韩国现代汽车公司的 park 的人采用 pam-crash 显式动力学有限元软件对 轿车的碰撞过程进行了计算机模拟仿真分析，深入研究了影响轿车碰撞安全的因素 9。进入 21 世纪以后，计算机硬件飞速发展，64 位架构的 cpu 出现使大内存的应 用成为可能，高性能计算机应运而生，微软公司的 windows x86 系统平台逐渐完 善，unix 系统被逐步淘汰，这一切都促使计算机的性能越来越强大，计算成本越来 越低，从而大规模的频率响应分析和谱响应分析以及流体分析成为可能。2005 年阿 文美驰公司的 ramesh edara 等人运用 ls-dyna vpg（虚拟实验场）瞬态分析技术 对重型卡车悬架的耐久性进行分析计算，得到了悬架模型在不同试验路面下的应力、 应变时间历程数据，这样更加接近实际使用情况，比以前的静态分析方法有了长足 的进步10。 有限元分析技术除了在计算求解结构的静态或动态应力、应变等方面越来越强 大，在求解结构的模态特征值和模态特征向量方面的算法和软件也不断发展。在早 期的汽车研发中，结构模态主要通过试验的方法来测量，但是在方案需要反复验证 时，试验的效率比较低。1965 年，美国国家宇航局（nasa）专门开发了 nastran 有 限元分析软件，其主要功能之一就用于求解结构的模态频率和模态特征值。这样一 来通过软件就可以计算出结构的模态特性数据，大大缩短的结构的设计周期。随着 计算机硬件性能不断强大，软件的功能不断完善，用于结构模态分析的 cae 技术越 来越成熟，从上世纪 80 年代开始逐渐扩展到汽车行业。1984 年，福特汽车公司的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 3 metin dede 开始将模态分析的方法应用到整车振动特性的匹配设计中 11。现在，模 态分析的 cae 技术已经广泛的应用于汽车产品研发的各个方面，在众多汽车公司中 已经成为研发阶段必不可少一个环节。2001 年，德国大众汽车公司采用计算机模态 计算和车辆工作模态振型测试相结合来评估卡车和客车在行驶中的动态特性12。 heiner storck 等人采用试验模态分析与有限元分析相结合的手段来设计越野车的排 气系统的悬挂参数，获得了良好的效果13。2003 年，美国李尔汽车座椅公司与 mts 公司合作，研究了采用座椅总成的模态分析结果来评估座椅上附件的振动水平是否 可以接受的方法14。 在市场竞争日趋激烈的今天，汽车的安全性是汽车厂商、消费者、政府部门高 度关注的问题。汽车的安全性可分为主动安全性和被动安全性15- 24。为了促使汽车 厂家能设计和生产更加安全的汽车，许多发达国家都制定了相应的安全法规，汽车 产品必须要满足这些安全法规才能上市销售。例如美国联邦法规有： fmvss 201 内饰乘员头部保护 fmvss 202 乘员头部约束系统 fmvss 203 驾驶员转向控制系统碰撞保护 fmvss 204 转向盘后向移动控制 fmvss 207 汽车座椅安全标准 fmvss 208 前部碰撞及乘员保护 fmvss 209 座椅安全带安全标准 fmvss 210 安全带安装固定点强度 fmvss 213 儿童安全约束系统 fmvss 214 侧面碰撞 fmvss 216 汽车顶部抗压性能 fmvss 301 燃油系统碰撞保护 欧盟的法规有： ece 12 防止转向机构的碰撞保护 ece 14 安全带安装固定点强度 ece 32 后部碰撞 ece 33 前部碰撞 ece 34 碰撞火险预防 ece 42 前后保护装置碰撞 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 4 ece 94 前部偏置碰撞 ece 95 侧面碰撞 然而政府制定的法规对于汽车厂商来说还只是最低要求，在许多发达国家都还 拥有公众导向性评估体系， 为汽车产品提出了更加严格的安全要求， 例如美国的 iihs 安全评估系统： iihs odb 前部偏置碰撞（g/a/m/p 级别评估） iihs mdb 侧面碰撞（g/a/m/p 级别评估） iihs rear 头枕及 whiplash（g/a/m/p 级别评估） 欧洲的 euro-ncap 安全评估系统： frontal odb 前部偏置碰撞 side mdb 侧面移动障碰撞（*综合星级评估） side pole 侧面柱碰 pedestrian prot.行人保护（*星级评估） child restraints 儿童保护（*星级评估） 中国汽车技术中心（天津）从 2006 年开始进行了中国新车评价规程（c-ncap） 方面的工作，现在的评价方法主要从 50kph 100%正面碰撞，56kph 40%odb 和侧 面碰撞这三种试验来综合考评。 通过以上法规和公众导向性评估系统我们知道，国外汽车厂商为了开发一款新 产品需要做大量的碰撞试验，这个开发的投入是非常巨大的。为了降低开发费用和 缩短开发周期，国外汽车厂和商业有限元软件公司不断合作开发了先进的整车碰撞 计算机仿真分析软件，最著名的有美国 lstc 公司的 ls-dyna，abaqus 公司的 abaqus（已被达索公司收购） ，法国 esi 公司的 pam-crash，mecalog 集团的 radioss（已被美国 altair 收购） 。这些软件目前已经广泛地应用于汽车产品安全性 开发流程之中，图 1.1 是北美汽车公司经典的整车开发流程25，我们可以看到 cae 技术是整个流程不可或缺的一部分。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 5 图 1.1 整车开发流程 那么cae技术在汽车安全性能开发中具体是怎么应用的呢？就过去的汽车产品 开发经验而言，以 euro-ncap 为例，对车身要求很高，如果车身耐撞性差，仅靠约 束系统是无法实现 3 星级以上的安全评价的，车身结构概念设计阶段很重要26，车 身前部吸能区零件的结构形式、材料、能量吸收分配都非常重要，这些都可以通过 显式动力学分析软件进行计算，从而得到更优化的设计方案。在汽车安全性设计中 一般将车身分为三部分：吸能区，过渡区，安全区，见图 1.2。 图 1.2 车身吸能区、过渡区、安全区 吸能区在碰撞发生时变形吸收的能量越多越好， 图 1.3 是国外几款车型吸能区与 过渡区，安全区的能量吸收比率，数据由 cae 分析得出26。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 6 图 1.3 不同车型吸能区吸能比例 图1.426表示以上几款车型吸能区各个零件的吸能情况， 通过cae分析计算， 安全工程师可以深入的了解车身结构在碰撞过程中变形吸能的情况，从而在汽车产 品设计的早期就提出修改意见，直至方案达到要求为止，为后期碰撞试验降低了风 险。 图 1.4 各个零件吸能百分比 例如，图 526显示一款车在初始设计方案(baseline)下通过 cae 分析计算可以看 到地板的变形量比较大，通过对增加加强板，结构得到了改善，在新的一轮分析中 (concept)，可以发现吸能区吸能提升了 10%，后部区域吸能降低了 10%，地板变形 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 7 量减小，前地板脚部区域后移量减小了 70%，a 柱位移减小了 99%。 图 1.5 车身吸能结构改进前后对比 cae 技术发展到今天，算法越来越丰富，软件功能越来越强大，过去的许多难 以解决的线性静态、非线性大变形以及流场等问题现在都有了比较好的解决方案， 但在实际工程应用中会发现，通过 cae 技术分析找出问题比较容易，但是要找到一 个比较好的解决方案还是很困难。因此 cae 学科里还有有一个优化算法的方向一直 有大量的学者在进行研究。 微积分理论的出现为优化问题的求解提供了理论基础。但由于计算能力的问题， 一直发展缓慢。计算机的出现大大提高了计算能力，随后，优化理论和算法迅速发 展，逐步形成完整体系。1960 年 schmit27将数学规划方法引入结构设计领域。上 世纪 70 年代初期，venkayya, gellatly, berk 等人28-33提出离散型优化准则，该方法 根据虚功原理将位移约束显式化，可以很有效地处理位移约束的优化问题。近 20 年 来，在结构优化领域又涌现出许多新的方法，如 holland34, goldberg35等人提出的 遗传算法， fogel36,de jong37, koza38等人提出的进化算法，kirkpatrick 等人提出 的模拟退火算法39，这些方法虽然旨在寻找全局最优解，但是由于不建立优化模型， 结构分析迭代次数过于频繁，效率不是很高。1995 年，houten, schoofs, campen 等 人对响应面法在结构优化方面的应用进行了系统的研究40。针对这些理论研究的成 果，许多公司相继推出了具有优化功能的工程技术工具软件，最著名的软件有比利 时 noesis solutions 公司的 optimus 和美国 engineous software 公司的 isight。 同时， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 8 国外许多汽车设计公司一直在跟踪并使用着优化技术。1998 年，德国的宝马汽车公 司已经开始采用多目标优化的方法进行车身结构设计的工作41。 同年， roux, stander , haftka 进行车身结构响应面优化法的研究42，schramm , thomas 等人进行了有关乘 员安全和碰撞方面的车身结构优化的分析工作43， 并在 2001年发表了关于车辆 nvh 和碰撞多目标优化方面的研究成果44，redhe 和 nilsson 在 2006 年采用空间映射优 化法对 saab automobile ab 车型的碰撞性能设计方案进行了筛选45。 总得来说，从有限元的概念出现到今天将近 50 年的时间里，国外汽车行业经历 了入门、总结、推广、普及的过程，在发达国家的汽车公司里，cae 技术的应用已 经标准化，流程化，可以真正的做到分析引领设计的程度，从而减少了大量的试验 费用、缩短了产品开发的周期。过去开发一个新车型需要 48 个月的时间，而现在只 需要 30 个月甚至更短。 近年来，我国的 cae 水平有了很大的提高，静态分析软、硬件水平已经与国外 水平接近，对应力、应变、位移、刚度、强度的分析比较成熟，吉林工业大学的乔 淑平等在 1999 年对红旗 ca7220 轿车白车身进行了刚度有限元分析46； 江淮汽车公 司技术中心张雷等人其公司的某款轿车进行了白车身刚度分析与改进的工作，使得 该车身扭转刚度从 11831nm/提高到 14694nm/47；清华大学汽车安全与节能国 家重点实验室的杨阳等人在2006年进行了微型客车白车身结构设计有限元分析的研 究工作48；华菱汽车股份公司的王少军等人最近提出了商用车驾驶室弯扭组合工况 力学性能及测试方法49，这几年国内关于 cae 技术的研究越来越活跃。 国内对整车的模拟碰撞仿真是从 2000 年以后发展起来的，尤其是从正面碰撞乘 员保护的强制性法规 gb11551-2003 执行以后， 国内各个汽车公司越来越重视汽车安 全性方面的研发。 但是关于整车安全性能方面的 cae 分析技术人员还很缺乏。不 过这方面的研究发展的很快，东风自主品牌轿车公司从 2007 年购买了刀片式计算服 务器和 pam-crash 碰撞仿真软件，组建了一支专业的碰撞研究团队，开始对自主 研发的 s30 和 h30 等车型进行整车碰撞分析的工作。一汽轿车在整车碰撞分析方面 开展的比较早，在开发奔腾 b70 等车型时做了大量的竞品车对标的工作，获取了很 多宝贵的数据50。华南理工大学与吉利汽车公司合作进行了基于自适应响应面法的 车身前部吸能部件优化的研究工作51。大连理工大学与长安汽车工程研究院进行了 考虑碰撞安全性的汽车车身轻量化设计研究工作52。中国汽车技术研究中心与上海 汽车股份公司技术中心共同开展了燃料电池汽车正面碰撞安全性研究53。随着中国 汽车工业的发展，整车碰撞仿真技术的研究工作也越来越深入。从实际应用的角度 来说，还是有很多困难需要进一步解决。其一是对 cae 技术和有限元基础理论的熟 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 9 练掌握，另外是要提供最基本的实验数据和相关数据库。这里所指的基本实验数据， 是指像轮胎特性数据、道路特性数据、各种材料的力学特性等。但实际上国内汽车 公司都是缺乏这些基础数据。 虽然国内 cae 技术应用有了一定的发展，但是企业内部分析流程与软件开发环 境还处与起步阶段，没有统一的行业标准；相关数据库与工程经验积累较少；企业 设计开发流程与知识库不能通过二次开发与 cae 软件结合。 相对于发达国家的 cae 技术水平，还有较大差距。 从车型来看，乘用车领域的 cae 技术发展的最快，无论是结构静动态分析和 nvh 性能开发方面， 还是碰撞安全性能开发， 都有大量的文献和成功案例可以追溯， 在客车方面，从上世纪 90 年代开始，国内已有专家和工程技术人员开始在客车领域 展开研究， 清华大学朱西产等人54在95年开始采用试验的方法研究客车车身的模态， 随后这十多年里，东南大学朱壮瑞55，湖北汽车工业学院马迅，东风汽车商用车研 发中心赵幼平56，同济大学沈浩57，大连理工大学刘明辉58，湖南大学康意谊59， 华中科技大学王书亭60， 胡浩61， 合肥工业大学汪新伟62 等人相继对不同的客车车 身结构进行了有限元分析和试验的研究工作。综合来看，他们研究的车型主要分为 两种：1、骨架和蒙板结构的中大型客车车身结构；2、非承载式车身结构（以依维 柯为代表） 。 相对于本文的研究对象承载式轻型客车车身的结构，有着很大的 区别。随着人类对环境保护的意识日益提高，汽车产品不断向轻量化的方向发展。 轻型客车也不例外，车身结构从过去的带车架的非承载式车身发展到现在不带车架 的承载式车身，动力总成布置从前置后驱发展到现在的类似乘用车的前置前驱，后 悬架钢板弹簧从多片簧发展到少片簧、单片簧等等一系列改变都是追求整车轻量化 的结果。车身重量减轻了，油耗、排放降低了，但是对于承载式车身，尤其是轻型 客车的车身，如何满足整车的 nvh 性能要求以及碰撞安全性要求成为一个课题。虽 然国外的福特、奔驰、菲亚特、psa 公司生产类似的轻客，但是能查到的相关文献 寥寥无几，国内市场上只有江铃福特全顺为同类车型，技术从美国福特引进，在现 有的国内文献中，鲜能查到与其有关的技术资料。可以说国内对该类车型的研究还 非常少。所以本文将以 cae 分析方法，重点对这类承载式轻型客车的车身结构的动 态特性和碰撞安全性能这两个关键技术指标加以研究。 1.4 本文研究内容本文研究内容 本文的研究内容主要包括： （1）根据动力总成振动特性、道路载荷激励频率、悬架振动特性综合匹配制定 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 10 车身的动态特性目标，采用有限元法计算轻客白车身结构的模态频率和模态振型， 对不满足设计目标的动态性能问题，找出原因，提出结构改进方案。最后通过模态 试验来校核分析的效果。 （2）根据中国的整车正面碰撞乘员保护法规 gb11551-2003，采用显示动力学 分析软件 ls-dyna 对轻型客车进行整车正面 100%碰撞仿真分析， 运用 g1-g2 双阶 梯加速度波形车身碰撞加速度规划技术，研究车身结构在正面碰撞中的薄弱环节， 通过对吸能区结构和材料的优化，让车身拥有良好的抗碰撞性能，保证了整车的安 全性能达到国家的法规要求。 （3）车门属于车身系统的的重要总成，需要把车门总成和车身侧围综合考虑进 行结构设计，保证车门具有足够的刚度和强度来满足法规的载荷条件。在车门结构 设计中，采用了多目标优化的方法对车门钣金的结构形状和尺寸进行了优化，取得 了良好的效果。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 11 2 轻型客车白车身轻型客车白车身模态模态有限元有限元分析分析与测试与测试 2.1 白车身动态白车身动态性能性能设计设计思路思路 对于承载式轻型客车的白车身，一阶扭转模态，和一阶弯曲模态是非常重要的， 如果这两个振型的模态频率与发动机激励源和轮胎激励源的频率耦合，对整车的振 动和噪声影响非常大。当白车身整体一阶频率控制在合理范围内，其他局部模态频 率应该尽量的设计的比较高才好，这样局部的刚度才能得到保证。当然也不能无限 制的做高，还要考虑工艺可行性，制造成本等因素，做为商品来说，性价比是最重 要的。 该轻客的发动机为 4 缸直列柴油机， 怠速转速为 750 转/min， 因此发动机的二阶 激励频率为 25hz；车辆行驶时速按 20120km/h 范围计算，根据轮胎尺寸可以算出 轮胎一阶激励频率范围为 2.012hz；前悬后悬的频率在 1.21.8hz。通常情况下，为 了与激振源的频率避开，承载式轿车车身的整体一阶扭转模态频率要高于发动机的 怠速激励频率，但是对于轻型客车这类车型，车身尺寸比轿车大很多，如果按照轿 车的模态水平来设计，成本上是不切实际的。对竞品车进行研究对比后，认为轻客 白车身的整体一阶模态频率取 15-20hz 这个范围应该是比较合理的。局部一阶模态 频率应该高于整体一阶模态频率。 根据这一设计指导思想，采用有限元分析的手段对轻型客车白车身结构进行模 态分析，对不满足要求的模态，进行结构上的改进。 2.2 白车身白车身模态模态有限元分析有限元分析 2.1.1 建模软件建模软件 有限元建模前处理软件采用美国 altair 公司的 hypermesh。 该软件是一个高性能 有限单元前后处理器，让工程师在高度交互及可视化的环境下验证各种设计条件。 hypermesh 的图形用户界面易于学习， 并且支持直接输入 cad 几何模型和已有的有 限元模型，减少重复性的工作。高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几 何的有限元建模过程，先进的后处理工具保证形象地表现复杂的仿真结果。在一个 集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在任何特定的情形下都能使用适用的求 解器。如 nastran、abaqus、ls-dyna、ansys 等，支持针对这些求解器的 模型设置和相互转换。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 12 2.1.2 白车身有限元模型的白车身有限元模型的建模规范建模规范 采用有限元法进行结构模态计算的过程中，单元大小和类型、焊接类型、材料 参数、几何形状的处理、前处理软件和求解器等等都会影响到最终分析的结果。这 些影响因素的不同组合会造成不同的计算结果，哪一组结果是最可信的呢？因此对 建模过程中所有的环节需要制定规范和标准，才能控制住计算结果的偏差范围。在 国内外许多汽车公司内部都有相应的规范，尽管它们各不相同，却自成体系。下面 对这些影响因素做出规定： （1）导入 cad 模型 该项目车身所有 cad 数据均为 catia 软件文件格式，其通用文件名为*.catpart， 为了在 hypermesh 软件中把 catia 格式的模型进行网格化，需要把所有的 cad 模型 转换成*.stp 格式的中性文件。并且需要注意一下几点： 1） 每个零件有其自身的零件号、零件料厚、材料牌号； 2） 每个总成需包含焊接级次关系信息，并完成装配； 3） 焊接信息规定： 两层点焊为红色双圈点；三层点焊为黄色正方点、四层点 焊为粉色交叉点，气体保护焊为绿色米型点； 4） 将*.stp 格式的 cad 文件导入到 hypermesh 软件中，检查 hypermesh 软件 中零件数量是否与原始模型中一致，不一致将缺省的零件重新导入到 hypermesh 软 件中。 （2）几何清理 在 hypermesh 软件中导入 cad 模型之后， 划分网格之前需要对有问题的几何模 型进行修改和清理的工作： 1） 缝合间隙，见图 2.1。 图 2.1 缝合间隙 2） 修补缺省的面，见图 2.2。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 13 图 2.2 修补缺省的面 3） 删除重复面，见图 2.3。 图 2.3 删除重复面 4） 压缩间隙4mm 相邻面的边界，见图 2.4。 图 2.4 压缩间隙4mm 相邻面的边界 5）孔直径5mm 时，该孔可直接去掉不模拟，若该孔是连接孔，孔中心位置应 布置一节点为以后模型连接时使用，见图 2.5。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 14 图 2.5 连接孔处理 （3） 网格划分 当几何清理工作完成后，设置网格尺寸大小为 10mm，单元采用 cquad4 和 ctria3 壳单元，网格划分时遵循一下原则： 1） 每个零件的 fe 模型建立在几何模型的中面。如果 cad 模型为实体模型应 抽取中面进行网格划分，如果原 cad 数模是上表面或下表面时，网格划分完后单元 应偏移到中面； 2） 将每个零件的几何和网格放于同一组内； 3） 网格平均长度为 10mm，网格最小尺寸不小于 5mm（零件结构中有加强筋 和槽的位置网格最小尺寸可为 4mm） ，网格最大长度不大于 12mm； 4） 每个零件单元之间不许有穿透发生，整个 fe 模型进行穿透检测，穿透检查 时建议设置零件厚度系数为 0.65； 5） 每个零件网格划分完成后，检查网格质量满足表 2.1 的要求； 6） 不允许有重复单元； 7） 每个零件网格内部不能有多余的自由边出现； 8） 每个零件的网格单元法向方向相同； 9） 不允许有重复节点； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 15 表 2.1 网格单元质量要求 10） 翻边处理； a. 非焊接边边长小于 4mm 时，此特征可以不保留，见图 2.6； 图 2.6 翻边单元处理 b. 焊边上至少划分二排单元，见图 2.7； 图 2.7 焊接边单元处理 1 为了保证焊点与单元垂直，应该保证焊边的初始形状，焊边单元不应有多余的 角度产生，见图 2.8。 序号序号 单元形状控制项单元形状控制项 要求要求 1 单元最小边长 4mm 2 单元长宽比 3.0 3 单元翘曲角度 15 4 雅克比 0.7 5 单元歪斜角度 60 6 四边形单元最小内角 40 7 四边形单元最大内角 140 8 三角形单元最小内角 20 9 三角形单元最大内角 135 10 三角形单元占单元总数百分比 5% 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文文 16 图 2.8 焊接边单元处理 2 11） 包边和折叠结构的处理； 对于车身结构中四门两盖以及其它结构中有包边和折叠结构，可以把包边处作 为 3 层板处理， 放于专门的零件中， 在零件属性卡片定义料厚=2t外板+t内板， 见图 2.9。 图 2.9 包边单元处理 12） 孔的处理； a. 螺栓孔、铆钉孔； 对于螺栓连接孔和铆钉孔，孔边至少布置 6 个节点且节点个数为偶数，周围做 一圈 washer。 当孔边单元最小长度小于 4mm 时可以扩大孔的直径使其达到网格质量 要求，见图 2.10。 孔直径小于 5mm 时，该孔可以直接去掉不模拟，但螺栓孔