（车辆工程专业论文）基于简化模型的车身结构分析与优化.pdf

摘婴 摘要 汽车工业发展至今，人们在各方面对于汽车提出了越来越高的要求。其中 尤为突出的就是安全性和可靠性。车身是汽车的主要承载部分，是悬架部件、 底盘部彳，| ：和车身附件的安装基础，也是承受各种交变载荷的关键部分，因此对 于车身的结构分析在汽车设计中具有重要意义。车身结构必须具有足够的静刚 度以保证其装配和使用的要求，足够的动刚度用以承担使用过程中的各类载荷， 同时应有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。 在现代车身设计流程中，南于c a e 技术的广泛应用，设计与修改已经成为 了一个并行的流程，大大缩短了车身设计的时间。但是传统用以分析的细化车 身模型无法满足初始设计阶段中快速建模和分析的要求。为解决这一问题，初 始设计阶段中通常采用简化车身模型用以设计分析。本文对车身梁单元简化模 型的建模理论进行了研究，将柔性简化接头模型运用于简化模型，对影响柔性 接头模型的因素进行了分析，提高了简化模型的准确性。为了验证简化模型的 精确性和可靠性，基于某s u v 白车身的模态和刚度试验，建立了准确的白车身 细化有限元模型。在此基础上建立了简化梁单元模型，并与细化模型进行了对 比研究。同时利用梁单元简化模型的灵敏度分析结果指导了优化方向，对白车 身成功地进行了优化修改，达到了设计目标。为了提高基于简化梁单元模型的 设计分析效率，本文建立了基于s o l 的接头截面数据库，用以对接头和截面的 相关数据进行收集与整理，有实际的工程价值。 关键词：白车身，梁单元，简化模型，接头，数据库 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so f a u t o m o b i l ea r eg e t t i n gh i g h e r , e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fs a f e t ya n d r e l i a b i l i t y v e h i c l e b o d y , w h i c hc a r r i e sd i v e r s i f i e dk i n d so fl o a d s ，i st h em a j o rl o a dc a r r y i n gm e m b e ro f t h ev e h i c l ei ti sa l s ot h e a s s e m b l yb a s e m e n to fs u s p e n s i o n s c h a s s i sa n do t h e r a c c e s s o r i e s h e n c ev e h i c l e b o d ys t r u c t u r ea n a l y s i si so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei n a u t o m o b i l ed e s i g n t h eb o d ys t r u c t u r em u s th a v ee n o u g hs t a t i c s t r e n g t ht oe n s u r e a s s e m b l ya n du s e ，e n o u g hd y n a m i cs t r e n g t ht oc a r r yd i v e r s i f i e dl o a d sa n da p r o p e r d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct of u l f i l ln v h r e q u i r e m e n t s d u et ot h ew i d eu s eo fc a e ，d e s i g na n dm o d i f i c a t i o n h a v eb e c o m ep a r a l l e li n m o d e mv e h i c l eb o d yd e s i g np r o g r a mw h i c hg r e a t l ys a v et h et i m ef o rv e h i c l eb o d y d e s i g n b u tt r a d i t i o n a ld e t a i l e db o d ym o d e lu s e df o ra n a l y s i sc o u l dn o tm e e tt h e d e m a n do fr a p i dm o d e l i n ga n da n a l y s i si n i n i t i a ld e s i g ns t a g e a st os o l v et h e p r o b l e m ，as i m p li f i e db o d ys t r u c t u r em o d e li so f t e nu s e d i nt h i sa r t i c l e r e s e a r c hh a s b e e nm a d ei nt h ef i e l db l o wt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f s i m p l i f i e dm o d e l ：t h et h e o r y o fs i m p l i f i e db e a mm o d e l ，a p p l yf l e x i b l ej o i n tm o d e lt o s i m p l i f i e dm o d e la n de f i e c t o ff a c t o r so ns i m p l i f i e dj o i n tm o d e l s t h es i m p l i f i e db e a ms t r u c t u r em o d e ld e r i v e df r o mad e t a i l e db i wm o d e lw h i c hi s m o d e l e db a s e do nm o d ea n ds t r e n g t he x p e r i m e n t si su s e dt ov e r i f yt h ea c c u r a c ya n d r e l i a b i l i t yo ft h es i m p l i f i e dm o d e lt h r o u g hac o m p a r a t i v es t u d y b e s i d e s ，t h e s e n s i t i v i t ya n a l y s i sr e s u l to ft h eb e a ms t r u c t u r es i m p li f i e dm o d e li su s e dt od i r e c tt h e b o d yi nw h i t eo p t i m i z a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fb e a ms t r u c t u r e s i m p l i f i e dm o d e ld e s i g na n da n a l y s i s ，as q l j o i n ta n ds e c t i o nd a t a b a s ei sp r o g r a m e d t oc o l l e c ta n da r r a n g et h er e l a t e dd a t ao f j o i n t sa n ds e c t i o n s i ti sc o n s i d e r e dt oh a v e p r a c t i c a le n g i n e e r i n gv a l u e k e yw o r d s ：b o d yi nw h i t e ，b e a me l e m e n t ，s i m p l i f i e dm o d e l ，j o i n t ，d a t a b a s e l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 绪论 1 1 汽车车身设计流程 1 1 1 传统串行流程 1 绪论 轿车车身结构由于其承受的载荷t 况的复杂性，致使应用一些传统的简单 方法难于对其进行结构分析。因此，传统的轿车车身结构设计丰要是以经验设 计为主，以试验为分析评价手段【1 1 。通常是在完成轿车车身设计后，先制造车身 结构的样件，并组装成样车，然后进行试验。整个设计过程包括“结构设计一试 制样车一试验一结构修改一再设计”这样一个乃至多个循环( 如图1 1 ) 。由于 试验是发生在设计周期的后期，根据试验结果对设计进行修改，往往就要付出 相当大的代价，而且因为时间和费用的限制，不可能对所有可能的设计方案进 行尝试。自上个世纪六十年代初，以有限元方法为代表的数值计算技术应用于 轿车车身结构分析以来，车身结构的设计方法有了根本性的改变，车身结构分 析的计算方法在轿车车身设计中起到了越来越重要的作用。这种方法不依赖于 实物，凶此，可以从设计初期就开始对设计进行分析、评价和优化。然而，由 于软硬件条件的限制和分析经验的不足，计算精度还很有限，设计工程师们对 计算结果的可信度持怀疑态度 2 1 。轿车车身结构设计与分析仍处于以试验为主、 分析计算为辅的阶段。但是，正是这个时期开始的各项计算和试验数据的不断 积累，使得国外各大汽车公司建立了自己的结构设计数据库和分析规范，为后 米将车身结构分析的计算方法运用于轿车车身结构设计的全过程奠定了成功的 基础。 绪论 车身外形设计 上 i 车身结构设计 上 样车制作 l车身结构分析 o l 实验 京 n = ：= 上 l 车身结构设计定型 1 1 2 现代并行流程 图1 1 传统车身设计开发流程 进入上个世纪八十年代，特别是八十年代中期以后，随着市场竞争的激烈， 对轿车车身设计轻量化及舒适性、安全性的要求日益增加，迫切要求生产厂家 缩短开发周期，节省产品开发费用。伴随着计算机软、硬件的迅速发展和结构 分析工程师们分析经验的积累和提高，车身结构分析的计算方法的优越性在轿 车车身结构设计中得以充分的发挥，这种方法不仪可用来指导车身具体结构的 确定，以满足车身结构设计的各种要求，而且逐步被用来对整车性能试验进行 模拟。车身结构设计的过程也成为一种与分析并行的过程( 如图1 2 ) 。传统试验 方法己经处于从属地位，主要用于对模型的修正，为计算机模拟提供前期的数 据和检验标准等方面【3 】【4 】。 2 绪论 图1 2 现代车身设计开发流程 3 绪论 1 2c a e 技术在汽车设计中应用 1 2 1c a e 技术概述 近三十年来，计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步，诞 生了商业化的有限元数值分析软件，并发展成为一门专门的学科一计算机辅助 工程c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 。这些商品化的c a e 软件具有越来越人 性化的操作界面和易用性，使得这一工具的使用者由学校或研究所的专业人员 逐步扩展到企业的产品设计人员或分析人员，c a e 在各个工业领域的应用也得到 不断普及并逐步向纵深发展，c a e 工程仿真在工业设计中的作用变得日益重要。 许多行业中已经将c a e 分析方法和计算要求设置在产品研发流程中，作为产品上 市前必不可少的环节。c a e 仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显示出 明显的优越性： c a e 仿真可有效缩短新产品的开发研究周期； 虚拟样机的引入减少了实物样机的试验次数； 大幅度地降低产品研发成本； 在精确的分析结果指导下制造出高质量的产品： 能够快速的对设计变更做出反应； 能充分的矛u c a d 模型相结合并对不同类型的问题进行分析； 能够精确的预测出产品的性能； 增加产品和工程的可靠性； 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 进行机械事故分析，查找事故原因； 1 2 2c a e 在汽车设计中的应用 汽车设计中的许多新技术新概念的应用和普及与近二十多年来计算机和计算机 辅助工程分析( c a e ) 技术的快速进步是密不可分的。1 9 7 0 年美国宇航局结构分 4 绪沱 析软件程序n a s t r a n 的出现，代表了种新的计算功能。它足个面向用户 的通用的结构分析程序使j 己适用于非专家的一般臣计工程师使用。1 9 7 7 年， 通_ e 汽车公司就率先在车身”发中麻片j 了分析与试验验证柑结台的方法。利用 有限元法，先剥结构进行动静态分析及碰撞模拟，然后用试验刘结果进行证明”】。 有限冗法逐渐在汽车结构分析问题中显示出强大的能力，并占据丁极其重要的 地位。训算机辅助工程分析的应用使早期的车身设计u r 以在不依赖实物的情况 下评价车身的其它相关性能。这使得诸如并行工程的理念柑以充分体现，也推 动着c a e 应用的深入发展。旧外大汽车公司在c a f 运用方面呈现立下特点。 第应用的领域广，结构分析、疲劳分析、耐久性分析、热分析、n v h 分 析、各种振动噪声机构运动分析、车辆碰撞模拟分析、金槭钣会件冲爪成型和 宁气动力学最优化分析包括结构的最优化特件最优化等 第二研究深入程度高，国外各大汽车公司充分利用现有的c a e 软件并结合 各自的c a d 系统进行相关再开发，达到了高度自动化使得分析的前处理过程大大 简化 第三贯穿于汽车设计的全过程c a e m 再仅仅是后期检验的t 具而是在设 计初期就被用于指导设计( 见图l f3 ) 。 图1 3c a e 在汽1 设计c 的麻 绪论 1 3 本文的研究目的和意义 车身作为车辆最主要的承载结构，对于整车的整体性能特性有着巨大的影 响。国内外对于车身刚度和模态在各方面都做出了研究，高云凯，杨欣等进行 了基于板厚灵敏度的车身刚度优化进行【6 】；吉林大学的陈鑫针对某轿车建立了有 限元模型，并以轻量化为目标进行了优化用；监晓理对小红旗的白车身建立了用 于低阶段模态研究的有限元模型【射。在现代车身设计流程中，由于c a e 技术的广 泛应用，设计与修改已经成为了一个并行的流程，大大缩短了车身设计的时间。 但是传统用以分析的细化车身模型无法满足初始设计阶段r l 一快速建模和分析的 要求。为解决这一问题，初始设计阶段巾通常采用简化车身模型用以设计分析。 本课题对车身梁单元简化模型的建模理论进行了研究，对其l | 的接头元素进行 了分析，提高了简化模型的准确性。 通过对照简化和细化模型，确定简化模型的精度能够达到预计标准。最终在车 身优化过程中，通过对简化模型的分析，完成对白车身的结构优化。 课题主要研究内容如下： 1 ) 接头模拟和截面设计 接头的刚度特性和截面的参数属性是影响简化模型结构特性的主要参数。 现在国内对于接头的模拟还比较简略，相关资料也比较缺乏。工作的重点内容 对现有各类简化接头建模方法加以研究验证，寻找出合适的建模方法，同时确 定影响截面特性的主要参数。 2 ) 建立用以初始设计的梁单元简化模型 从细化模型中截取简化模型中白车身梁单元相关截面，获得截面信息( 面 积、主惯性矩等) ，对接头进行计算，得到接头的刚度特性。确定车身设计中重 要参考点位置，建立细化模型叶i 线路径框架。根据中线框架建立梁单元，并赋 予截面和接头所需的相应定义参数。 3 ) 对简化模型进行结构分析并与细化模型对比优化 梁壳体单元简化模型与实体壳单元细化模型相比，其结构有限元分析结果 必然有所不同。修改简化模型中梁单元、壳单元和接头的连接配合，设置恰当 的接头和截面参数使简化模型分析结果和细化模型相匹配。进一步利用简化模 型的分析结果对车身结构进行优化是这方面的主要工作。 4 ) 截面数据库的建立 结合实际工作需求，采用车身设计部门提供的整车c a d 模型，得出白车身主 6 绪论 截面图，并计算各主截面的几何特性( 包括截面面积、主惯性矩等) ，最终建立 各车型的主截面几何特性数据库。建立一个涌盖各车型截面信息且操作使用方 便的数据库，是这部分工作所需解决的问题关键所在。 经优化的车身简化模型，在满足计算精度的要求下，减少了建模时间和计 算时间，提高了初始设计阶段的设计效率。通过分析简化模型中各种元素对于 模型整体特性的影响，对于车身结构进行优化- t 作，丰富了车身结构优化的手 段，截面接头数据库的建立对于车身设计的正向开发有指导意义。 7 有限几原理 2 1 有限元原理研究现状 2 有限元原理 当前流行的商业化c a e 软件有很多种，国际上早2 0 世纪在5 0 年代末、6 0 年代 初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著 名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空 系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是 目前世界卜规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地 的研究机构和大学也发展了一批专用或通用有限元分析软件，除了n a s t r a n 以 外，主要有德国的a s k a 、英国的p a f e c 、法国的s y s t u s 、美国的a b a q u s 、a d i n a 、 a n s y s 、b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等公司的产品。虽然 软件利- 类繁多，但是万变不离其宗，其核心求解方法都是有限单元法，也简称 为有限元法( f i n i t ee 1 e m e n tm e t h o d ) 。 有限元法的基本思路可以归结为：将连续系统分割成有限个分区或单元， 对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法加以组合，从而形成原 有系统的一个数值近似系统，也就是形成相应的数值模型。 有限元法不仅能应用于结构分析，还能解决归结为场问题的工程问题，从 二十世纪六十年代中期以来，有限元法得到了巨大的发展，为工程设计和优化 提供了有力的工具。当今国际上f e a 方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征： 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题。有限元分析方法最早是从 结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析， 实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要 用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年 来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题 的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展，线性理 论已经远远不能满足设计的要求。诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的 出现，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性有限元算 8 有限冗原理 法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的 数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外一些 公司花费了大量的人力和投资开发求解非线性问题的分析功能，并广泛应用于 工程实践。 增强可视化的前后处理功能。早期有限元分析软件的研究重点在于推导新 的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计 算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时问越来越少，而准 备数值模型和处理计算结果的时间占整个分析工程的比例越来越高。据统计， 整个分析流程中，前处理占用的工作时间大致在8 0 ，而加上后处理部分，占用 的时间就要超过9 5 。因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强 的前后处理模块与之相配合。在强调”可视化”的今天，很多程序都建立了对用 户非常友好的g u i ( g r a p h i c su s e r i n t e r f a c e ) ，使用户能以可视图形方式直观 快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算 结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。 与c a d 软件的无缝集成。当今有限元分析系统的另一个特点是与通用c a d 软 件的集成使用即，在用c a d 软件完成部件和零件的造型设计后，自动生成有 限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算， 直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。今天，工程师可以在集成 的c a d 和f e a 软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。 所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的c a d 软件( 例如 u n i g r a p h i c s 、p r o e n g i n e e r 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 等) 的接口【9 】。 2 2 有限元处理及计算软件 a n s a a n s a 在有限元分析领域是一个先进的c a e 前处理工具，它可以用以生成碰 撞，耐久，n v h ，c f d 等研究领域的模型。a n s a 的设计主要基于以下理念，恰当 地简化处理用于定义有限元模型的几何模型，可以通过一个共同的几何模型生 成不同应用方向的有限元模型，有限元模型中节点准确生成于c a d 几何模型， 和多种主要的c a d c a e 接口兼容【l o l 。a n s a 在处理几何模型和有限元网格的效率 和质量方面具有很好的速度、适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制， 9 有限兀原珲 而其他很多有限元前处理软件在读取复杂的大规模模型数据时需要很长时间， 而且很多情况下并不能够成功导入模型，致使后续的c a e 分析工作无法进行。 a n s a 强大的几f l i j 处理能力使其可以快速读取那些结构非常复杂、规模非常庞大 的模型数据，从而大大提高了c a e 分析工程师的工作效率，也使得很多应用其 他前后处理软件很难解决甚至根本不能解决的问题迎刃而解。 a n s a 是一个开放的企业级c a e 平台，它集成了设计与分析所需的各种工具， 具有高度的开放性和灵活性。a n s a 有c a d 数据格式接口，不仅可以与c a d 软件 集成，还可以把已经生成的三维实体模型直接导入到a n s a 中，而导入模型的质 量比较高，基本1 i 需要对模犁进行修复，大大提高了c a e 工程师工作效率。 另外，a n s a 支持很多1 i 同求解器的输入、输出格式。业界常用的求解器在 a n s a 中几乎都有接口，用户利用a n s a 划分好有限元网格后，可以直接把计算模 型转化成不同的求解器文件格式，从而利用相应的求解器进行计算。 a n s a 具有友好的用户界面，与其他前处理软件相比，a n s a 界面的最大优势 是采用一级菜单系统，工具栏中几乎包括了所有的功能按钮，仅通过一、两次 点击就可以完成大部分的目标操作，大大提高了建模效率。车身主截面的划分、 计算、分析主要是南a n s a 软件中的c r o s ss e c t i o nt o o l 模块完成的。 n a s t r a n m s c n a s t r a n 是由m s c s o f t w a r e 公司推出的一个大型结构有限元分析软件， 其第一个版本是于1 9 6 9 年推出的n a s t r a nl e v e l1 2 。m s c 公司自1 9 6 3 年开始从事 计算机辅助工程领域c a e 产品的开发和研究，1 9 6 6 年美国国家航空航天局( n a s a ) 为了满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求，主持开发大型应用有限元 程序的招标，m s c 中标并参与了整个n a s t r a n 的开发过程。1 9 6 9 年n a s a 推出了其 第一个n a s t r a n 版本n a s t r a nl e v e l1 2 。 1 9 7 3 年n a s t r a nl e v e l1 5 5 发布m s c 公 司被指定为n a s t r a n 的特邀维护商。 1 9 7 1 年，m s c 公司对原始的n a s t r a n 做了大量改进，采用了新的单元库、增 强了程序的功能、改进了用户界面、提高了运算精度和效率。特别对矩阵运算 方法做重大改进，即而推出了自己的专利版本： m s c n a s t r a n 。1 9 8 9 年m s c 公司 发布了经革命性改良的m s c n a s t r a n6 6 版本。该版本包含了新的执行系统、高 效的数据库管理、自动重启动及更易理解的d m a p 开发手段等新特点，同溶入许 多当今世界上f e m 领域最杰出的研究成果，使m s c n a s t r a n 变得更加通用、更加易 于使用。 l o 有限，已原理 之后，m s c 公司对n a s t r a n 不断进行改进和升级，先后推出了m s c n a s t r a n v 6 7 5 、m s c n a s t r a nv 6 8 、m s c n a s t r a nv 6 8 2 、m s c n a t r a nv 6 9 、m s c n a s t r a n v t o 、m s c n a s t r a nv t o 5 、m s c n a s t r a nv t o 7 等， 其性能和适用性都有了质 的飞跃。 m s c n a s t r a n 具有很高的软件可靠性、品质优秀，得到有限元界的肯定，众 多大公司和i t 业行业都用m s c n a s t r a n 的计算结果作为标准代替其它质量规范。 m s c n a s t r a n 具有开放式的结构，全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析 功能而又保证很好的灵活性，使用者可针对根据自己的工程问题和系统需求通 过模块选择、组合获取最佳的应用系统。此外，m s c n a s t r a n 还为用户提供了 强大的开发工具d m a p 语言。 针对实际工程应用，m s c n a s t r a n 中有近7 0 余种单元独特的单元库。所有这 些单元可满足m s c n a s t r a n 各种分析功能的需要，且保证求解的高精度和高可可 靠性。模型建好后，m s c n a s t r a n i i j 可进行分析，如动力学、非线性分析、灵敏 度分析、热分析等等。此外，m s c n a s t r a n 的新版本中还增加了更为完善的梁单 元库，同时新的基于p 单元技术的界面单元的引入，可有效地处理网格划分的 不连续性( 如实体单元与板壳单元的连接) ，并自动地进行m p c 约束。 m s c n a s t r a n 的r s s c o n 连接单元可将壳一实体自动连接，使组合结构的建模更加 方便。m s c n a s t r a n 的主要功能介绍如下：静力分析，屈曲分析，动力学分析， 非线性分析，设计灵敏度及优化分析，热传导分析，空气动力弹性及颤振分析 等。 2 3 常用有限元单元 上文已经说过，有限元分析的基本原理就是将连续系统分割成有限个分区 或单元，对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法加以组合，从 而形成原有系统的一个数值近似系统，也就是形成相应的数值模型。对于原先 c a d 模型中的各类结构，在有限元分析中均有相对应的有限元元素用以构造。 有限元原理 2 3 11 d 元素 在n a s t r a n 中l 维元素很多，常用于表现结构的有c r o d ，c b a r 和c b e a m 。其中 c r o d 为最简单的杆件，只有固定值的轴向和扭转刚度。c b a r 贝u 可以定义沿l j 性 轴和绕f - 性轴方向的刚度和扭转刚度，以及与c b a r 轴向相正交两个方向上的弯 曲和横向剪切刚度。c b e a m 则提供了满足更多要求的梁单元模型，在提供所有 c b a r 单元的特性前提下，还具备以下特性。 在梁单元的起始端、终端以及9 个中间位置上可以定义不同的截面属 性 中性轴和剪切中心无需重合，这一特性对于非对称截面来说是很重 要的 加入了截面翘曲对扭转刚度造成的影响 加入了锥度对横向剪切刚度造成的影响 可以加入非结构质量的独立中心轴 在动态分析中可以采用分布式扭转质量惯性矩 c b e a m 单元结构如图2 1 所示，通过两个节点定义其轴向，单元在两个节点 ，卜都有6 个方向的自由度，同时还拥有让轴向旋转的自由度t h e t a 。向量v 定义 b e a m 单元自身的局部坐标系，向量v 可以通过指定过起始节点三向分量或者指定 参考点米确定。 a 端 + w d 图2 1c b e a m 单元示意图 1 2 节点g b 有限冗原珲 2 3 22 d 元素 在n a s t r a n 中用来模拟2 维单元的元素根据其不同的形状，连接节点数日以 及应力恢复点数可以分为c q u a r d 4 ，c t r i a 3 ，c q u a d 8 ，c t r i a 6 ，c q u a d r 和c t r i a r 这几类。这些单元通常用来构造薄膜，平板和不同厚度的壳体。c q u a d 8 ，c t r i a 6 单元相比c q u a r d 4 ，c t r i a 3 单元拥有额外的中点节点数目，从而有更高的计算准 确性。但是更多的节点数在提高计算精度的同时，也延长了计算时间。同时多 余的节点数目可能造成前处理时候网格划分的难度，增加了前处理的工作量。 c q u a d r 和c t r i a r 单元利用垂向旋转自由度来提供更好的准确性，分析结果。町以 得到节点处6 向自由度的输出，但是此类单元不能用于翘曲分析。此外也不推荐 在同一个有限元模型中采用不同系列的有限元单元。因此在大多数工程应用中， 工程师们都倾向于选取c q u a d 4 和c t r i a 3 单元。 c q u a d 4 单元的单元坐标系如图所示，坐标系的方向和建立单元时的节点顺 序有关。材料坐标系和单元坐标系可以不同，这在单元材料为各向异性的情况 下是很有用的。单元中各向力，力矩和应力方向也如图2 2 所示。 碲i j io 。 c ) 应力 v d t ” m 。么立 图2 2c q u a d 4 单元示意图 1 3 b ) 扭矩 i 莹 d 咿 帅 d ，w w j l 车身简化模型建模理论 3 车身简化模型建模理论 3 1 简化模型的意义 在车身设计的初始阶段，车身造型设计已经完成，但详细的车身几何模型 还没有建立。此阶段的结构分析主要任务是选择合理的车身结构布置形式，进 行车身丰要结构件的优化，确定车身丰要结构件的特性参数，为后续的细化设 计提供指导和必要的数据。为了给车身结构详细设计阶段提供最佳的车身结构 方案，初始设计阶段必须对多种结构方案进行深入分析和比较，掌握各个车身 结构方案的主要力学性能，并最终确定车身主要结构截面尺、j 参数和一些次要 结构的布置f l o i 。在比较分析的过程中，经常需要对些位置参数和截面尺寸参数 做适当的调整以便能反复地考察各个方案的性能。这些特点决定了这个阶段的 设计必须富于柔性，而反复地修改调整和分析比较必然要增加设计成本和设计 周期，这是开发人员所不愿看到的。大多数汽车的车身结构由钢板组成，因此 汽车模型的有限元结构主要由壳单元组成。传统汽车有限元模型需要大量几何 细节来表示，在模型的建立和后期的有限元计算中都需要花费人量的时间。研 究资料表明，有限元模型的单元个数与计算分析时间成级数递增关系【1 2 j ，可见如 果能以最少的单元个数得到所需精度的计算分析结果，无疑是最具效率的。因 此在初始设计阶段，通常采用各类方法对模型进行简化，国内外已对初始设计 阶段的简化车身模型进行了不少研究，g e l e np r a t e r 运用简化模型进行了车身结 构布置和轻量化方面的研究，s c h e l e k l e 利用简化模型开发了应用于概念设计阶 段的c a e 工具，y o o n s j 利用简化模型对车门进行了强度分析，董欣基于刚度 矩阵对简化模型进行了推导和计算1 1 3 h m 7 1 。 3 2 白车身简化模型元素 在开发车型的初始设计阶段，为了对未来车身结构的性能有一个大体上的 控制，需要通过有限元分析方法对车身结构设计的参数进行分析、选择和优化。 由于这时新车型的详细结构尚未设计出来，只能根据它的总体布置要求和结构 1 4 车身简化模型建模理论 设计经验构造一个简化的概念模型。g e l e np r a t e r , e v e r e t ty k u o 和v i c k i e t f u r m a n 对用于初始设计阶段的简化车身结构进行了分析”目，车身结构可以被 简化为由网种基础结构类型的简化模型。第一类结构是承载板，其机械性能主 要可以通过改变板间的厚度和增加加强筋或者法兰来改变。第二类结构是承载 结构梁，粱的截面属性和材料决定了它的机械性能。第三类结构就是主要接头， 作用是连接各个延伸结构，通过三向的变形传递三向载荷。第四类为除接头外 的其余连接单元，用来连接主结构和板件板件和扳件。为了简化模型有个 系统的了解，下面就并个基础结构及其采h 】的有限元单无进行介绍。 3 2 1 承载板结构一壳单元 在简化模型中，难以h j 粱争元进行模拟的部分与细化模型样均采用壳体 单元进行模拟。在人部分情况下，为了对模型进行简化，通常对人面积的壳单 元结构进行简化，忽略其中的一些细节特征，利用平坦的矩形有限元结构进行 替代。在简化模型中由于部分细节的忽略，网格单元的密度要求相比细化模型 也可以下降采用较大的单元尺寸。在简化模型中采用壳单元构成的车身部件 主要包括地板顶盖等大面积的冲压成型件。实际建模中大面积的壳单元往往 呈现严重的局部模态，因此一些对于模态和刚度灵敏度不高的板件通常可用集 中质量点来代替，即忽略不大的模态刚度影响，保留影响较大的质量吲素。车 身主要壳单元部件如图31 所示。 图3 1 有限元车身中的壳单“ 下身简化模型建模理硷 3 22 粱结构一粱单元 白车身中大部分的丰粤结构部件都是梁型结构，在长瞳上均大大超过其截 面的宽度和高度，粱型结构能够承载并种拉压力和弯扭力矩的组合力。国外研 究资料表明，对实际牟身中的截面粱分别进行实际测量和与有限元计算。计算 得到的主惯性矩和极惯肚矩的值均f 分接近。存截面板厚增加时，两者间的差 距会有略微的增加，由丁车身结构中大晕采用薄擘粱件，因此在构建车身粱结 构时，采用薄蹙粱单元理论是可行的i ”l 。一个完整可用1 ：车身简化模型的粱结构 单元需要能表述下列参数：方向上与梁结构对应位置纵向一致，截面形状几何 参数能表达截面的基本属性( 截面形状由截面轮廓的中性线定义) 。图32 为 车身结构中主要进行简化的粱结构部位。 图32 车身丰要粱结构 参考母线路径 定义线段的几何控制端点假设是落在粱单元的剪切中心路径线上的。不过 在定义梁单元的参考母线路径时，控制点通常更容易选择为其他位置。因此 几何控制点定义在其他位置上的操考母线路径需要移动到实际的参考母线路径 上。通过在广义坐标系中设置梁单元几何偏置的位移向量来达成( 见圈33 ) 。 这在实际应用中十分有用，因为大多数情况下，两相交粱单元的儿何重心路径 并不实际相交。 车身简化模型建模坪论 陶3 3 参考l 孕线的定义 截面属性 在车身上截取的主截面足属于平面图形，而平面图形的力学特性主要包括 该截面的形状和人小，与之相关的物理量是形心、静矩、惯性矩、惯性半径、 极惯性矩、惯性积、主轴肿【2 0 1 。 1 ) 静矩：平丽图形而积对某坐标轴的一次矩，如图3 4 所示，定义式( 3 1 ) ： & = i y d a ，s ，= i x d a ( 3 1 ) 二二 s ，、s ，分别为d a 对x 轴和对y 轴的静矩。 图3 4 图彤的静矩 2 ) 惯性矩：在图3 4 中，平面图形对某坐标轴的二次矩，定义式( 3 2 ) ： = i y 2 d 4 ，l = i x 2 d a ( 3 2 ) a i ，、i ，分别为图形对x 轴和对y 轴的惯性矩。 若以p 表示微面积d a 到坐标原点0 的距离，则定义图形对坐标原点0 的 极惯性矩见式( 3 3 ) ： = i p 2 d a ( 3 3 ) 由于p2=x2+y2 所以得到极惯性矩与( 轴) 惯性矩的关系式( 3 4 ) ： 1 7 车身简化模型建模理论 厶= f ( x 2 + y 2 ) 幽= l + o ( 3 4 ) 由上式可以发现，图形对任意两个互相垂直轴的( 轴) 惯性矩之和，等于 它对该两轴交点的极惯性矩。 3 ) 惯性积的定义式( 3 5 ) ： ，= i x y d a ( 3 5 ) j 当图形对一对正交坐标轴的惯性寄i 。= o 是，这一对坐标轴称为主( 惯性) 轴。图形对主( 惯性) 轴的惯性矩即为主惯性矩。 4 ) 扭转刚度系数的定义式( 3 6 ) ： = i l ( x 2 + y 2 + x 考一y 尝) 蚴 ( 3 6 ) 在上图的计算结果中，共存在两组截面惯性矩i 。、i ，和i ，、i ：，它们分别是 根据图3 4 中x - y 和1 - 2 这两组坐标轴计算得到的，其相互间关系式为( 3 7 ) 、 ( 3 8 ) ： ：盟9 + 土9 厄了再虿 ( 3 7 ) 。 v 、4，7掣 厶：半一丢厄了再虿 ( 3 8 ) 22v 、 掣 其中，i 。、i ：是主惯性矩，考虑到1 - 2 这对主惯性轴的唯一性，i 。、i ：对于 指定截面来说也是唯一不变的，因此本文采用主惯性矩i 。、i ：作为截面惯性矩的 主要属性。 3 2 3 车身结构的接头模拟 在车身结构中，接头通常定义为包含至少2 个或以上梁结构相交而形成的 区域。通常在白车身中，比较明显的接头结构位置如图3 5 所示。其中对车身 整体性能影响较大的为a 柱、前门立柱，b 柱、c 柱等几个位置的接头。接头通 常富有弹性，从而允许和接头相连接的分支在一定范围内绕接头转动。在某些 接头位置处，分支的转动幅度较大，因此接头对于车身的整体静态和动态性能 1 8 车身简化模型建模理论 均有较大的影响。 图3 5 车身主要接头位置 在构建用于简化模型的接头结构时，通常采用以下几种方式。最简单，但 是准确度也最低的单点刚性接头。刚性连接方式只能表达出分支梁结构之间的 连接关系，而无法反映出接头本身的弹性特性。在分支运动幅度较大的接头部 位采用刚性接头会造成分析中对车身刚度的过高估计。通常在对车身其他部位 进行研究而不对接头位置部分进行改变时采用刚性接头。另一种方法是采用多 点刚性连接接头，即在接头位置的一定区域内，采用相应属性的梁单元刚性连 接建立接头模型，使得接头梁单元和其它梁单元连接的接点处的输出与实际接 头的输出相匹配。最后也是准确性最高的方法是建立含弹性单元参数的接头模 型。弹性参数可以通过设计目标，实车测量或者有限元模型分析得到。通常采 用的弹性单元为旋转弹簧，如果有必要的话，还可以添加平动弹簧来对接头特 性进行调节，使得模型与实际接头特性尽可能的相符合。不过添加过多弹簧会 造成过多的设计参数，而这些参数在设计中往往没有实际意义或者与实际接头 参数没有直接联系，反而造成了接头定义的复杂性。因此在简化模型的实际应 用中，通常对接头模型进行相应简化，根据实际需要选取相应的参数。由于接 头对于车身整体性能的影响较大，本文将在下一章节对接头模型的建立、选用 和参数测量进行进一步的阐述。 1 9 车身简化模型建横理论 3 24 连接单元 车身结构中用来连接车身各部件的单元称为连接单元。在简化模型中，连 接单元用来在焊点位置连接壳单元和壳单元，壳单元和粱单元。在简化模型十， 壳单元和壳单元的连接与细化模型类似可以在实际焊点位置处采用c w e l d 单 元进行模拟，如图36 _ a 所示。壳单元v 面法线方向和粱单元方向垂直或近似 垂直的情况，采用如图36 - b 所示的多点刚体连接方式，由于刚体连接造成的 模型整体h 0 度的上升，连接点的密度相比实际焊点密度根据经验相应降低。壳 单元平面法线方向和粱单元方向平行或近似平行的情况，采用如图36 - c 所示 的多点刚体连接方式，这样的连接方式可以较好的将粱单元上的载荷分配传递 到壳单元上。 车身简化模型建模理论 图3 6 各种连接方式(