（车辆工程专业论文）某微型电动轿车车身骨架有限元及试验分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机及其技术的发展，有限元法在汽车领域的应用已经显示出其优 点，与传统的设计方法不同，该方法可以在概念设计阶段实现设计与分析并行， 既缩短了设计周期又降低了开发成本，是一种十分高效的工程分析方法。实践证 明，利用有限元法对车身骨架结构进行分析是十分有效和必要的。通过对车身结 构静动态的分析，对其进行评价，分析其强度、刚度、固有频率和相应的振型， 得出车身的应力分布状况和变形状况，为后续工作奠定了基础。 本文结合某公司自主研发某款a 0 0 级微型电动轿车科研项目，首先利用u g 软件建立了车身骨架结构几何模型，然后将其导入h y p e r m e s h 软件中，建立 有限元模型。在建立有限元模型过程中应考虑的主要问题包括几何模型的简化、 单位制及材料的性能、单元选择和网格划分、模型规模的控制、模型质量的检查、 载荷处理、焊点处理等。在有限元模型中采用了壳单元( s h e l l ) 结构，最终计算模 型包含6 5 3 2 8 个节点，6 8 3 1 1 个单元；三角形单元个数为2 8 2 ，三角形单元比例 为0 4 。 结合微型电动轿车车身的实际情况，利用有限元分析软件n a s t r a n 计算 分析了该车身骨架静态弯曲和弯扭组合工况下的刚度和强度特性，通过对车身骨 架强度和刚度分析可以得出车身骨架结构应力分布状况和变形状况，得出其薄弱 环节，为结构的改进和优化提供参考。 微型电动轿车车身骨架结构模态参数是整车的一个重要性能参数，设计车身 骨架时，应尽量使其模态频率错开激振频率，以避免共振。根据纯电动轿车的动 态性能要求，对该车身骨架进行了模态分析，计算了其前十四阶自由振动模态， 获得了车身骨架的固有频率及相应的振型，找出了车身结构在动态激励时的薄弱 环节。通过试验模态结果与模态仿真分析数据的对比，验证了有限元模型。说明 所建立的仿真模型能够比较准确地模拟车身骨架结构的固有模态。根据有限元的 理论指导，结合微型电动轿车车身的实际情况，提出了符合实际生产和满足整车 使用性能和车身结构设计的改进方案，同时模态试验方法也为今后同等规模的结 构模态试验提供了参考。通过对该车身骨架结构进行有限元分析，缩短了设计和 试验周期，同时节省大量的试验和生产费用。 关键词：电动汽车，车身结构，有限元，模态试验 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dt e c h n o l o g y , f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) h a ss h o w e di t s a d v a n t a g ei nt h ef i e l d o fa u t o m o t i v e ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o m t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，t h i sm e t h o di sa p p l i e dt oa c h i e v et h ed e s i g na n da n a l y s i so f p a r a l l e ld u r i n ga u t o m o t i v ec o n c e p t u a ld e s i g np h a s e ，n o to n l yt os h o r t e nt h ed e s i g n c y c l e ，b u ta l s or e d u c et h ed e v e l o p m e n tc o s t s ，a n di s av e r ye f f i c i e n tm e t h o do f e n g i n e e r i n ga n a l y s i s i th a sb e e np r o v e dt h a tf e mi nv e h i c l eb o d yf r a m ea n a l y s i si s v e r ye f f i c i e n ta n dn e c e s s a r y b ya n a l y z i n gt h eb o d ys t r u c t u r eo ft h es t a t i ca n d d y n a m i ca n de v a l u a t i n ga n a l y s i sr e s u l t s ，i tc a i np r e c e d es t r e n g t h ，s t i f f n e s s ，n a t u r a l f r e q u e n c y , v i b r a t i o nm o d e la n dt h ev e h i c l eb o d yo f s t r e s sd i s t r i b u t i o n sa n d d e f o r m a t i o ns i t u a t i o n ，a l lo ft h e s ea r et h ef o u n d a t i o nf o r t h ef u t u r ew o r k i nt h i sp a p e r , at y p ea 0 0m i n ie l e c t r i cv e h i c l ew h i c hi si n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tb yac o m p a n yi st a k e na sa l le x a m p l e ，f i r s t l yag e o m e t r ym o d e lo ft h e b o d yf r a m ew a se s t a b l i s h e db yu s i n gt h es o f t w a r eu qa n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l w a ss e tu pb yt h es o f t w a r eh y p e r m e s h i nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l b u i l d i n g p r o c e s ss h o u l dc o n s i d e rt h em a i ni s s u e s ，i n c l u d i n gs i m p l i f y i n gg e o m e t r i cm o d e l ，t h e u n i ts y s t e ma n dt h ep e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l s ，u n i ts e l e c t i o na n dm e s h ，t h es c a l e m o d e lo fc o n t r o l ，t h eq u a l i t yo ft h em o d e lo fi n s p e c t i o n ，l o a dh a n d l i n g ，s p o th a n d i n g i nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e ls h o u l du s et h es h e l le l e m e n ts t r u c t u r e ，t h ec a l c u l a t i o no f t h ef i n a lm o d e lc o n t a i n s6 5 3 2 8n o d e s ，6 8 3 1 1u n i t s ；t h en u m b e ro ft r i a n g l eu n i t si s2 8 2 ， a n dt h er a t i oo ft r i a n g l eu n i ti s0 4 b a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o no fm i n ic a rb o d y , u s i n gf m i t ee l e m e n ts o f t w a r e n a s t r a na n a l y z e st h i sb o d yf r a m eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t i f f n e s sa n ds t r e n g t hi n t h ec o n d i t i o n so fs t a t i cb e n d i n ga n db e n d i n ga n dt o r s i o nc o m b i n a t i o n ，t h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h eb o d yf r a m eo fs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，i tc a np r e c e d et h eb o d yf r a m eo f s t r e s sd i s t r i b u t i o n sa n dd e f o r m a t i o ns i t u a t i o n ，a n dr e a c hi t sw e a k n e s s e st oi m p r o v e a n do p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h er e f e r e n c e t h em o d a lp a r a m e t e r so fm i n ic a rb o d yf r a m es t r u c t u r ei sa ni m p o r t a n tv e h i c l e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，a sd e s i g n i n gv e h i c l eb o d yf r a m e ，m o d e lf r e q u e n c ys h o u l d s t a g g e rv i b r a t i o nf r e q u e n c yt oa v o i dr e s o n a n c e a c c o r d i n gt od y n a m i cp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so ft h ep u r ee l e c t r i cc a rh a sam o d a la n a l y s i so ft h eb o d yf r a m e ，1 4f r e e v i b r a t i n g m o d e sa r ec a l c u l a t e d ，a n dr e a c ht h en a t u r a lf r e q u e n c yo fv i b r a t i o nm o d ea n d t h ew e a kl i n ko fb o d yf r a m e c o m p a r i n gt e s tm o d er e s u l tw i t hs i m u l a t i o nm o d e n 武汉理工大学硕士学位论文 a n a l y s i sd a t a ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i sv e r i f i e d e x p l a i n i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l c a nm o r ea c c u r a t e l ys i m u l a t et h en a t u r a lm o d eo fb o d yf r a m e a c c o r d i n gt ot h ef i n i t e e l e m e n tt h e o r ya n da c t u a ls i t u a t i o no fm i n ie l e c t r i cc a rb o d y , t h i sp a p e rp r o p o s e sa p r o g r a mt ob ei nl i n ew i t ha c t u a lp r o d u c t i o na n ds a t i s f yv e h i c l ep e r f o r m a n c e ，a tt h e s a m et i m e m o d a lt e s tm e t h o dp r o v i d e sar e f e r e n c ew i t ht h es a m es i z ea st h ef u t u r e s t r u c t u r eo ft h et e s tm o d e t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef i n i t ee l e m e n to ft h eb o d yf r a m e s t r u c t u r e ，n o to n l ys h o r t e nt h ed e s i g na n dt e s t i n gc y c l e ，b u ta l s os a v ea l o to ft e s ta n d p r o d u c t i o nc o s t s k e yw o r d s ：e l e c t r i cc a r , b o d yf r a m e ，f e m ，m o d et e s t i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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了谢意。 签名：数娅日期：么必! 眨，压 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着工业化和城市化的推进，汽车尾气排放及对石油资源的过度消耗所引发 的环境、能源问题也日益严重，已经引起了世界各国的普遍重视。以电动汽车为 代表的先进技术汽车以其良好的环保、能源特性开始成为国际汽车工业发展的潮 流和热点之一。 从2 0 0 1 年起，中国就已将电动汽车研究开发列入了“十五”国家“8 6 3 计 划重大专项。“十一五 期间，国家科技部将电动汽车和清洁替代燃料汽车项目 合并，设立“十一五国家“8 6 3 节能与新能源汽车重大项目，计划投入1 1 亿 元，支持电动汽车和清洁替代燃料汽车的关键技术研发和整车产品开发。电动汽 车项目的总体格局为以动力系统技术平台为核心的关键技术研发和整车产品开 发。同时，还设立了以整车单位牵头、关键零部件单位参与的“新型整车研发 项目。我国在电动汽车的研发方面已经取得了重大的进展，国内各大汽车厂商都 投入大量资金进行电动汽车的研发，纯电动汽车的技术已经日益成熟。 目前我国电动汽车项目尚处于开发研制阶段，还没有形成生产规模，在电动 汽车的商业化运营模式探讨上更处于起步阶段，相对于欧洲、美国和日本，还有 一定的差距。因此我国政府应该尽快采取相应措施，加快电动汽车商业化运营的 研究试验工作，促进我国电动汽车市场的形成。国家“8 6 3 计划启动和2 0 0 8 年 奥运会开出的2 0 亿元电动汽车订单，规定奥运会电动车只能在国内生产制造， 导致我国电动汽车研发热潮再度升温。我国电动汽车产业的发展目标是：到2 0 1 0 年，电动汽车保有量占汽车保有量的5 1 0 ，年生产销售电动汽车1 5 0 万辆 以上；到2 0 3 0 年，电动汽车保有量占汽车保有量5 0 以上，年生产销售电动汽 车1 0 0 0 - 1 9 5 0 万辆。 目前国内的电动汽车一般是由传统汽车改装而成，其驱动装置以电机代替了 发动机，使整车结构和布置方式与传统轿车有了很大不同，改装的电动汽车存在 以下问题： ( 1 ) 传统的汽车由于车身结构已经成型，在改装过程中动力系统及控制系 统的空间布置受限制。 ( 2 ) 改装的电动车由于整车总布置发生变化，相对于改装前整车的操纵稳 定性和平顺性有所下降。 ( 3 ) 改装的电动车为保证前后桥载荷分配，电池布局比较分散，不利于电 池管理和电池组快速更换。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 由传统汽车改装成的电动汽车，整车售价比较高。 因此有必要开发一款全新的电动汽车来改变我国电动汽车由传统汽车改装 的局面，从而大幅度提高电动汽车整车的动力性和可靠性，降低成本，实现批量 化生产，满足国内外市场的需要。 像绝大多数传统轿车一样，电动轿车车身也采用承载式车身结构，车身的结 构特性直接影响汽车性能。电动轿车车身结构必须有足够的强度以保证其可靠 性，也必须有足够的刚度来保证其上安装的总成的正常工作，同时也应有合理的 动态特性控制振动和噪声。因此电动轿车车身结构的分析及优化设计十分重要。 为了保证电动轿车具有传统轿车车身结构的承载能力和可靠性，必须在研究过程 中采用先进的分析手段。针对电动轿车的整车布置应用有限元法进行车身结构分 析，为电动轿车车身结构改造设计提供必要的保障。 本课题的项目来源是中国汽车技术研究中心下属的天津清源电动车辆责任 有限公司项目，旨在开发一款a 0 0 级微型纯电动轿车。该车的优势： ( 1 ) 微型电动汽车价格相对较低，适合工薪阶层和在校学生使用； ( 2 ) 微型电动汽车维护和保养的费用比较低； ( 3 ) 微行电动汽车大量使用可以缓解日益紧张的交通压力； ( 4 ) 微型电动汽车相对传统汽车更节能、更环保。 1 2 汽车车身结构分析 1 2 1 车身结构概述 汽车车身结构从形式上说，主要分为非承载式和承载式两种。非承载式车身 的汽车有刚性车架，又称底盘大梁架。发动机、变速器、转向器及车身部分都固 定其上，它除了承受静载荷外还要承受汽车行驶时产生的动载荷，因此车架必须 要有足够的强度和刚度，以保证汽车在正常使用时受到各种应力下不会破坏和变 形。车身本体也悬置于车架上，用弹性元件联接。车架的振动通过弹性元件传到 车身上，大部分振动被减弱或消除，发生碰撞时车架能吸收大部分冲击力，在坏 路面行驶时对车身起到保护作用，因此车厢变形小，平稳性和安全性好，而且厢 内噪音低。但这种非承载式车身比较笨重，质量大，汽车质心高，承载式车身的 汽车没有刚性车架，只是加强了车头，侧围，车尾，底板等部位，车身和底架共 同组成了车身本体的刚性空间结构。这种承载式车身除了其固有的承载功能外， 还要直接承受各种负荷。这种形式的车身具有较大的抗弯曲和抗扭转的刚度，质 量小，高度低，汽车质心低，装配简单，高速行驶稳定性较好。但由于道路负载 会通过悬架装置直接传给车身本体，因此噪音和振动较大。还有一种介于非承载 式车身和承载式车身之间的车身结构，被称为半承载式车身。它的车身本体与底 武汉理工大学硕士学位论文 架用焊接或螺栓刚性连接，加强了部分车身底架而起到一部分车架的作用，例如 发动机和悬架都安装在加固的车身底架上，车身与底架成为一体共同承受载荷。 电动轿车所承受的载荷比较复杂，除受前后悬架支承力作用外，还要承受电机、 电池、电机控制器、电池控制器等部件载荷的作用，承受乘员和座椅载荷的作用， 并承受前后围、左右侧围、地板及车身自重载荷的作用等。对于这样复杂的结构， 讨论其强度、刚度的性能不仅具有理论意义，更具有重要的实践指导意义。 1 2 2 车身结构有限元分析 现代汽车工业的发展对汽车产品开发水平的要求愈来愈高，它要求整车及零 部件具有足够的强度和刚度及良好的振动特性：同时要求缩短产品开发周期，降 低费用，使开发的产品更具有竞争力。传统的汽车设计走的大多是经验设计的路 子，即产品设计以生产技术中的经验数据为依据，运用一些附有经验常数的计算 公式为主要方法，这样的设计由于缺乏准确的设计数据和科学的计算方法，使产 品的结构安全系数取的偏大，所设计零件过于笨重。随着计算机技术的发展， 洲c a e 技术在提高产品质量和建立自主开发能力方面，对汽车企业提供了极 大的帮助。c a e 技术中一种新的结构数值模拟方法有限元分析正越来越广 泛的应用于汽车产品开发中。 有限元法的程序作为有限元研究的一个重要组成部分是随着计算机的飞速 发展而迅速发展起来的。2 0 世纪7 0 年代，大型通用的有限元程序开始出现，这 些通用的大型有限元程序功能强大，计算可靠，工作效率高，因而逐步成为结构 分析中强有力的工具。国际上著名的通用有限元软件有几十种，常用的有 i - d e a s ，s a p ，a n s y s ，a d i n a ，n a s t r a n ，a l g o r f e m 等。 进行有限元分析已是国际汽车行业产品开发设计链中必须的常规分析。对汽 车结构分析而言，由于有限元分析所建模型具有和实际结构相对应的几何材料、 力学特征，对实际结构具有“真实”的模拟特性，与单纯的几何仿真有本质的区 别，从而使现代结构设计方法从规范设计向分析设计转变，设计者在设计阶段就 能从仿真分析中形象地了解整个设计在受载后的应力、变形以及动力特性，评估 设计质量寻找最佳的设计方案使结构设计质量发生质的飞跃。 下面为有限元分析( f e a ) 应用于车身设计中的几大优点： ( 1 ) 缩短车身设计和分析的循环周期； ( 2 ) 增加车身设计功能，减少车身设计成本； ( 3 ) 增加车身的可靠性； ( 4 ) 模拟车身各种试验方案，减少车身试验时间和经费； ( 5 ) 在车身制造前预先发现潜在的问题； ( 6 ) 采用优化设计，降低车身材料的消耗或成本。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 车身结构试验分析【1 】 1 2 3 1 车身结构试验内容 汽车车身研究和工程中包含大量的试验工作，通过试验来检验设计思想是否 正确，如对新设计机构和新材料的检验等。由于汽车车身结构复杂，涉及的技术 领域广泛，许多问题的理论研究的可靠性还不高，需要通过试验来检验分析模型 是否合理。车身结构试验分析是开发一流车身产品的重要基石，车身工程师需要 掌握车身试验技术方面的理论和方法。汽车产品使用条件复杂，对汽车车身的性 能、寿命、重量等方面的要求很高。 汽车车身结构试验可以从不同角度予以分类，按试验对象分为实物试验和模 型试验，按试验目的分为研究性试验、试制检验性试验和抽样试验；按试验方式 分为整车试验和零部件试验：按结构失效类型和理论分为静态强度和刚度试验、 动态强度试验和模态试验。汽车车身工程上，主要按结构失效类型和理论划分汽 车车身结构试验1 1 j 。 汽车车身结构静态强度和刚度试验研究车身结构在静载荷作用下的强度和 刚度特性，包括应力分布和主要刚度参数。汽车车身结构静态强度和刚度试验规 范比较成熟，其试验工况主要模拟汽车实际使用中车身承受的弯曲和扭转情况。 汽车车身结构静态强度和刚度试验是汽车车身结构动态强度试验和疲劳试验的 基础。 汽车车身结构动态强度试验的目的在于测定车身结构在实际行驶过程中所 承受的最大动应力或应变。汽车车身结构动态强度试验一般由道路试验来完成， 包括鹅卵石路面、山区路面等典型路面。汽车工程中也常常采用路障试验方法代 替汽车车身结构动态强度试验，路障试验方法也称典型凸块试验方法，这种方法 可以简单、快速、有效地测定车身结构最大动应力和应交 汽车车身结构模态试验主要测量车身结构的固有频率、固有振型和阻尼等车 身结构固有特性，般在试验台上进行。在车身工程上，主要测定低阶弹性模态， 以避免产品在常规工作范围内产生共振和高噪声可能。其试验方法涉及车身支承 方法、激振方法、信号识别方法、信号采集和处理方法。 1 2 3 2 车身结构试验技术及设备 总结试验规律，完善试验方法，是车身试验研究的主要目标之一，也是指导 车身试验的重要理论基础。要完成车身结构试验工作，必须深入了解要分析的信 号的物理特征和基本变化规律，才能选择测试方法和结果分析方法，也必须了解 4 武汉理工大学硕士学位论文 传感器的变换原理和测试仪器的基本特征，才能正确使用试验仪器。 汽车车身结构静态强度和刚度试验传感器和仪器有：电阻应变片、静态电阻 应变仪、预调平衡箱、力传感器、位移传感器、千分表及高度尺等。 汽车车身结构动态强度试验传感器和仪器有：电阻应变片、动态电阻应变仪、 示波器、磁带机、实时信号采集和处理仪等。 汽车车身结构模态试验传感器和仪器有：加速度传感器、电荷放大器、信号 发生器、功率放大器、激振器、阻抗头、示波器、磁带机、实时信号采集和处理 仪等。 1 3 国内外电动汽车研究现状 1 3 1 国外研究现状 1 9 7 6 年7 月，美国国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用 法令，以立法的形式政府资助和财政补贴等手段加速发展电动汽车。美国电动 汽车的研究和开发，得到了美国政府的支持，投入了大量的资金和科研力量，使 资金来源有了可靠的保证，在应用现代技术上得到了广泛的支持。在美国，通用、 福特和克莱斯勒三大汽车公司相互协商，共同促进电动汽车的开发和研究。该国 以三大汽车公司为主导，利用大汽车公司雄厚的技术开发力量和先进制造条件， 开发出不同特点的电动汽车。同时，还充分利用汽车、机电、电子、控制和材料 等行业的优势，分工开发电动汽车的各种总成和技术单元，也使电动汽车得以迅 速发展和不断改进提高。 法国是一个缺少石油的国家，每年要从国外进口大量石油。石油制品的价格 很高，约是美国的4 倍，法国大气的污染源主要来自汽车的排放。因此，法国是 全世界最积极研制和推广电动汽车的国家之一。法国政府、法国电力公司、标致 一雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司签属协议，共同承担开发和推广电动汽车，共 同合资组建了电动汽车公司。在法国政府出台了各种优惠政策保障电动汽车的发 展的大力推动下，2 0 世纪9 0 年代以来，法国电动汽车得到了迅速的发展，已经 研制出多种电动汽车，例如雷诺汽车公司研制了一种名字叫做“z o o n ”的可变轴 距微型电动汽车，曾经轰动一时。 从世界范围的电动汽车产业化发展现状看，日本是最早开始发展电动汽车的 国家之一。日本国土狭小，石油资源匮乏，几乎完全依赖进口，油价很贵。日本 工业发达，人口密度很大，城市污染严重。因此，日本政府特别重视电动汽车的 研究和开发。 日本通产省1 9 6 5 年正式把电动车列入国家项目，开始进行电动汽车的研制。 1 9 6 7 年，日本成立了日本电动汽车协会，促进了电动汽车事业的发展。1 9 7 1 年， 5 武汉理工大学硕士学位论文 日本通产省制定了电动汽车的开发计划。1 9 9 1 年，日本通产省又制定了第 三届电动汽车普及计划，提出到2 0 0 0 年日本电动汽车的年产量要达到1 0 万辆， 保有量达到2 0 万辆的目标。1 9 9 8 年日本东京电力公司联合日本电池公司，共同 开发了“z a 牌电动汽车，该电动汽车采用了高新技术，使其具有当时世界最 高水平。2 0 世纪9 0 年代，丰田汽车公司等多次展出豪华型的电动轿车，日本各 大电力公司不仅在资金上参与电动汽车的开发，而且还在公务汽车的选用上优先 选用电动汽车。 1 3 2 国内研究现状 中国目前已成为世界第二大耗油国和二氧化碳排放第二大国，并对进口石油 的依赖性日益严重。而发展电动汽车是国家支持的，符合可持续发展的战略。我 们应该抓住历史机遇，尽快把纯电动汽车推向市场，发挥其商业价值。 2 0 0 6 年1 1 月下旬，完成第一批项目的立项论证，其中，以平台支持的整车 产品开发项目和整车单位牵头承担的新型整车开发项目共2 3 项。其中纯电动车 项目有：哈飞电动汽车整车研制，承担单位为哈飞汽车股份有限公司；海马纯电 动汽车关键技术研究，承担单位为一汽海马汽车有限公司；奥运专用纯电动客车 整车产品开发，承担单位为北方华德尼奥普兰客车股份有限公司；奥运专用纯电 动客车整车产品开发，承担单位为中通客车控股股份有限公司 “十五”期间，国家科技部先后将北京、武汉、天津、株洲、威海、杭州 6 个城市确定为电动汽车示范运营城市。6 个城市在地貌地形、地理位置和气候 上各有特点，适合不同工况下电动汽车的示范运行，对于运行数据的采集非常有 利。各城市充分发挥各自优势，分别采用了不同车型、不同示范运营主体、不同 运营管理方式和不同线路，通过示范运营，探索不同的电动汽车商业化运营模式。 进行电动汽车运营基础设施建设，开发相关技术设备。武汉建有9 处电动汽车运 营的基础设施，株洲投资1 7 0 万元完成充电维修总站建设，实行一车一机独立电 表记录，杭州建有充电站，还开发了电动车车载数据系统，用于监控示范运营电 动公交汽车的行驶速度、加速度、耗电量等数据及电池、电机安全。 “十一五期间将建立能够承担国家电动汽车专项研发过程中的道路行驶 和性能试验任务的电动汽车整车运行检测试验基地，收集和提供现有的适用于运 行试验的公路路谱和路段，利用已有的电动汽车试点示范区，进行与电动汽车相 关的道路运行试验工作；建立试验数据库，采集和分析各种试验数据，验证电动 汽车的技术可行性，积累包括可靠性、失效模式方面的知识和经验，进一步改进 设计、降低成本，最终推动电动汽车的产业化和推广应用。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 研究内容和意义 本文依托中国汽车技术研究中心的具体科研项目，以一款微型电动轿车自主 研发为例，运用有限元分析技术对电动轿车车身骨架进行静态和模态分析，通过 试验结果对比，验证有限元模型。内容包括以下几个方面： ( 1 ) 论述国内外电动汽车的研究状况和发展趋势，介绍了汽车车身结构有 限元分析技术。 ( 2 ) 其次简要介绍了有限元的概念、原理及分析的基本思路，详细说明了 有限元方法在车身设计中的步骤。 ( 3 ) 利用u g 软件建立该车车身骨架的三维实体模型，分析该车车身骨架 的特点，在对结构进行简化的基础上，在h y p e r m e s h 软件中建立整车车身骨 架结构的有限元分析模型。在建立有限元模型过程中应考虑的主要问题包括几何 模型的简化、单位制及材料的性能、单元选择和网格划分、模型规模的控制、模 型质量的检查、载荷处理、焊点处理等。 ( 4 ) 通过n a s t r a n 软件对该车车身骨架结构进行静态刚度和强度分析， 得出车身骨架结构在弯曲和弯扭组合工况下应力分布状况和变形状况，找出其薄 弱环节，为结构的改进和优化提供参考。 ( 5 ) 对车身骨架结构进行自由状态下的模态分析。计算前1 4 阶模态，观察 振型，得到相关模态参数，为了验证分析的可靠性，进行了车身模态试验。 本课题采取的技术路线：模型建立一有限元分析一试验对比一验证有限元模 型( 见图1 - 1 ) 。 图1 - 1 技术路线图 7 武汉理工大学硕士学位论文 本课题研究的内容具有以下意义： ( 1 ) 本文研究的微型轿车车身设计中的有限元分析方法，对汽车行业车身 的设计具有一定的参考和借鉴价值。 ( 2 ) 本文运用有限元分析技术，对微型轿车车身骨架结构的静态和模态进 行了有限元分析，并通过相关试验得以验证，从而为以后车身有限元分析和结构 改进积累了经验和数据，对以后相关的工作具有一定的参考价值。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章车身骨架结构分析的有限元理论 车身骨架是复杂的承载结构系统，如果用经典力学方法计算其强度和刚度， 或进行动态分析，需要做很多简化和假设，计算过程繁杂且精度不高。随着计算 机技术的发展，有限元法成为计算车身骨架的一种有效而实用的工具。在进行车 身结构分析时，通过有限元法，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。将有限元分析结果反馈到车身设 计的各个环节中，修改设计中不合理的因素，经过优化，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。 2 1 有限元发展历程与趋势 有限元法始于本世纪四十年代初期，当时数学家r c o u r a n t 用三角形单元计 算棱杆的扭转问题，m j t u m e r 将这一方法运用到工程设计中并加以推广，在五 十年代中期，他们用平面分析法求解了复杂的飞机结构问题。他们得到的有限元 方程属于以节点位移为未知量的矩阵位移法。m j t u m e r 的顾问r c o u r a n t 把这 种新的工程计算方法拓广到土木工程上，并在一篇题为“平面分析的有限单元法 论文中首先使用“有限元法”( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) j 塞个名称。初期的有限元都 是以单一的位移场作为未知量，它在单元间边界上满足协调条件，故称之为位移 元或协调元。位移元有列式简单、计算量小、易于在计算机上实施的优点。当然 也有其缺陷，对于平板弯曲问题与薄壳问题，在引用变分法时，位移元要求挠度 及其导数都连续，这样很难建立单元内插值函数。另外，位移元对于奇异性问题 效率较低，对不可压缩材料存在“自锁现象。 六十年代中期，美国麻省理工学院卞学瑛教授提出了一种新的有限元模型。 最初，这种模型基于最小余能列式，在单元内部假设应力，同时独立的在单元边 界上假设位移。由于不需要单元内部位移，所以前面提到的问题都不存在了。1 9 7 6 年，卞学瑛教授将这一模型取名为“杂交应力模型 9 1 。1 9 6 8 年，卞学瑛和董 平提出在单元邻界上为了保持单元间面力平衡，约束条件要由一个新的独立变量 即单元邻界上的协调位移作为拉氏乘子引入，于是得到修正的余能原理。由此以 后，借助于单元边界上的拉氏乘子建立起来的有限元都称之为“杂交元 。杂交 元避免了“自锁问题，但对非线性问题如弹塑性问题或蠕变问题，杂交应力元 的精度相对位移元来说，也有需要改进的地方。例如，假设应力时，往往有许多 可能，而应力与位移搭配不当，就会出现多余机动模式。 七十年代初，e l w i l s o n 等人提出了非协调单元，即在单元位移插值中附加 9 武汉理工大学硕士学位论文 内部节点的位移项，使插值函数中的二次项趋于完备，从而改进了位移等单元的 计算精度，但它对任意形状的单元不能通过补片试验。r l t a y l o 给出了通过补 片试验的补救方法，即用等参坐标原点处的雅可比值来代替雅可比矩阵。 八十年代初，唐立民，陈万吉等人提出了拟协调元，它通过对几何方程的加 权积分进行离散来得到假设的应力参数与节点位移的关系。这里应力与应变有相 同的插值函数。从变分法来看，拟协调元是基于h u w a s h i z u 广义变分原理u 6 1 ， 以位移场、应力场、应变场为变量的多变量有限元。到现在，基于有限元技术的 大型通用程序已发展的非常完善，广泛的应用于各个工程领域。 有限元法正在向纵深发展，在以后的工作中，非线性问题和瞬态问题还要做 更多的工作。从工程实用观点来看，有限元法今后发展的方向应该使分析方法更 有效、更广泛、使用更方便。在求解大型工程时，要求成本低，在确保计算精度 的前提下要求花的时间和费用更少、更经济。 2 2 有限元的基本思想 有限元法的基本思想是先将结构( 连续体) 离散为有限个单元体( 称为单元) ， 这些单元体之间在数量有限的指定点( 称为节点) 上互相连结，用所有这些单元 体组成的集合体来代替原来的结构；然后再把每个单元体上实际作用的外载荷按 静力等效原理分配到单元的节点上，构成等效节点力，并按结构实际约束情况决 定受约束节点的约束。这一步通常称为结构离散化，有限元离散化过程实际上是 将无限个自由度的弹性体转化为有限个自由度单元集合体；再然后，对每个单元 根据分块近似的思想，选择一个简单的函数来近似的表示其位移分量的分布规 律，并按弹性力学中的变分原理建立起单元节点力与节点位移之间的关系( 单元 刚度方程) ；最后，把全部单元的节点力与节点位移之间的关系组成集合，就得 到一组以结构节点位移为未知量的代数方程组，并考虑结构约束情况，消去节点 位移为零的方程，再由最后的代数方程组就可求得结构上有限个离散节点的各位 移分量。求得了结构上各节点位移分量后，即可按单元的几何方程和物理方程求 得各单元的应变和应力分量。有限元法得到的应力和位移一般都是近似值。当单 元划分得足够多，单元位移函数选择合理时，其有限元法分析得到的结果非常接 近精确解，能够完全满足于实际工程问题的需要。 2 3 有限元的基本理论 有限元是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，它有自己的理论基础 和解题方法。由于有限元在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性，发展非 常迅速，最初有限元方法被用来研究飞机结构中的应力问题，目前，其解题范围 已经包括了各个领域( 固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、声场) 的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 数理方程；其计算机程序几乎能求解数理方程中的各类问题。它已成为解数理方 程的一种通用的数值计算方法。 在使用有限元法对所要研究的连续体进行计算分析时，要将研究的连续体划 分为若干个有限大小的子区域，即有限元( 单元) 。在对单元进行分析时，首先 假定单元内部位移为节点位移的简单函数，建立单元的节点位移和节点力之间的 关系，其次将这些单元组合成为整体，引入边界条件，通过求解整体节点力和节 点位移关系的代数方程组，最终得到连续体在离散点处未知量( 位移和应力) 的 解答。用有限元法求解工程问题时，有限元法常采用以位移为基本变量，并使用 虚位移原理或最小势能原理求解的协调模型。用有限元法分析工程结构问题时， 将一个连续体离散化后，应保证其数值解的收敛性。数值解的收敛性与单元的划 分及单元的形状有关，不同的有限元研究模型其独立函数的正确选取亦是保证收 敛性的重要条件之一。例如，以位移为独立函数的协调模型，其位移函数的选取 必须符合收敛准则，才能保证其数值解的正确性。同样一个问题，由于单元划分 的不同、单元形状选取的差异以及位移函数选取的不规则性，得到的解答可能是 完全相反的。经过广大理论工作者几十年来的深入研究及大量的工程实践，关于 单元划分、单元形状的选取和对不同研究模型独立函数的确定，都已有一套成熟 的理论、方法和准则。 2 4 有限元分析一般过程 有限元方法就是根据现实对象的实际结构利用c a d 软件建立三维实体几何 模型，将三维实体模型离散化，并将结构体所受实际载荷分别作用到各单元体上， 最后求出各单元体节点力和位移。 有限元分析的具体步骤是： ( 1 ) 离散化，即划分单元或网格； ( 2 ) 施加载荷和约束； ( 3 ) 计算各个单元的刚度矩阵，建立单元平衡方程； ( 4 ) 求解结构整体刚度矩阵，建立结构整体平衡方程； ( 5 ) 求解线性代数方程组，得出各节点位移，由节点位移求各单元节点力； ( 6 ) 显示处理计算结果。 在上述各步骤中，第一、二步可以划入前处理过程，第五步可以称为后处理， 其余几步则是主要的计算过程。因此上述步骤也可以归纳为如下流程： 1 离散化 将原来连续的单元体假想地分割成为一个离散的结构，这一离散化的结构由 有限多个形状简单的构件组成，这些有限大小的构件称为有限单元或简称单元， 武汉理工大学硕士学位论文 相邻单元在节点处连接在一起，因此有限元法的计算模型实际上是一个仅在节点 处连接，仅靠节点传力的有限个单元的集合体。 2 单元分析 单元分析的主要目的是建立单元刚度矩阵f 七1 【“，根据刚度矩阵便可进一步 得出单元节点力和节点位移的关系。单元刚度方程的矩阵形式可表示如下： f ) p i 七l c ) 6 ) 忙 ( 2 1 ) 式中： f r 单元节点力矩阵； f 七1 【单元刚度矩阵； 6 1 p l _ 单元节点位移矩阵。 由此可见，单元刚度矩阵反映了节点力与单元节点位移之间的关系。下面以 平面单元为例简要叙述单元刚度矩阵建立的具体过程。 ( 1 ) 确定位移模式 单元分析的第一步，对连续介质来说也是最关键的一步，是由单元的节点位 移来表示单元内任一点的位移。为求单元内任一点( x ，y ) 的位移( u ，v ) ，可 以先把u 、v 假设为x 、y 的某种函数，这种作法称为选取位移模式。以三角形单 元为例，单元内任一点( x ，y ) 的位移可表示为： f “( z ，y ) = 口1 + 口2 x + a 3 y( 2 2 ) ly o ，y ) ；么+ 哆+ 6 3 y 在选取位移模式后，经过变换便有关系式： 6 ( w ) ) 一 ( 训) 凇( 训) ) 忙 ( 2 3 ) 式中 6 ( x ，y ) l 单元内任一点位移矩阵； 箍谢2 鬻篡。啦张黼龇 在弹性力学问题中，节点内任一点位移与应变之间的关系可由如下几何方程 来确定： o u j i d x 。；一o v ( 2 4 ) ，。面 心1 a h却 ，i l l g + 一 q 弧酞 武汉理工大学硕士学位论文 式中： 。1 l 方向的节点应变； 。叫方向的节点应变； k 垂直于“向平面且与v 向平行的切应变。 而节点内任一点位移又可由单元节点位移来确定( 见式2 3 ) ，代入式( 2 - 4 ) 后，便可得单元内任一点应变与单元节点位移之间的关系，简化成矩阵方程为： 斜- b l i p 和 ( 2 5 ) 式中： 卜叫元内任一点应变； f b l 几何矩阵，其中各元素均为只与单元性质有关的常量； 6 r 单元节点位移。 ( 3 ) 由应变求应力