（机械设计及理论专业论文）轿车白车身结构建模研究及力学性能分析.pdf

摘要 以有限元法为基础的车身结构分析已成为一种面向车身结构设计全过程的分 析方法，车身结构设计的过程也随之成为一种设计与分析并行的过程。现代车身 结构分析不仅赋予了车身结构设计新的特点，促进了现代车身结构设计新趋势的 形成，而且已成为车身结构设计中最有意义的内容。 白车身设计的初期阶段是白车身结构设计中保证性能的重要阶段，这个阶段 留下的设计缺陷很难在后续的设计中弥补，因而应在白车身设计过程中依托计算 机辅助工程分析技术对车身特性进行实时地分析与评价，从而使得车身设计进一 步高效化、系统化和规范化。 本文首先在分析车身外型曲面模型的基础上详细阐述了轿车白车身结构c a d 模型的建立过程及各种商业软件之间的数据传输，在此基础上形成了白车身结构 的有限元模型；随后对车身的弯曲刚度、扭转刚度和固有模态等基本力学性能指 标进行了详细分析，在此分析的基础上，进行了车身结构的灵敏度分析羽i 优化设 计：最后考虑到车身设计的特点，构建了基于a n s y s 有限元分析软件的车身丌 发平台。 本文的研究重点之一是基于车身外型曲面模型的白车身车体结构设计，通过 解决衔接车身造型设计过程和车身结构设计过程的关键技术，建立了轿车车身外 型曲面模型到轿车自车身结构分析模型的转换技术。 本文的另一个研究重点是适用于白车身等大型复杂系统研究的广义的灵敏度 分析方法，即在综合考虑白车身各项总体性能指标的条件下，计算了白车身各部 位结构件厚度对车身性能参数的灵敏度，并通过分析比较得到了对白车身不同性 能指标的敏感构件，掌握了不同结构件对整车性能指标的贡献度，为选择优化设 计的设计变量提供了依据。本文的研究表明，通过这种方法确定的优化变量可以 提高优化结果的准确性与高效性，并且取得了良好的优化效果，从而使车身轻量 化设计更加高效实用。 关键词：白车身，刚度，模念，灵敏度优化，有限元丌发平台 a b s t r a c t t h es t r u c t u r ea n a l y s i so fc a rb o d yb a s e do nt h ef e mi st h ef u n d a m e n t a la p p r o a c h i nt h ep r o c e s so fe a rb o d yd e s i g n o r i e n t e d a l s o ，t h ew h o l ep r o c e s so fc a rb o d yd e s i g n b e c o m e sp a r a l l e li nd e s i g na n da n a l y s i s n e wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r e n d so fc a rs t r u c t u r e d e s i g nc o m ei n t ob e i n gf r o mm o d e r na n a l y s i so fc a rb o d ys t r u c t u r e a n dt h e ya r e s i g n i f i c a n ti nt h ed e s i g np r o c e s s t h ep h a s eo fb o d y - i n - w h i t ec o n c e p td e s i g ni si m p o r t a n tt oa s s u r ep e r f o r m a n c ei n b o d y i n - w h i t es t r u c t u r ed e s i g n ，o fw h i c ht h eb u g si st o od i f f i c u l tt ob ec o r r e c t e di n s u b s e q u e n td e s i g n c o n s e q u e n t l y ，d u r i n g t h e d e s i g np r o c e s s ，c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g ( c a e ) i sa p p l i e dt oa n a l y z ea n de v a l u a t et h ec h a r a c t e r i s t i c si nr e a lt i m e ， w h i c hm a k e st h ed e s i g nm o r ee f f i c i e n c y ，m o r es y s t e m a t i ca n dm o r es t a n d a r d f i r s t ，b a s e do na n a l y s i so ft h eg e o m e t r i c a ls c u l p t so fc u r v es h a p eo fc a rb o d y ，t h e t h e s i si l l u s t r a t e sh o wt oe s t a b l i s hc a dm o d e lo fc a rb o d ys t r u c t u r ea n dh o wt ot r a n s f e r t h ed a t aa m o n gc o m m e r c i a ls o f t w a r ec o d e si nd e t a i l s f r o mw h i c hf e mm o d e li s o b t a i n e d s e c o n d ，t h eb e n ds t i f f n e s s ，t o r s i o ns t i f f n e s sa n dm o d a lo fc a rb o d ys t r u c t u r e a r ea n a l y z e d t h es e n s i t i v i t ya n do p t i m i z a t i o na r ep e r f o r m e di nt h er e s e a r c h f i n a l l y ， g i v e nt h e c h a r a c t e r so fc a rb o d yd e s i g n ，t h ec a rb o d yd e v e l o p m e n tp l a t f o r mi s c o n s t r u c t e d o n eo fm a i nt a s k si nt h et h e s i si st os o l v et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nc a rb o d ys t y l i n g a n ds t r u c t u r a ld e s i g na n dt op r e s e n tt h et r a n s f o r m a t i o nf r o mt h eg e o m e t r i c a ls c u l p t so f c u r v es h a p eo f c a rb o d yt ot h ea n a l y s i so f t h es t r u c t u r a lo f b o d y - i n - w h i t e a n o t h e rt a s ko ft h et h e s i si st or e s e a r c ht h eg e n e r a l i z e ds e n s i t i v i t ya d a p t e dt ol a r g e a n dc o m p l e xs y s t e m ，s u c ha st h eb o d y i n - w h i t e t h es e n s i t i v i t yo fc a rb o d ys t r u c t u r et o p e r f o r m a n c ei sc a l c u l a t e da n dt h es e n s i t i v ep a n sa r eo b t a i n e db yc o m p a r i s o ni nd e t a i l t h e nd i f f e r e n tp a n sc o n t r i b u t i o nt oc a rb o d yi sa c q u i r e d ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o r d e s i g nv a r i a b l e so fo p t i m i z a t i o n t h er e s e a r c hi nt h et h e s i si n d i c a t e st h a to p t i m i z a t i o n v a r i a b l e sc a l c u l a t e db yt h i sm e t h o dc a ni m p r o v ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo ft h er e s u l t s s ot h ew h o l ed e s i g nc a r lb em o r ee f f i c i e n ta n dp r a c t i c a l k e y w o r d s ：b o d y i n w h i t e ，s t i f f n e s s ，m o d a l ，s e n s i t i v i t y , o p t i m i z a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，d e v e l o p m e n tp l a t f o r m 阿北1 业人学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 轿车车身设计的意义和技术特点 1 1 1 轿车车身设计在整车设计中的重要性 轿车车身是轿车的重要总成之一，就轿车车身的设计成本而言，约占整车总 成本的一半。在激烈的市场竞争中，汽车企业一直在不断更新车型( 包括新的车 身造型) ，丌发适应市场需求的新品种，这已成为汽车制造企业的共i = 。车身设计 与开发工作是新产品开发的主要内容，由于车身更新频率高，技术进步快，丌发 设计手段先进，因此将拥有车身设计丌发能力作为形成汽车自主丌发能力的前提 条件，具有非常重要的意义【2j 。轿车车身对整车产品的设计在以下几个方面有重要 的影n l & i 6 j ： ( 1 ) 艺术美学 山造型设计师和车身结构工程师协作完成的成功的车身产品通过其优美的造 型及协调搭配的车身色彩向世人特别是消费者展现整车产品的魅力，给人以美感， 而这种荚感将是刺激消费者购车欲望的直接因素。 ( 2 ) 人机工程学 成功的车身及内饰设计能方便驾驶员的驾驶和操纵，增进人和机器洲的和谐， 提高驾驶员和乘客的乘坐舒适性，进而增添驾乘的享受与乐趣。相反，蹩脚的车 身内外饰设计则会增加驾乘时的疲劳，甚至导致事故的发生。 ( 3 ) 燃油经济性 随着道路设施同臻完善，汽车动力同渐强劲，汽车速度越来越高，所以在高 速行驶时，空气阻力便成为汽车行驶的主要阻力，而车身造型则是决定空气阻力 大小的主要因素。此外，汽车行驶所要克服的轮胎滚动阻力柬自汽车的自重，车 身重量又是汽车自重的重要组成部分，因此，车身总成对整车的燃油经济性有较 大的影响。 ( 4 ) 行驶安全性 良好的车身结构设计给驾驶员和乘客提供了安全的驾乘空间。在发生事故时， 特别是发生车辆碰撞或侧翻时，车身相关部分能充分吸收撞击的能量，减低乘员 所受到的冲击，良好的车身结构在此时也能为乘员提供足够的生存空间。 由此可见，成功的车身设计将是功能与形式的完美统一。 两北r 业人学硕士学位论文第一章绪论 随着经济全球化进程的加快，汽车工业的竞争同益加剧，汽车企业都在加紧 新车型的设计丌发。由于发动机、底盘设计制造技术基本成熟，新车型便主要体 现在电子设备和车身造型的更新上。目前，在- i 中新车型的开发项目中，4 0 的设 计师和工程师是在从事与车身相关的丌发工作。车身开发与汽车电子一起己经成 为目前汽车整车产品中最活跃的因素【4 j 。我国的轿车工业同发达国家相比总体上仍 然比较落后，其中车身技术的相对落后也是一个重要方面1 7 j ，因此，大力发展车身 技术的研究工作对我国轿车工业技术水平的提高具有重要意义。 1 1 2 现代轿车车身结构设计技术的特点 上世纪八十年代中期以来，随着并行工程、计算技术等现代工程技术的大力 发展和在车身设计分析中的广泛应用，现代轿车车身结构设计技术的发展呈现出 以下特点2 ，8 。叭： ( 1 ) 轻量化已成为车身结构设计普遍追求的目标。车身轻量化的研究最早是 从沃尔沃汽车公司开始的。虽然它的提出的起因是上世纪七十年代的两次石油危 机，但美国钢铁研究所推出的吼s a b ( t h eu l t r al ig 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，其意义也不仅仅在于单纯地节 约能源； ( 2 ) 车身结构设计与性能分析并行。车身结构分析已贯穿到车身结构设计的 全过程，在车身结构设计初期的概念设计阶段就被用于指导设计，不再仅仅是后 期校验的工具，从而大大缩短了车身的研制周期： ( 3 ) 优化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，为了达到这些要求，必须将优化 设计思想和技术应用贯穿于整个车身设计的全过程； ( 4 ) 虚拟仿真实验技术得以采用并部分用于代替物理实物实验。虚拟仿真不 仅可以在没有实物的条件下进行，而且实施迅速、信息量大，它在车身结构设计 中正发挥着越来越大的作用。利用虚拟仿真一方面减少了设计的盲目性，有利于 设计出高性能的车身；另一方面可代替物理实验以及早发现设计中的问题，减少 设计成本，缩短开发周期； ( 5 ) 车身概念设计已成为车身设计的重要阶段。概念设计阶段是车身结构设 计中保证性能的重要阶段，这个阶段留下的缺陷往往很难在后续的设计中弥补， 因而在车身开发中受到广泛重视： ( 6 ) 有限元法已广泛应用于车身分析的各个阶段。在新车型的丌发设计过程 2 两北i ：业人学硕+ 学位论文第一章绪论 中，如何判断车身结构的合理性及车身结构静、动态性能的优劣，并对车身结构 进行优化，是一项十分重要的工作。由于车身的结构十分复杂，用经典力学方法 很难得到精确的解析解，因而采用近似的数值解己成为现实又非常有效的选择。 实际的设计工作表明，有限单元法是运用较为普遍和有效的数值计算方法。 因此，只有在车身的概念设计阶段，结合车身结构设计和分析技术的特点， 依托计算机辅助工程分析技术对车身结构的性能进行并行分析，爿能消除设计阶 段留下的隐患，弥补设计阶段的缺陷，使得车身设计进一步系统化、规范化和高 效化。 1 2 相关领域的研究现状 1 2 1 有限元法在轿车车身设计与分析中的应用现状 ( 1 ) 有限元法对汽车设训+ 过程的影响 有限元法在汽车设计过程中的广泛应 用不但降低了设计成本和设计周期，提高了 设计的可靠性和可预见性，而且也改变着车 身设计的方法，车身设计开发模式已经从早 期的串行设计过渡到现代的并行设计。 传统的车身结构设计分析都是采用实 物实验的方法，设计过程和实物实验是串行 组织的，设计流程如图1 1 所示。车身在定 型前往往要经过多轮结构设计、样车制造、 试验、结构修改、再制作样车的反复。由于 样车的制作和修改需要相当长的时问和多 次反复，从而使得车身结构设计定型的周期 拖的很长，消耗大量的人力物力j 。图1 1 传统串 j ：车身设讨流程 在串行设计中，结构分析一般是作为进 行车身结构失效分析、查找事故原因的一种手段，而不是指导结构设计的方法， 因而不能起到指导设计的作用l 心l 。 伴随着计算机软硬件的迅速发展，车身结构分析已不再仅仅用于车身结构设 计的后期校验，以仿真计算为主体的车身结构分析已成为面向车身结构没计全过 程的校验手段，车身结构设计的过程也随之成为设计与分析并行的全新过程i i ”， 其并行设计流程如图1 2 所示。同时，随着结构分析师在分析经验和分析数据方面 州北i ：业人学硕十。学伉论文第一章绪论 的积累，很多公司都有了自己的结构分析储备数据库，如对不同的车身结构性能 的灵敏度和贡献大小都有详细的数 值表达，这使得设计人员设计时可 以在协调车身制造和工艺要求的情 况下较轻松地对车体结构做相应修 改和调整，也能容易地对车身的设计 进行评估，从而使他们在整个设计过 程中都能把握车身结构的力学特性。 上世纪八十年代术，同本本f 日汽 车公司采用这种方法后，新车型的丌 发时间从4 8 个月减少为3 0 个月。美国 福特汽车公司新车型的丌发周期从 1 9 9 3 年的3 6 个月缩短到18 个月。甚至 1 2 个月f j 2 ，1 引。 ( 2 ) 有限元法在车身设计分析 中的应用现状 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 算机技术和有限元法的快速发展是 密不可分的。有限元法的应用，使早 期的车身设计可以在不依赖实物样 车的情况下评价车身的相关性能，这 使得诸如并行工程的理念得以充分体现， 图1 2 并行的车身设计流程 同时也推动着有限元理论自身的深入发 展。白车身结构仿真技术是以线弹性有限元法为基础的，它是目前车身结构力学 性能仿真技术中较简单的一种，同时也是较早得到应用和最成熟的仿真技术，在 国外汽车制造公司中己得到普遍应用。线弹性有限元法在车身分析中呈现如下特 点【t 2 1 6 ： 1 ) 应用的范围广 线弹性有限元法已经成功应用于车身基本力学性能如刚度、强度、模念分析、 疲劳分析、喇久性分析等的分析中，并在车辆碰撞模拟分析、余属钣会件冲压成 型过程模拟分析、车身空气动力学分析和最优化分析等方面得到广泛应用； 2 ) 研究程度高 国内外各大汽车公司充分利用现有的通用有限元软件，并结合自身的特点进 4 西北1 1 业火学硕士学位论文第一章绪论 行了相关的二次丌发和完善，达到了高度自动化并使得分析的过程大人简化。 3 ) 已贯穿于汽车设计的全过程 有限元分析方法不再仅仅是后期检验的工具，而且在设计初期就被用于指导 设计。 采用基于有限元法的仿真技术进行白车身结构仿真分析和性能优化的流程主 要包括图1 3 所示的几个主要部分。因此，国内外的文献资料2j 大部将解决与 此流程有关的以下问题作为现阶段车身领域的研究课题： 图1 3 有限元仿真流程图 1 ) 车身结构是由许多自由曲面构成的复杂结构，有些几何形状会影响有限元 计算的顺利进行，因此应在不影响车身实际结构力学性能的前提下对这些几何形 状进行简化处理以便于进行数值分析但目前尚未对车身结构模型简化原则形成 一个统一的标准； 2 ) 仿真的边界条件是模拟结构在实际工况条件下的载荷和约束，而车辆在行 驶过程中，白车身结构承载情况往往很难准确地模拟。为此，需要获取比较精确 地模拟实际工况条件下的载荷和约束的边界条件： 3 ) 仿真只能得到自车身结构力学性能的近似值，仿真结果与结构的实际性能 相比存在误差。在以试验结果为依据，评价分析所设计的白车身结构是否满足基 本力学性能要求时，需要找到正确的评价方法。 目i i 在自车身结构仿真研究领域，为了解决上述问题，方面是研究更完善 的仿真模型建模方法和边界条件设置方法，以建立更准确的仿真模型和边界条件， 减少仿真误差：另一方面研究以仿真结果为依据对所分析的自车身结构力学性能 进行评价的方法。国外汽车制造企业解决这个问题所采用的方法是 1 2 - 1 4 1 ： 1 ) 将研究所得的些完善的建模方法、边界条件设置方法和解算方法制定成 建模规范( 包括凡何形状的简化处理规范、单元类型和单元尺寸的选择规范) 、边界 条件的设胃规范、解算方法的选择规范。以轿车为例，其基本思想是所有采用承 s 州北f ：业人学硕十学位论文第一章绪论 载式车身结构的产品，其车身结构力学性能仿真都采用同一种规范。这样采用同 一个仿真规范仿真所得的不同产品的性能参数与试验结果相比，其误差程度基本 上被控制在同一个误差范围之内： 2 ) 找到采用上述规范所得的仿真结果与试验结果之间的误差，然后在结构应 达到的实际性能要求基础上，建立一种考虑了这些误差的仿真分析评价标准。 由于建立了上述仿真规范和评价标准，在进行同类型的不同汽车产品白车身 结构力学性能分析中，采用了同一套仿真规范，对于不同汽车产品车身结构的仿 真结果与试验结果之间的误差便相差不多，这样就具有很强的可比性，可以在很 大程度上减少因仿真结果误差而造成的分析偏差和以此为依据而造成的结构设计 偏差。 上述仿真模型和边界条件的建立方法、规范以及评价标准都必须根据车身结 构不同部位对白车身结构力学性能不同的影响方式和程度，以及不同的结构特征 和工况条件去建立i l6 。所以，这些方法、规范和评价标准只能建立在对汽车白车 身结构力学特征深入研究的基础上。由此可知，仅蕴含有限元法原理的商品化仿 真软件只能为仿真提供计算条件，而白车身结构基本力学性能仿真技术的核心是 这些仿真模型和边界条件的建立方法、规范和评价标准m 】。这些方法、规范和标 准是目前任何一种商品化的仿真软件都无法提供的，这些方法、规范和评价标准 的开发比仿真软件的丌发难度更大，投入更大，周期更长已成为各个汽车制造 企业汽车产品丌发的核一t 5 技术，同时也是丌发难度最大的技术和企业最机密的技 术。 1 2 2 白车身结构基本力学- 性能分析的国内外研究现状 现代轿车绝大多数部采用承载式车身结构，车身的结构真接影响轿车的力学 特性，因此，轿车车身的结构分析就显得尤为重要1 3 】。轿车车身的弯曲刚度、扭转 刚度和模态频率是车身最基本的力学性能指标，对轿车车身性能的诸多方面都有 很大的影响【l9 1 。应用有限元法对轿车车身结构基本力学性能进行分析能有效地解 决轿车车身结构设计中的缺陷。 现代轿车车身结构基本力学性能分析贯穿于车身结构设计的整个过程，其重 要性不占而喻。国内对轿车车身结构基本力学性能仿真的研究目前还处于开始阶 段，车身结构分析工作尚局限在产品完成后进行，对产品的发展与改进意义不大， 并且难以对车身设计过程中的参数进行设置与优化，难以对结构设计的准则进行 归纳，特别是还没有深入研究车身结构不同部位对车身结构基本力学性能的影响 程度和方式【。另外，作为仿真技术核心的仿真模型建模方法也没有得到规范和 6 曲北l ：业人学硕十学位论文第一章绪论 标准化。因此在国内，仿真技术在车身结构基本力学性能分析中尚未得到广泛应 用，样车试验方法仍然是车身结构基本力学性能分析的主要方法i 2 0 】。 目前，国外对轿车车身的刚度和模态分析主要采用有限元技术进行，国内由 于车身开发工作起步较晚c a e 技术相对落后，直到上世纪八十年代中期j 有人 就大客车车身结构计算机辅助分析做了研究。近年末也有人开始对轿车的车身结 构进行类似的分析。然而，从已发表的文章和对行业内部情况的了解发现，与国 外的车身结构设计中c a e 技术的应用状况相比，固内的车身结构c a e 分析技术 仍存在如下不足2 0 j ： ( 1 ) 计算机辅助分析仍主要面向试件或成品，而面向没计过程，特别是面向 早期设计的研究较少，因而不能发挥c a e 技术在缩短产品丌发周期方面的巨大潜 力： ( 2 ) 从分析的内容来看，往往只分析某一项指标，并据此进行修改，而不考 虑或未能全面综合考虑对其它指标的影响： ( 3 ) 从分析结果的处理来看，对车身结构或部件的各项性能指标进行系统分 析优化的成功实例还未见到； ( 4 ) 从分析类型上看，仍以车身结构静态分析为主，整车动态分析( 疲劳、 碰撞等) 还有很多的工作要做。 1 2 3 车身结构优化设计的国内外研究现状 优化设计，概括地说，就是根据给定的没计要求和在现有的工程技术条件下， 应用专业理论和优化方法，从满足给定的设计要求的许多可行方案中，按照规定 的指标选出最优的设计方案【h 1 。随着人们对工程技术的要求f i 益提高，要考虑的 因素也同益复杂，因此，人们迫切需要研究优化设计的理论和方法，计算机技术 的发展为此提供了条件。 传统的结构优化设计方法是设计人员根据经验判断提出设计方案，随后用力 学理论对给定的方案进行分析、校核，若方案不满足约束限制，则人工调整设计 变量，重新进行分析、校核，直到找到一个可行方案，即满足各种条件限制的方 案。这个设计过程周期长、费用高、效率低，并且得到的结果仅是可行方案，多 数不是最优设计方案1 1 9 2 3 1 。 随着工程结构复杂性的增加，以及设计要求的提高，传统的没计方法已不能 满足设计的需要，人们希望找到一个准确性好又有良好的设计效率的新方法。计 算机的出现，以及各种工程结构分析能力和手段的不断发展完善，数学寻优技术 的提高，使得结构优化已成为计算力学中最活跃的分支之一。结构优化研究的范 7 两北1 ：业人学硕十学位论文第一章绪论 围不断扩大，从研究层次上看，已经从尺寸优化、形状优化向材料选择、拓扑优 化方向发展；从问题的复杂程度看，已经从简单的桁架设计发展到解决梁、扳、 壳等多种复杂元素的结构设计问题：目标函数也从单目标向多目标发展【2 4 l 。结构 优化设计从马克斯威尔理论和米歇尔桁架出现起已有百年，从史密特用数学规划 来解决结构优化设计算起，亦有4 0 年历史，特别是过去3 0 年早，结构优化设计在 理论、算法和应用方面都取得了长足的发展p 。 汽车工程领域中的考虑各种因素的结构优化问题已经得到广泛的重视，从目 前的发展状况来看，车身结构的动力优化设计即属于工程结构设计领域中难度大 且内容新颖的前沿性课题之一。近年来，在国内外学者的共同努力下，这一领域 虽然己取得了令人瞩目的研究成果，但还不很完善，仍存在许多有待解决的问题： ( 1 ) 目前有关车身结构的优化设计大多集中在整体结构的尺寸优化上，通过 调整尺寸大小达到优化的目的。对某些设计难度较大的局部的复杂结构进行拓扑 优化设计研究，确定其最佳的结构构型，然后在此基础上对此构型进行进一步的 尺寸优化，这种将高层次的结构拓扑优化技术与尺寸优化技术结合起来进行车身 结构优化设计的工作尚不多见； ( 2 ) 目前的车身结构优化一般局限于单目标优化设计模式，事实上采用这种 模式常常会对多个重要的总体性能指标难以耿舍和兼顾，建立整车结构合理的多 目标多工况优化模型也是今后的研究方向。 由于结构优化设计给工程界带来了经济效益及近年来有限元技术的相对成熟 和计算机条件的进一步改善和普及，人们对结构优化设计的研究和应用的呼声更 高。无论国内还是国外，对这一现代技术的需求都有增长的趋势。随着设计技术 的更新和产品竞争的加剧，车身结构优化设计也呈现出快速发展的态势。 1 3 本文的主要研究内容 本文在研究国内外车身开发流程的基础上，从我校工业设计系为某汽车厂提 供的车身外型曲面模型出发，在大型造型软件u g 环境下进行了基于此车身外型曲 面模型的白车身结构设计，解决了衔接车身造型设计过程和白车身结构设计过程 的关键技术，实现了轿车车身外型曲面模型到轿车白车身结构分析模型的转换。 另外本文还通过u g 软件与有限元软件a n s y s 之白j 的接口，以图形转换标准i g e s 格式将轿车白车身结构模型导入有限元软件中，经过一系列技术处理后生成白车 身结构有限元模型；基于生成的有限元模型，结合以往车身设计和分析的经验和 成功案例，对白车身结构的弯曲刚度、扭转刚度和模态等车身结构基本力学性能 指标进行了详细分析，并在此基础上，进行了车身结构的灵敏度分析和优化设计， r 州北1 业人学硕十学位论文第一章绪论 获取了列车身结构动念性能影响最灵敏的部位得到了优化后的车身模型。考虑 到车身早期设计阶段的特点和工程设计的实际需要，利用v c + + 作为丌发工具， 将车身外型曲面模型一白车身结构分析模型一车身结构基本力学性能有限元分析 一车身结构灵敏度分析和优化设计这一过程封装集成为车身设计分析软件系统， 实现了从曲面造型到性能分析和优化设计这个设计分析过程的无缝连接。 通过本文提供的软件系统平台界面，设计人员输入相应参数后就能在这一平 台上执行车身结构模型的转换，方便地设置和启用各种分析功能，并能方便地察 看分析和优化结果。本文的工作为设计人员提供了一个快速柔性的系统丌发工具 和相应的支撑技术及知识，方便了早期白车身结构的设计和分析，可以加快早期 车身丌发进程，缩短车身开发周期，具有较好的应用前景和较大的实际意义。 本文共六章： 第一章概括性介绍了各个相关领域的研究现状和本文研究的主要内容： 第二章详细阐述了基于车身外型曲面模型的轿车自车身结构c a d 模型的建立 过程，以及相关商业造型软件之川的数掘传输技术，在此基础上形成了白车身结 构的有限元模型； 第三章在阐述了白车身结构基本力学性能分析的目的和意义的基础上，对白 车身结构的弯曲刚度、扭转刚度和模态等车身结构基本力学性能指标进行了计算 分析和评价： 第四章首先对结构优化设计和灵敏度分析技术进行了概述，然后在综合考虑 白车身各项总体性能指标的条件下计算了自车身各部位结构件厚度对车身性能 参数的灵敏程度，提出了适用于白车身等大型复杂系统研究的广义灵敏度分析方 法，通过分析比较得到了对白车身不同性能指标的敏感构件，掌握了不同结构件 对整车性能指标的贡献度，在此基础上对车身进行了整体性能优化，得到了优化 后的白车身结构模型： 第五章依据车身结构设计的一般流程和白车身结构优化分析方法，以 v c + + 6 0 作为丌发工具构建了车身设计分析软件平台，使车身丌发的过程系统化、 集成化，方便了车身的_ 丌发过程； 第六章总结了研究工作的成果与结论，并对以后进一步的研究工作提出了展 靼。 9 两北、 业人学硕十学侮论文 第一章轿乍自卞身结构设计与有限元模型的形成 第二章轿车白车身结构设计与有限元模型的形成 2 1 引言 轿车车身是轿车商品性的重要标志，也是轿车参与市场竞争的重要因素。轿 车车身设计要求能够适应时代特点和人们的审美爱好，因此，在轿车车身设计中， 车身外型曲面造型是十分重要的设计内容。此外，轿车车身同样也是承力结构件， 尤其对于承载式车身更是如此，其车身结构力学性能直接决定着整车的动力学特 性【2 5 1 。所以，融合车身造型设计和车身结构设计的轿车车身开发技术已成为轿车 车身自主开发的关键因素之一。 汽车行业专业化程度和行业内部分工的不断深入，促使车身造型没计和车身 结构设计的分工不断明确，因而也将其分割开来。因此，如何在车身造型设计的 基础上进行车身结构设计，即如何在车身外型曲面模型的基础上建立白车身结构 分析的有限元计算模型，便成为轿车车身设计分机工作的重要内容，国内有关这 方面的研究目前尚较少见。 本章鉴于上述情况，通过解决衔接车身造型设计过程和车身结构没计过程的 关键技术，建立了轿车车身外型曲面模型到轿车白车身结构分析模型的转换技术。 其后的基本力学分析和优化设计，不仅完成了白车身结构分析工作，而且也证明 了本文提出的转换技术的有效合理性。本章的工作从广义上讲，也是对实现产品 的工业设计技术和结构设计技术之间的融合连接所进行的有益探索。 2 2 轿车白车身结构设计的重要性及设计要求 2 2 1 轿车白车身结构设计的重要性 轿车车身结构的特点在于组成车身外型的各部分覆盖件多为尺寸大且形状复 杂的空间曲面，这样如何在工业设计人员提供的车身外型曲面模型基础上建立自 车身结构模型是车身结构设计分析的重点和基础。本章重点研究这一连接和融合 技术。 轿车车身设计流程如图2 1 所示，其设计过程包括车身造型设计和车身结构 设计两个主要部分，其中车身结构设计是以车身造型设计为基础进行的车身骨架 功能和强度设计，以最终找到合理的车身结构形式的设计过程的统称 2 6 , 2 7 。车身 1 0 尚北1 ：业人学硕十学位论文第二章轿乍白卞身结构设计与有限元模弘的形成 结构设计质量的优劣关系到车身内外造型能否顺利实现和车身各种功能的f 常发 挥，所以说，车身结构设计是完成整个车身开发 工作的关键坏节。优良的车身结构设计可以充分 保证车身的强度、刚度和碰撞安全性等要求，进 而达到改善整车性能、降低制造成本的目的。 2 2 轿车白车身结构设计要求 车身结构设计的重点是在兼顾原车身造型 设计风格的同时，充分考虑人机工程学和附件可 布置性基础上的强度、刚度和碰撞安全性要求。 具体要求如下【2 6 2 8 ，2 9 】： ( i ) 车身骨架构件必须相互连接，分布于整 个车身范围，形成承载结构的“网络”。它们之 间息息相关，旦承载结构某处受力，可通过承 载结构“网络”，将力迅速传递至整个车身： ( 2 ) 由车身骨架结构连接成的承载结构，在 受到外力作用时，产生的力应仅在此结构的杆件 上进行传递； 币身设计方案确定 构造下身外型曲面模刑 车身空气动力学分析 o k n 确定符合乍身结构分块要求和 制造l ：艺的覆盖仲边界 白乍身结构设计 向下身结构分析 n 图2 - 1 白车身设计流程图 ( 3 ) 将发动机、变速箱及其他部件，尽量布置于车身承载结构的几何节点处： ( 4 ) 在保证刚度足够的基础上，取合理的构件截面以尽量减小车身重量； ( 5 ) 车身结构中，颦固可靠的驾驶室是保证乘员安全的最直接有效的方法。 一般而言，驾驶室要求十分坚固，具有很高的刚度，以确保乘员的生存空间。而 驾驶室以外的部分则应是具有一定柔性的结构，甚至人为设置较薄弱的环节，从 而有效地吸收碰撞能量。这就是车身结构碰撞安全性设计的摹本思想。关于驾驶 室以外部分的能量吸收特性包含两方面的含义：一是前部结构在受到碰撞时应即 刻产生压溃变形，从而尽可能多地吸收撞击能量，缓解作用于乘员的力和加速度； 二是控制各受压部件的变形形式，防止发动机和变速箱等刚性部件侵入驾驶室， 造成人员伤害。 2 3 轿车白车身车体结构c a d 模型的形成 轿车车身覆盖件大多由钢板冲压成型并通过焊接和铆接连接形成，覆盖件板 材的厚度远小于其它两维方向的尺寸，因而在轿车车身的实际建模过程中，多采 用以曲面代替立体，在其特征属性中定义各实体厚度参数的方法。本文讨论的轿 1 1 西北一r ：业大学硕士学位论文第二章轿1 i 白乍身结构设计与有限元模刑的形成 车车身为承载式车身，车身结构复杂，因而选择曲面造型功能更为强大的u g 造 型软件建立白车身结构模型。 2 3 1 白车身车体结构模型的形成 完成车身结构设计首先需要明确车身整体的承载形式，并对其做出载荷分析， 了解载荷传递方式和路径，以便能使载荷在整个车身上合理分配。在此基础上， 确定车身各梁柱的结构形式和联接方式【2 。此外，承载式车身结构的车身外型也 多由尺寸大且形状复杂的空间曲面覆盖件所构成，加之车身骨架截面在不同的空 间位置上形状和大小也不尽相同，所以根据结构件的弯曲惯性矩和扭转惯性矩等 效原则，一般将车身骨架复杂的截面形状简化成规则的矩形截面来处理，这是因 为结构件最终的力学特性是通过其弯曲惯性矩和扭转惯性矩表现的，而不是完全 由截面形状决定的忙7 】( 比如对于闭口截面，扭转惯性矩j 。= 4 a ，式中。为；t s a 材料厚度中线所围成的面积，可见中线周长s 一定，材料厚度f 一定，抗扭惯性矩 ，。与a 。的平方成萨比，而截面形状没有独立意义p 0 1 ) 。在此简化的基础上，采用 u g 软件的曲面放样功能，根据结构件骨架杆件截面的空问形状轨迹( 即白车身骨 架杆件外表面中心线) ，将截面沿其空间运动轨迹扫掠即可得到白车身骨架的实体 模型p ”。 轿车白车身骨架是一个空间多层次的复杂结构，分为驾驶室、前部结构和后 部结构三个部分，在具体设计时，先根据三部分的设计参数进行布局设计，般 是先进行驾驶室的底架布局设计，确定各个总成的具体布置位置后，再根据驾驶 室设计中的一些关键参数进行其他结构的设计；然后利用车身外型曲而模型和骨 架布局设计参数求取自车身骨架与白车身外型曲面模型的截交线即白车身骨架杆 件外表面中- i i , 线，构造出白车身三部分的线框模型。根据轿车白车身结构需要， 选取截面积大小不等的矩形截面构成车身骨架截面，由此截面沿白车身五部分的 线框模型扫掠构造出白车身五部分骨架实体模型。最后利用u g 的装配模块进行整 车装配，生成白车身c a d 模型i jo 3 2 i 。 本文在车身外型曲面模型的基础上建立车身结构模型的具体过程如下： ( 1 ) 对由工业设计人员提供的车身外型曲面模型进行分析，结合现有的车身 骨架资料和车身设计经验，对不同的三箱式轿车结构进行对比和分析，抽象出三 箱式轿车的共性作为建立模型的基础，从而在此外型曲面模型的基础上确定车身 骨架的空间结构布局形式： ( 2 ) 在车身外型曲面模型的基础上用u g 软件的曲面分割功能将车门、发动 1 2 阿北j ：业人学硕十学位论文第二章轿下白乍身结构设计与有限元模删的形成 机罩、行李箱盖、保险杠、前翼子板等实际装配在车身焊接总成上的对车身整体 抗弯及抗扭刚度贡献不大的( 不属于白车身范畴) 的部位从整个车身外型曲面模 型中剥离。然后按照车身覆盖件结构分块的要求和制造工艺性在车身外型造型曲 面上确定车身分块和覆盖件边界； ( 3 ) 根据车身外型曲面模型的几何数据、车身所受载荷、载荷传递路线及以 往车身设计经验等确定车身骨架结构( 车体结构) 的空间拓扑结构和各梁柱的结 构形式和联接方式等： ( 4 ) 在分离后的剩余车身覆盖件( 主要包括顶盖、地板、轮罩、后挡板、悬 挂固定座等) 的基础上对白车身结构的空问骨架结构( 车体结构) 分块进行建模， 主要是对空间基本完整闭合的梁类结构件的建模，包括前后纵梁、门槛、门柱、 窗杜、前后风窗上横梁、门上横梁、前横梁及锁扳等； ( 5 ) 完成车身各部分骨架结构( 车体结构) 和覆盖件的联接： ( 6 ) 将车身各个部分进行装配并消除干涉，形成完整的自车身结构模型。 这样所形成的白车身结构最终是由空间薄壁梁( 车体结构件) 和板壳( 覆盖件) 连接成体的空间框架结构。 2 3 2 模型建立过程中的简化处理 白车身是由车身骨架、地板、顶盖、前围、侧围等几百个零件焊接在一起形 成的一个焊接总成。对于这样一个复杂空间结构，有限元模型的建立是困难的， 所以有必要在保证原有结构基本力学性能的前提下对原始结构模型进行适当的简 化处理，以保证后面的有限元分析能够顺利进行。 模型的简化应遵循简化模型与原结构在力学性能上不能有较大的差异 3 3 i 的原 则，掘此本文采取的自车身模型简化技术细节如下3 3 3 5 1 ： ( 1 ) 略去车身非承载件。车身有些杆件只是为了满足构造或美观要求设计的， 而不是根据强度要求设计的，对结构的变形和内力影响很小，所以在建模中可以 略去这些杆件； ( 2 ) 将弯曲杆件简化为直杆。将底架前、后部分及车门等处的弯曲杆件划分 成若干直杆处理，即以若干个直杆首尾顺次连接的方式代替原来的弯曲杆件； ( 3 ) 对于两个靠得很近而又不重合的交叉连接点，可考虑简化为一个节点来 处理； ( 4 ) 结构上的孔、台阶、凹槽和翻边等应在保证截面形状特性等效的基础上 尽量简化； ( 5 ) 由于实际车身结构件的断面形状相当复杂，实际中不可能使用过多的参 曲北l 业大学硕十学伉论文第一二章轿午向下身结构没计与有限元模型的形成 数来表达其实际的形状，根据结构件弯曲惯性矩和扭转惯性矩等效的原则将车身 复杂的断面形状简化成规则的矩形断面。 ( 6 ) 尽量将一些零锁的小面缝合成一个大的面，取消面与面之间曲率过大的 过渡圆弧面，而采用面与面之间按一定的角度缝合。 2 4 轿车车身模型转换 本文涉及的车身模型转换主要包括两个阶段的模型转换：一是a l i a s 软件中的 车身外型曲面模型到u g 软件环境的转换；一是在u g 软件中完成的白车身结构模 型到有限元软件a n s y s 中的转换。 2 4 1a ii a s 软件中的车身外型曲面模型文件到u g 软件中的转换处理 图2 2 所示的车身外型曲面模型是通过工业设计技术在大型造型软件a l i a s 中 建立的，这样的模型相当于“墙纸”，无内部骨架结构，因而是无法进行结构分析 的。因此，在图2 2 所示的车身外型曲面模型的基础上，结台车身结构设计的要求， 通过u g 软件的建模功能，形成可以进行结构分析的白车身结构模型便成为车身 设计过程的关键环节。 图2 - 2 车身外型曲面模型 采用a l i a s 软件建立的车身外型曲面模型可以直接以u g 软件的文件格式输 出，因此，利用这一特点可以方便地将a l i a s 软件建立的车身外型曲面模型转换到 u g 软件平台中。文件转换过程中有数据的损失，要进行修复，保证模型的完整， 不能有几何体素之间的交叠、错丌和裂缝等。本文其后的工作表明通过这一关系 1 4 曲北i 业人学硕十学位论文第二章轿午向下身结构设计与有限元模1 q 的形成 转换的模型信息完好，因而可以在u g 软件的支持下直接对车身外型曲面模型进 行处理。进而获得白车身结构分析模型。 2 4 2u g 软件中的白车身结构模型到a n s y s 软件的转换处理 利用a n s y s 软件的数据接口，可精确地将在c a d 系统下生成的几何数据传 入a n s y s 软件中，而后准确地在该模型上划分网格并求解，这样用户能方便地分 析新产品和部件，而不必因为在分析系统中重新建模而费时费力。 本文将在u g 软件平台下建立的白车身结构c a d 模型以i g e s 标准图形数掘 格式输出，然后通过与有限元分析软件a n s y s8 0 接口连接转换为有限元软件内 部的几何模型。在模型导入的过程中可能会产生一些错误信息或丢失一些模型的 特征，因而要对导入的模型进行手工修复操作。a n s y s 软件提供了三种可用的修 复工具：拓扑修复工具、几何修复工具和几何简化工具 3 6 1 。使用拓扑修复工具闭 合模型各种图元j 日j 的间隙这是修改模型的第一步；接着可以利用几何修复工具 创建丢失的线和面