（车辆工程专业论文）基于虚拟试验台的轿车底盘零部件的疲劳寿命预测.pdf

摘要 摘要 耐久性虚拟试验技术是一种全新的、综合性的c a e 分析技术。而基于虚拟试 验台的汽车道路模拟试验研究，就是通过引入虚拟台架和虚拟模型寻找到一个更 为准确的方法，用来对车辆的疲劳寿命做出有效的预测。 本论文来源于同济大学和上海大众合作研究项目“帕萨特整车( 以车身为主) 开发试验标准研究项目”，研究对象选用汽车底盘中较为重要的前桥总成。此外， 本研究还选用上海大众4 通道道路模拟机作为试验台架。 研究主要从两方面进行，一方面对前桥进行刚柔混合多提动力学虚拟模型建 模，通过典型道路所得的载荷谱进行疲劳寿命预测，并将结果和实际试验结果进 行比对；另一方面结合虚拟试验台架模型，对不同加载工况，不同约束条件下 的虚拟试验台仿真进行比较，并探索出更为合理、准确的基于虚拟试验台的室内 道路模拟试验方法。 研究的成果不仅可以用于前桥零部件的开发和改进设计，以缩短周期，节省 经费，对于其它汽车零部件的开发设计和试验，亦具有相应的理论参考价值和实 际指导意义。同时。对基于虚拟试验台的理论研究也为未来进一步提高模拟精度 奠定了坚实的基础。 关键词：耐久性，虚拟试验台! 疲劳寿命，道路模拟 a b s t r a c t t h ev i r t u a ld u r a b i l i t yt e s t i n gi sab r a n dn e wa n di n t e g r a t e dc a et e c h n o l o g y t h ea u t o m o b i l er o a dt e s t i n gs i m u l a t i o ns t u d yb a s e do nv i r t u n lt e s tr i gw a st of i n da m o r ea c c u r a t ew a yt op r o v i d ee f f e c t i v ed u r a b i l i t yl i f ef o r e c a s tt h r o u g hv i r t u a lm o d e l a n d t e s t i i 岛 t h es t u d yc 蜘cf r o mt h er e s e a r c h i n gp r o j e c t ”t h et e s t i n gs t a n d a r d sf o rt h e d e s i g n o ft h ee n t i r ec a ro f p a s s a t ( m a i n l y a b o u tc h a s s i sc o m p o n e n t s ) ”， c o o p e r a t i v e l yl a u n c h e db yt o n g j iu n i v e r s i t ya n ds v wa n dt h es t u d yo b j e c tw a s f o c u s e do nt h ef r o n ta s s e m b l y , w h i c hi st h ei m p o r t a n tp a r to ft h ec h a s s i s m e a n w h i l e t h e4c h a n n e lr o a ds i m u l a t o rf r o ms v ww a sa l s os e l e c t e d 弱t h et e s tr i go ft h i ss t u d y t h es t u d yc o n s i s t e do ft w oa s p e c t s o n ei st ob u i l dt h er i g i d - f l e x i b l eh y b r i d m u l t i b o d ys y s t e mo ft h ef r o n ta s s e m b l y , t og i v ef a t i g u el i f e f o r e c a s tt h r o u g ht h e l o a d i n gs p e c t r u mo ft h et y p i c a lr o a d sa n dt oc o m p a r et h er e s u l tw i t ht h a to ft h er e a l t e s t i n g w h i l eo nt h eo t h e rh a n d , t h es i m u l a t i o nw i t ht h et e s tr i gw a sa l s oc a r r i e do u t u n d e rd i f f e r e n tl o a d i n ga n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n si no r d e rt of i n do u tam o r e r e a s o n a b l ea n da c c u r a t ew a yo f v i r t u a lr o a ds i m u l a t i o nb a s e do nt e s tr i g t h er e s u l t so ft h i sr e s e a r c hc a 矗n o to n l yb eu s e di nt h ed e s i g nm i dd e v e l o p m e n t p r o c e s so ft h ef r o n ta s s e m b l y , b u ta l s oh a v et h e o r e t i cr e f e r e n c ea n dp r a c t i c e i n s t r u c t i o nv a l u e m e a n w h i l et h et h e o r e t i c a ls t u d yo i lt h et e s tr i gh a sb u i l tas t r o n g b a s i sf o rf u t u r es t u d yi ni m p r o v i n gt h es i m u l a t i o na c c u r a c y k e yw o r d s ：d u r a b i l i t y , v k t u a lt e s tf i g , f a t i g u el i f e ，r o a ds i m u l a t i o n 玎 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j 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。 签名： 年月日 第1 章引言 1 1 研究目的和意义 第1 章引言 随着中国加入w t o ，国内汽车工业发展的脚步越走越快，但是在核心技术 方面依然过于依赖国外汽车公司。没有完整的自主知识产权，自主开发设计能力 低，技术储备薄弱等因素成了严重制约我国汽车工业发展的瓶颈。因此，建立企 业自主研发能力势在必行，也只有这样才能提高企业的核心竞争力。 耐久性试验过程是设计开发的最为关键环节之一，既是检验已有设计合格与 否的有效途径，又为进一步的修改和优化设计提供客观依据；同时，先进有效的 试验手段可以大大降低开发费用、缩短开发周期，在日益激烈的市场竞争中这对 于任何厂家来讲都是至关重要的。目前国内汽车企业都是进行大规模的外场( 公 共道路和试车场) 试验验证车辆的耐久性，昂贵而且费时：迫于硬件条件的限制， 对于较为先进的室内台架试验也鲜有系统深入的理论研究和工程应用研究。纵观 国际上各大汽车公司在汽车耐久性试验研究方面，则经历了外场试验阶段、室内 道路模拟试验阶段，积累丰硕的成果并且形成了许多成熟的理论。与此同时，随 着现代c a e 技术的飞速发展，世界各大公司纷纷通过在实验室进行等效试验。 以及利用现代c a e 分析技术进行虚拟试验来考核汽车的耐久性，将基于物理样 机的外场试验和室内等效试验，同基于虚拟样机的虚拟试验有效的结合在一起来 评价关键部件的可靠性，借助于此种先进的开发手段来缩短试验周期和降低开发 成本，并取得了显著的效果。而现阶段，国内企业对于汽车开发过程中的可靠性 试验研究大多数停留在外场试验阶段，对于外场等效试验和室内等效试验二者之 间的内在关系等领域的研究较少；对于现代c a e 技术的应用主要集中在结构 c a d 设计，多体动力学分析和系统优化设计，以及结构有限元分析和结构优化 设计等方面，很少将上述各种手段结合起来，在轿车开发过程中对关键部件的疲 劳寿命进行有效预测。将先进的试验手段和现代c a e 技术结合起来，也即通过 实物试验和虚拟试验的有机结合实现轿车开发过程中的可靠性有效预测，对于这 一问题的相关研究国内尚处于刚刚起步阶段，国外公司也还没有形成完全成熟的 理论。 然而室内道路模拟试验仍然需要在样车试制完成后才能进行，制造样车需要 大量的资金和时间，而对样车进行修改则需要投入更多的成本，人力和物力。随 着计算机技术的飞速发展，人们开始转向虚拟试验台的研究。所谓虚拟试验台是 指对室内道路模拟机进行建模，通过计算机仿真对虚拟样车进行室内道路模拟试 第1 牵引言 验，这样既能够加快开发速度，同时也能够节省大量的资金，今后可以采用电脑 设计，电脑试验及实物验证的设计流程而在实物验证的阶段，绝大多数的问题 都已经得到了解决。这对于汽车企业来说是非常有意义的。 本课题的研究主要是基于典型强化道路载荷谱的虚拟试验和实际室内台架 试验的比较通过虚拟数字台架模拟真实的室内道路模拟工况，并且将室内台架 试验，虚拟试验结果以及基于虚拟试验台的虚拟试验结果进行比较。本课题涉及 到道路载荷谱信号的分析处理技术、振动的远程参数控制理论、结构动态分析、 多体刚柔混合系统动力学、疲劳损伤理论、以及计算机虚拟试验技术等多门学科， 是综合性的研究课题。 课题的研究过程中，以实车的外场试验和室内试验为基础，一方面获得虚拟 模型所需的加载谱，另一方面为修正和细化虚拟模型提供客观依据。通过本课题 的研究希望达到以下目标在轿车开发的前期设计阶段，根据用户使用工况找出 理想的关键部件疲劳寿命预测的虚拟试验方法。实现对轿车底盘零部件的可靠性 做出快速准确的判断。这样才会使设计开发费用降低、周期缩短，使汽车的设计 真正符合用户的使用工况，也必将会大大提高以设计开发水平为代表的企业核心 竞争力。 项目由上海大众提出，由同济大学汽车学院和上海大众合作共同完成，双方 不但具备完成项目所必需的硬件、软件设施和深厚的基础知识理论储备，而且积 累了零部件开发试验标准研究的经验，完全能够保证本项目顺利完成。本研究课 题将为制定符合中国国内汽车行驶环境条件的可靠性试验方法与试验标准提供 理论基础，并提出一条前期设计阶段可用于关键部件疲劳寿命预测的虚拟试验标 准，填补国内在整车开发过程中可靠性评价的虚拟试验方法与规范方面的空白， 最终达到在轿车开发过程中虚拟试验和实物试验的有机结合。本研究成果可以直 接为上海大众汽车有限公司所用，对国内其他汽车企业也有很好的应用参考价 值。 1 2 国内外研究历史和现状 汽车可靠性试验一般可以分为三大类，即实际使用道路试验、试车场试验和 实验室试验。实际道路试验和试车场试验可以统称为外场试验，在早期的汽车耐 久性试验方面具有不可替代的作用，但是具有划时代意义的却是实验室汽车耐久 性试验。2 0 世纪5 0 年代，由于m o o g 二级伺服阀的出现，使得液压作动器能够 在较宽的频带内实现闭环控制，从而为汽车试验提供了一个有力工具。2 0 世纪 2 第1 章引言 6 0 年代福特公司的w i l l i a nj s i d e i k o 提出了用液压伺服作动器进行车架疲劳试验 的方法，从而把车辆部件试验推进了一大步。1 9 7 5 年。s t y l e s 和d o d d s 发展了有 关路面模拟方面的理论，并把新出现的快速傅立叶变换( f f r ) 技术用于道路模 拟方面。随着计算机技术的高速发展，在道路模拟试验台的控制技术中出现了迭 代控制软件，2 0 世纪7 0 年代美国m t s 公司和德国s c h e n c k 公司先后推出了各 自的道路模拟试验系统。自1 9 6 5 年m r s 公司开发出第一台道路模拟试验机以来， 其发展经历简单路面模拟、有效路面模拟和远程参数控制( r p c ) 等三个阶段。 1 1 1 1 2 1 3 1 近1 5 年来。随着计算机技术的迅猛发展，计算机辅助工程( c a e ) 技术被 越来越多的应用于汽车的开发过程，在缩短开发周期、降低开发费用等方面取得 了巨大的成功。针对整车开发过程中的试验环节，则通过虚拟试验来获得产品在 不同试验环境下的动态特性、操纵稳定性和舒适性、噪声和振动特性等。在整车 开发耐久性试验标准研究方蕊，将外场试验、室内试验和现代的c a e 技术有机 的结合在一起，使研发工程师在概念设计阶段就能对关键部件的疲劳寿命进行预 测，其中比利时l m s 公司已经开发出较为成熟的虚拟试验软件v m u a ll a b 。如 何获得准确的路面加载谱，是通过虚拟试验技术进行疲劳寿命的预测的关键技术 之一，对于轴耦合型整车虚拟试验模型，在样车之前无法获得准确的路面加载谱， 而对于轮耦合型虚拟试验模型来说，则无法获得精确使用的数字化路面。目前， 各大汽车公司在此领域都进行了大量的研究以期有所突破。 许多耐久性工程师心舀中的“圣杯”，是远在实物样车诞生之前就可靠地预 测出他们设计的产品会在什么部位和什么时间发生破坏。能够做到这步就可以极 大地缩短耐久性试验过程，有助于工程师更快、更低成本地向市场推出更优质的 产品。最近l m s 公司联合德国b m w 公司的工程师，取得了一项技术突破，朝 向那个终极目标迈出一大步。1 2 1 许多年以来，基于计算机辅助工程( c a e ) 的数字化寿命预测设计工具如 l m sf a l a n c s 软件越来越被工程界所接受。在许多情况下，分析人员可以预测 疲劳危险点的位置，比较在给定的载荷下部件的不同设计造成疲劳寿命的差异 当然，做部件的优化设计，精确的有限元模型和可靠的材料疲劳数据是必需的， 但还不够，关键是要知道准确的实际载荷。但是，如果实物样车还没有制造出来， 实际载荷是不容易得到的l 在汽车工业中，传统的做法是在新车型设计早期的参考样车上测量典型部位 的载荷。虽然不够理想，但至少可以得到c a e 过程所需的近似估计载荷，这至 少比按食谱猜测菜肴味道那种估计方法好得多。当然用应变仪和力传感器测量 实物样车的典型部件载荷是很费时费力的。而且，这需要对每种变形车的所有悬 3 第1 章引言 架和车身部件进行测量和标定。这在某种程度上催生了这样的想法：用多体模拟 ( m b s ) 软件建立虚拟试验台架，“数字化测量”部件之间的相互作用载荷( 多体 模拟在平顺性和操纵稳定性方面的应用更为典型) 。从理论上来说。只要用车轮 力传感器测量轴头载荷，并且知道系统的集中质量、刚度和阻尼参数，那么整车 任何部位的力都可以计算出来。然而初步的结果证明这种方法是令人失望的。多 数情况下，由于多体动力学软件积分的不稳定性，这种虚拟汽车会发生漂移甚至 翻滚。 2 1 2 3 j 我国在汽车的疲劳设计和试验方面尽管起步较晚，但是随着汽车工业的发展 也取得了一定的进展。长春汽车研究所通过对解放牌系列汽车的关键零部件进行 大量的实车试验和台架试验，建立了这些部件的基本加载谱，有效的估算了疲劳 寿命，总结出实车使用寿命和台架试验之间的当量关系。东风汽车公司则在载荷 谱的累积频次分布规律，极值推断方法、不敏感带设置原则等方面取得了较大的 成果；8 0 年代与德国l b f 合作首次对中国道路载荷谱进行了测试和研究分析。 管迪华、杜永昌等提出了汽车室内道路模拟试验，并尝试采用闭环控制应变进行 道路模拟试验，同时还应用r p c 远程参数控制技术研制成功国内第一台道路模 拟试验机。王占奎、王秋景等结合随机载荷作用下的疲劳寿命预估模型，对现行 疲劳试验标准做了合理的修正。同济大学和上海大众合作在道路模拟试验应用研 究方面取得了丰硕的成果，实现了对轿车车头子系统，后桥总成等进行有效的疲 劳加速试验，大大缩短了室内疲劳试验的周期，提出了中国典型地区、解放军总 后试车场和上海大众e v p 强化道路之间的载荷谱当量关系，并对p a s s a t b 5 轿车 后桥的疲劳寿命进行了准确的预测。 1 3 研究的技术路线 基于虚拟试验台的汽车道路模拟试验研究这一课题的研究，就是通过引入虚 拟台架和虚拟模型寻找到一个更为准确的方法，用来对车辆的疲劳寿命做出有效 的预测，并最终将室内等效试验和虚拟试验的仿真分析有机的结合在一起。 对于耐久性工程师而言，就是为了使其准确理解车辆在使用寿命时间内经历 的载荷，开发出有效的试验程序，在实验室精确重现实际路面的载荷激励，并且 通过应用相关软件进行加速试验，评价车辆的抗疲劳性能。对于c a e 工程师而 言，就是幂j 用试验工程师提供的数据资料建立准确的用于车辆疲劳寿命预测评估 的虚拟试验模型，并根据预测结果提出改进方案达到优化设计的目的。在上述基 4 第1 章引言 础之上最终打破试验工程师和c a e 工程师的界限，在整车开发过程中两者既有 分工又有合作，充分实现数据的交换和共享。 本课题的研究将包括典型地区道路和e v p 道路载荷谱采集试验及其处理， 室内台架试验和基于c a e 技术的虚拟试验等3 个部分。道路载荷谱采集试验为 室内台架试验提供原始数据，之后通过进行迭代试验获得道路模拟试验和虚拟试 验的驱动信号。此外，道路试验和室内试验也可以作为验证和细化虚拟试验模型 的依据。之后，应用不同的加载谱，通过台架试验和虚拟试验获得目标部件的疲 劳寿命，并进行分析对比研究。 理想的基于虚拟试验台的汽车道路模拟试验需要比较完整的试验台架模型， 包括液压系统，控制系统以及各组成部分的材料特性。但是由于商业机密方面的 问题，目前无法获取所建台架的具体参数。因此需要适当调整研究方向，简化研 究过程，并为今后进一步研究虚拟台架奠定基础。 本课题主要研究技术路线为： 1 通过目标用户道路和试车场载荷谱采集试验和数据分析，获得底盘系统 载荷谱的基本特征并确定了底盘系统零部件的疲劳弱点，并完成以轮轴力信号为 目标的室内道路模拟试验。由于这部分工作需要大量的试验设备和试验成本的 投入，因此这部分内容由上海大众负责完成，本文的研究将集中在虚拟试验的评 估，并以此试验结果作为参考对象。 2 结合现代c a e 分析技术，建立刚柔混合多体动力学理论模型通过虚拟 试验评估目标部件的疲劳耐久性。为了使建立的虚拟试验模型拥有足够高的准确 度和精确度，必须搭建相应的台架试验模型并对其进行较核和修正，获得较为准 确的虚拟试验模型。 3 将试验获得的加载谱信号施加到虚拟试验模型上，通过仿真分析得到关 键零部件的边界载荷条件；之后，将此边界条件输入到相关零部件的有限元模型 中计算出其理论损伤值，实现目标部件疲劳寿命的数字化预测。从统计规律和损 伤值等角度出发，对台架试验结果和理论模型的计算结果进行对比研究，并分析 两者之间的相关性。 4 分别用力信号和位移信号，约束车身和不约束车身，运用台架和不运用 台架等多种组合工况进行模拟，通过比较试验结果，探索合理的运用虚拟试验台 架进行疲劳寿命预钡的路线，为后期的基于虚拟台架的汽车道路模拟试验奠定基 础。 本课题由同济大学和上海大众合作完成，双方拥有完成本课题所需的各种硬 软件条件，同济大学汽车实验室和上海大众技术中心为课题的完成提供各项硬件 设施。同时，双方在整车开发耐久性试验研究方面积累了丰富的经验，同济大学 5 第1 章引言 还具有丰厚的理论基础。所有这一切都为课题的完成创造了条件 6 第2 章前桥精确有限元模型的建立 第2 章前桥精确有限元模型的建立 2 1 有限元法简介 2 1 1 结构力学有限元理论基础 有限元法的基本思想是运用离散化的概念，假想把弹性连续体分割成数目有 限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点处相连，单元间的相互作用力也仅由节 点传递。根据物体的几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等，选取各种类型 的单元。节点一般都在单元边界上。在此基础上，对每一单元根据分块近似的思 想，假设一个简单的函数来模拟其位移分量的分布规律，即选择单元位移模式。 位移模式取决于单元的自由度和有关解的收敛性要求。再通过虚功原理( 或变分 原理，或其它方法) ，求得每个单元的平衡方程，也就是建立单元节点力与节点 位移之间的关系。最后，把所有单元得这种特性关系按照保持节点位移连续和节 点力平衡的方式集合起来，就可以得到整个物体的平衡方程组。引入边界约束条 件后解此方程，就可求得节点位移，并计算出各单元应力。可见，有限元法是离 散化的数值解法，对于结构力学特性的分析而言，它的理论基础是能量原理，即 虚位移原理、最小位能原理和最小余能原理。 虚位移原理，又称为虚功原理，它用功的概念来阐述弹性体或结构的平衡条 件。它可叙述为：如果在虚位移发生之前，弹性体处于平衡状态，那么虚位移发 生时，外载在虚位移上所作的虚功就等于弹性体的虚应变能一应力在虚应交上 所作的虚功，即6 w = 6 u 。 最小位能原理，又称为最小势能原理，它是虚位移原理的另一种形式。它说 明的是：弹性体在给定的外力作用下，在满足变形协调条件和位移边界条件的所 有各组位移解中，实际存在的一组位移应使总位能成为最小值，即6c o - w ) = o 。 这样可以利用最小位能原理求得弹性体的位移，知道了位移，就可以求出应力。 最小余能原理的基本思想是，在弹性体内部满足平衡条件并在边界上满足静 力边界条件的应力分量中，只有同时在弹性体内部满足应力应变关系并在边界 上满足边界位移条件的应力分量，才能使弹性体的总余能取极值，且可以证明， 若弹性体处于稳定平衡状态，总余能为极小值，即6 c = 6u e - 6w c = o 。 7 第2 章前桥精确有限元模型的建立 2 1 2 一般有限单元法 前桥主要是由副车架( 包括横向稳定杆) 和前悬( 每侧四根拉杆和一个转向 节柱) 组成。副车架主要是由一些钢板冲压件焊接在一起组成，其底面尺寸远大 于厚度，可以近似看成薄板。而前悬主要是由杆件和厚度较大的实体组成。所以 根据具体情况，本论文主要采取壳体单元来离散化副车架模型，采取体单元来离 散化前悬模型。 2 1 2 1 一般壳体问题的有限单元法 在一般情况下，壳体问题主要有两类单元来模拟，一是平板单元和曲面单元； 一是超参数壳元。但这两类壳元实质上的区别是在分析的不同阶段将壳体三维连 续体简化为二维壳体单元，如图2 1 。在构造单元过程中先后不同地引入了两种 近似性，一是来自有限元的离散，一 是来自一定的壳体假设。在实际运用 中，本论文所运用的有限元计算软件 将根据实际情况合理采用这两类不 同的壳元形式。 在实际的有限元计算当中，通常 定义由两个曲面所限定的空间物体 称为壳体。这两个曲面的垂直距离就 是壳体的厚度。而壳体结构离散化以 后，各单元应该是曲面单元。但 是，本论文利用了平面板单元( 即薄 板单元) 来近似壳体单元的几何形 状，得到了简化计算。 首先定义平面薄板单元。 壳体假设离散化 图2 1 导出壳体单元两种方案 研究厚度h 等于常量的等厚度薄板时，以平分板厚的中面作为坐标面矽，以 任意一根垂直于中面的直线为z 轴，建立右手坐标系。若薄板受到平行于板面且 沿板厚均匀分布的载荷作用时，是平面问题；若薄板受到垂直于板面的横向载荷 作用时，就是薄板弯曲问题。 对于这类薄板弯曲问题，本论文采用了由试验现象中提出来的一些附加假 设，使问题得到很大的简化，且分析结果又能被试验所证实，这些假设是： 1 ) 直线法假设中面法线在薄板变形后仍垂直于弹性曲面。在垂直于y 轴的截匝内，变形前的法线，在变形后仍垂直于变弯了的中面。这是关 于薄板变形的几何假设，与直梁纯弯曲时的平面假设相似。 8 第2 章前桥精确有限元模型的建立 2 ) 假设薄板中应力分量仃：和应变分量8 z 可略去，也即假设在平行于中面的 各个平面之间无挤压作用和板厚不变。这相当于纯弯曲梁中各纵向纤维 之问无挤压力作用的假设。 3 ) 薄板弯曲后，假设中面内各点没有平行于板面的位移，也即假设中面是 一个只发生弯曲变形而不发生伸缩的中性层。 而在壳体的分析计算中，薄板的主要计算假设仍然适用。但是，壳体的中面 是曲面，其主要变形状态与薄板有很大不同，除了弯扭变形之外，还存在中面的 拉、压和剪切变形。因此，壳体单元中的内力包括了弯扭内力和中面内力两部分。 而在线弹性小变形条件下，壳体单元中的应力是平面应力问题和弯曲问题的叠 加。 2 1 2 2 一般体问题的有限单元法 对于空间问题来说，主要的单元类型有：四面体单元、正六面体单元、五面 体三棱柱单元及空间等参元。四面体单元是最早提出来的空间单元，它的单元刚 度矩阵比较简单，也能适应复杂的几何形状，但由于内部应变是常量，必须采用 大量密集的单元才能取得较好的结果。正六面体单元和五面体三棱柱单元只适应 于规则几何外形的结构，难以模拟复杂的工程结构，目前应用较少。空间等参 元与二维等参元一样，既具有较高的计算精度，又能模拟复杂的几何边界，故得 到广泛应用。在塑性有限元计算中，要求解非线性方程组，需要进行多次迭代， 计算工作量比较大；另外在非稳态变形分析时要修改边界条件和重新划分单元， 故复杂单元处理起来不太方便。因此，用塑性有限元分析金属成形过程时不常 用高阶单元。在金属体积成形的三维有限元模拟中，要求单元既要有一定的“刚 性”( 即抗畸变能力) 以避免频繁的网格重划分，又要有一定的“柔性”( 即良 好的变形特性) 以准确地模拟变形过程，还必须有较高的计算精度。在体积成形 三维有限元模拟中常采用四面体和六面体单元。大量计算结果表明：六面体单元 由于变形特性好、计算精度高等优点而在很多三维有限元模拟领域中得到了广泛 的应用。另外，采用六面体单元进行三维有限元模拟可采用较少的网格重划分次 数达到较高的计算精度。故六面体单元是金属体积成形过程三维有限元模拟的首 选单元。因此，本文采用六面体等参单元网格系统对前悬模型进行有限元模拟。 三维六面体网格划分主要有以下几种： 1 ) 有限八叉树法一这种方法是首先将目标区域用尽量小的立方体圈定， 然后把这个立方体分解为八个子区域，对每个子区域测试其是否完全落 在目标区域之外，或是否满足密度控制要求，若满足则停止对区域的细 分，否则细分下去，递归执行直到达到预定的要求。本方法划分的网格 在边界处质量差，生成的网格不唯一，和所选的坐标系有关 9 第2 章前桥精确有限元模型的建立 2 ) 正则栅格法一将一包含目标区域的三维正则栅格放置在目标区域上 面。除去落在区域外的栅格单元，并将与区域边界相交的栅格单元进行 调整或剪裁，然后再在栅格边界单元和区域边界之间生成六面体网格。 本方法和有限八叉树法类似。 3 ) 超单元映射法本方法是先将目标区域分解为更简单的子块( 六面 体) ，即超单元，然后用2 0 节点等参元形函数将子块映射为局部自然坐 标表示的单位正方体，指定沿每个局部坐标轴的划分数，单位正方体被 划分为更小的单元，这些小单元被映射回子块，生成实际的单元。本方 法一般需要人工划分复杂实体成子块，很难实现网格的自动划分。 4 ) 模块法一实际上也是映射法。首先根据分析区域内的几何和流动特性， 将分析区域划分为数个带，每个带对应于一个预先定义好划分方法的模 块库中的一个模块，从模块给定的边界坐标值生成内部节点和单元，然 后从整体上构造单元和节点。本方法一般需要人工干预。 5 ) 四面体转换法一将三维区域上自动生成的四面体网格，通过适当的方 法自动转换为六面体，即将一个四面体划分为四个六面体。本方法是把 四面体直接划分为六面体，因而生成的网格质量一般。 回扩展法先在三维实体的某一个面上生成二维四边形网格，然后通过 旋转扩展或拉伸扩展生成三维六面体网格。此方法划分的网格质量比较 高，但仅适合于一些形状比较规则的实体。本文主要采用此种方法。 图2 2 毛坯六面体单元生成 如图2 2 所示，先将一个面划分成四节点四边形单元，然后通过扩展将该面 上的所有单元旋转3 0 0 后即可得到质量较高的六面体单元。 第2 章前桥精确有限元模型的建立 2 2 副车架有限元网格离散化 2 2 1 副车架几何模型的导入和离散化前处理 现在市面上流行了很多优秀的有限元计算软件。譬如p a t r a n n a s t r a n 、a n s y s 等，这些计算软件不论是从有限元计算的前处理还是算法以及后处理都已经发展 得非常成熟。在这次研究中，本论文采用了p a t r a n n a s t r a n 。这套软件在刚体结 构力学分析上有着自己的优势，它是美国航天局使用的有限元仿真软件。p a t r a n 部分是这个软件的前、后处理器，n a s t r a n 部分是计算器。 通过在c a d 软件中建模，获得了研究副车架的精确几何模型，由于要通过 p a t r a n 的i g e s 图形数据接口，需要将几何模型转化为i g e s 格式模型，这是一 种通用的图形数据模式。通过p a t r a n 的图形数据接口，在p a t r a n 中获得了由点、 线、面构成的精确副车架模型。如图2 3 。 图2 3 副车架精确几何模型 这个模型是提取了副车架内、外表面组成的模型。由于副车架基本是左右对 称结构，为了节约资源，先对副车架右部分进行操作。并且对副车架上许多对应 力分布以及车架结构不产生影响的部件予以忽略。而对于一些对于整体结构影响 不大的曲面、凸台、工艺孔进行合理简化。在这个模型中，没有实体。由于将会 用壳单元对副车架进行离散化，因此应该选择一个表面进行划分。在理论上应该 是提取副车架各个板中面。这样才能满足有限元壳体单元假设理论。 为了计算以及后处理方便，提取了外表面进行有限元网格离散化。由于导入 1 1 第2 章前桥精确有限元模型的建立 和提取过程中，不可避免的要出现一些线、面丢失以及面之间边界脱离，在有限 元网格离散化时，这些问题将会产生致命错误。因此通过p a t r a n 中提供的一些几 何修复功能，最大限度地在几何阶段优化我们的有限元模型。最后得到了较为理 想的几何模型。如图2 4 。 图2 4 副车架外表面几何模型 2 2 2 离散化网格模型的建立 2 2 2 1 离散化前准备 副车架是由多块钢板焊接而成，由于结构上的要求，各块钢板厚度都是各不 相同。这就要求在计算中对各个部件的壳单元定义不同的厚度。在p a t r a n 中，提 供了“组”这种概念，这样可以对不同厚度的钢板进行分组，并且分别划分网格， 各自定义属性。 根据副车架的结构，初步将副车架分为了8 个组，为：副车架主体、车体支 撑衬套、摇臂支撑架、发动机支撑架、内加强筋、摇臂支撑肋a 、摇臂支撑肋b 、 附属结构。如图2 5 ： 第2 章 前桥精确有限元模型的建立 图2 3 副车架几何模型分组 各个组钢板厚度如表2 1 ： 表2 1 副车架各部件厚度 组副车架车体支摇臂支发动机内加强摇臂支摇臂支附属结 名主体撑衬套撑架支撑架筋撑肋a撑肋b构 厚 2 5 m m2 5 6 r a m2 i m2 0 4 m m2 6 6 m m2 1 6 r a m2 0 8 m 1 5 8 r a m 度 2 2 2 2 离散化网格模型的建立 在几何模型的优化之后，可以根据分组情况对副车架模型分块进行离散化。 有限元的计算精度很大程度上取决于有限元计算模型，模型必须如实反映副 车架结构。一般来讲，有限元模型建立应该遵循以下准则： 1 ) 在保证计算目的和精度的条件下，控制单元数量；在实际建模过程中可 以考虑采用局部细划网格，或者建立结构子模型以减少单元划分数量 合理选择单元类型，减少输入数据量和计算时间。 3 ) 计算模型中不能允许有危形结构和局部机动变形。所谓危形结构，就是 指受到很小的载荷作用就会产生非真实大内力响应的结构。如一个拉得 非常平直的绳子受到横向力作用就是典型的危形结构的例子。所谓局部 】3 第2 章前桥精确有限元模型的建立 机动结构，指受到很小的作用力，即可产生非常大的不真实变形的结构， 如一组平行四边形状的四连杆结构。这类非弹性结构在机构运动学中可 能存在，但在结构弹性体中是不允许存在的。因此要在计算模型中小心 分析，使之得到有效的约束。 4 ) 避免病态方程。在有限元计算中，如果遇到两个方程系数的差值过大( 一 个非常柔弱的结构和一个很霞g 硬的元件相连按时就会产生这种情况) ，计 算中会出现两个大数减法，这就大大损失计算精度，有时会得出错误的 结果。这就是数值计算理论中的病态方程。 p a t r a n n a s t r a n 提供了多种壳体单元。包括六种四边形壳体单元和六种三角 形单元。所选取的是四节点四边形单元和三节点三角形单元。如图2 6 。 图2 6 选取的两种壳体单元 p a t r a n 小a s t r a n 提供的这两种s h c n 单元综合了平面应力板单元和受弯曲的薄 板单元的共同特性，可以承受平行及垂直板中面的载荷。这种单元每个节点有6 个自由度，也就有6 个节点力分量。可以计算大变形。综合利用这两种单元，可 以较好地模拟实际几何形状与尺寸，同时在计算精度上也可以得到较好得效果。 通过观察可以发现，副车架主体部分并不是完全对称的，而焊接上去的附件 是两边一样的，因此为了表现出模型相应的对称特性，同时也为了提高效率，对 于对称的地方采用了镜像的方法，在镜像之前先对网格质量进行了调整。其他的 部分则单独进行补全，并保证单元连续。 副车架实质上就是有多个部件组成的焊接件，因此，焊接的模拟就是一个比 较重要的方面。对于汽车制造来讲，通常焊接有点焊和线焊。而线焊又主要有c 0 2 焊接、激光焊接和压缝。对于点焊，大部分的有限元计算软件都设计了相应的 m p c 单元进行近似模拟，他们通常是利用一个刚性杆单元模拟相应的焊点。从一 定意义上说，这种方法取得了很好的效果。但是对于线焊接，基本上没有特定的 处理方法，最为普遍的方法是通过节点的拉合来建模。但是这种方法完全抛弃了 焊接焊缝处材料力学性质以及具体形状的改变，因此很可能会忽略一些应力细 节。经过参考一些资料以及讨论之后，最后决定直接以面单元来模拟。为了保证 焊缝单元与其它单元之间能够连续以及单元形状的规则，在最初划分网格之前通 过添加硬点、硬线等的方法划出焊缝所在的区域，这样可得较为理想的单元，如 1 4 第2 章 前桥精确有限元模型的建立 图2 7 ： 图2 7 面单元模拟焊缝 装配的连接点以及载荷约束的施加点用w 舻c 单元来模拟等效，因这些地方的 结构强度远大于其他部分的强度，所以单元类型选择了r b e 2 。这种单元可以将 i n d e p e n d e n tn o d e 上所受的力平均的分配到d e p e n d e n tn o d e s 上。如图2 8 ： 2 2 3网格质量检查 图2 8r b e 2 单元 网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度，质量太差 的网格甚至会中止计算。在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质量网格， 即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。面在结构次要部位，网格 质量可适当降低。 1 5 第2 章前桥精确有限元模型的建立 根据有限元理论和长期以来有限元计算工程师们积累下来的经验，本论文对 有限元网格提出了一定的要求，要求三角形单元比例在整个网格中所占比例不超 过3 。对单元形状也提出了一些基本要求。 三角形单元：长宽比( a s p e c tr a t i o ) 5 ，倾斜角( s k e wa n g l e ) 6 0 度； 四边形单元；长宽比( a s p e c tr a t i o ) 5 ，倾斜角( s k e wa n g l e ) 4 8 度，翘曲角( w a r p i n ga n g l e ) i i 度，锥度( t a p e r ) 七0 5 。 在h y p e r m e s h 中有工具可检查网格的各项指标，在设定了临界值之后可查找 出不合格的网格。然后使用软件中网格自动优化( e l e m e n to p t i m i z e ) 和拖拽节 点( p l a c en o d e ) 等工具将网格修改到合理形状。对于一些很难通过改变网格形状 提高质量的网格，采用手动对其进行拆分与合并的操作，可有效将其提高到所要 求的质量。模型单元调整后的最终质量检查结果见表2 2 ： 第2 章前桥精确有限元模型的建立 表2 2 单元检查结果 不合格率 指标参数 临界值实际值临界值实际值 ( 1 0 )( )( o )( ) w a r p a g e57 3 1 0 0 3 a s p e c r50 1 00 s k e w n e s s 7 005 50 m i na n g l e ( o u a df a c e )4 004 5o m a xa n g i j 巳( q u a df a c e )1 3 0o1 3 5o m i n a n g t e ( i p , j af a c e ) 4 0o 4 5o m a xa n o l e ( t m af a c e )1 3 00 1 3 50 三角形比率 0 6 在结束了所有网格离散化的工作以及对单元质量进行检查调整之后便得到 了完整的副车架有限元模型。如图2 9 2 1 0z 圈2 9 副车架网格离散化模型( 俯视) 1 7 第2 章前桥精确有限元模型的建立 图2 1 0 副车架网格离散化模型( 侧视) 根据统计，模型共形成了4 8 4 7 7 个单元体，4 9 0 3 2 个节点。其中，四边形单 元4 8 1 6 6 个，三角形单元3 0 1 个，m p c 单元1 0 个 模型中主体及各附件单元的厚度根据实际测得的值来定义。 最后，还要定义材科属性。前桥为s t 3 7 号钢材焊接而成，从手册和材料数 据库中可以找到s t 3 7 号钢的各种材料特性。弹性模量：2 e 5 m p a ，泊松比：0 3 ， 密度：7 8 e - 9 t o n m m ，拉伸极限和压缩极限分别为5 9 1 6 8 m p a 和1 7 7 5 m p a 。 焊缝的材料特性将其泊松比定义为o 2 7 ，其他一样，而其厚度，贝i j 定义了2 m m 。 2 3 副车架有限元模型验证 在模型建好之后，为了检验此模型是否可靠，有必要对模型进行验证。验证 的方法为模态验证。通过实际试验的结果与仿真计算结果比较从而判断出模型的 可靠性，为后续计算结果的可信性提供保障。 2 3 1模态验证 2 3 1 1试验目的 1 1 试验分析得到副车架的前1 0 阶模态的模态参数； 2 ) 试验分析副车架的动态振动特性； 3 ) 为副车架的有限元分析计算模型的修改提供可靠依据 第2 章前桥精确有限元模型的建立 2 3 1 2 试验测量和分析系统 试验测量分析系统由三大部分组成：试验激振系统，响应拾振系统，模态分 析和处理系统。其中试验激振系统包括：0 ) l m ss c a d a s ms c 3 1 6 w 的q d a c 信号发生模块、功率放大器和激振器：( 2 ) 响应拾振系统包括加速度传感器、力 传感器和l m ss c a d a s us c 3 1 6 w 信号放大和智能采集系统：( 3 ) 模态分析和处 理系统主要是l m s 模态分析软件t c s t 1 a b 。具体的组成方式如图2 1 1 和图2 1 2 所示。 图2 1 1 模态试验测量分析系统模型 第2 章前桥精确有限元模型的建立 图2 1 2 副车架模态试验测量分析系统 2 3 1 3 试验方法 采用多点激振多点拾振的方法。同时在副车架侧向( y ) 、垂直方向( z ) 两 个方向进行激振和拾振。每一批拾振传感器为3 4 个，共分两大批完成，每批又 分为x 、y 、z 三个方向分别拾振。通过移动传感器分批进行测量，虽然大大增加 了试验工作量，但可以减小传感器附加质量的影响，提高测试精度。由于使用的 是p c b 的加速度传感器，该传感器的质量和体积非常小，不需要用磁座安装， 大大减小了附加质量的影响，从而迸一步提高了测试精度。被测副车架采用悬吊 安装方式，悬吊频率为l 2 1 - i z ( 由副车架有限元模型模态分析可知其一阶固有 频率在6 5 h z 附近) ，使用橡皮绳在副车架与车身安装位置处将其悬吊起来。根 据有限元初步分析的结果，在确保避开副车架振型接线的前提下，确定了激振器 的安装位置( 试验证明此方法行之有效) 。其中悬吊方式及激振器的安装位置如 图2 1 3 。2 1 5 所示。 试验中主要研究6 0 0 1 - 1 2 以下的低频模态，采用脉冲随机信号( b u r s tr a n d o m ) 激振，其信号采集时的采样频率为1 5 0 0 h z ，信号平均次数为1 0 0 次( 谱分析精 度为0 9 ) ，采样时间为4 0 0 s 。 第2