（车辆工程专业论文）基于知识的车身静力学分析导引.pdf

摘要 摘要 近几年，随着计算枧技术的发展，c a e 软件在汽车开发过程中应用越来越广 泛，尤其是在车身的应用上。利用h y p e r m e s h ，n a s t r a n ，a n s y s 等c a e 软俘可 以对车身进行静力学分析，模态分析等。这改变了传统的汽车开发流程，缩短 了产品豹开发时闻，降低了开发成本。 车身静力学分卡厅包括弯曲和掇转两种工况，是评价车身质薰最重要的指标。 在车身开发过程中，需要多次使用c a e 软件进行静力学分卡厅。为了便于用户的 操作，简化分板过程，本谍题以车身静力学分析的试验标准和经验为基础，确 定了车身静力学分析的方法。邋过对h y p e r m e s h 进行二次开发，建立了车身静 力学分卡厅导引，用以指导用户完成整个分析过程。并以国内某车型为例，验 正 了本导弓| 的可行性。本导引实现了通用c a e 软件在汽车领域内的专业化。 关键试：自车身，静力学分橱，h y p e r m e s h ，二次开发 a b 瓣a c r a b s t 糕a e t mr e c e n ty e a r s c a es o f t w a r ei sw i d e l ya p p l i e di n d e v e l o p m e n to f v e h i c l e a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e ，e s p e c i a l l yf o rc a rb o d y m a n y c a es o f t w a r e ，s u c ha sh y p e r m e s h , n a s t r a n ， a n s y s ，c a nb eu s e do ns t a t i ca n d m o d ea n a l y s i s b yt h i sm e a nt r a d i t i o n a l d e v e l o p m e n tp r o c e s si sc h a n g e d ，t h e e f f i d e n c yo fp r o d u c td e v e l o p m e n ti si m p r o v e d ，t h ec o s to fp r o d u c td e v e l o p m e n ti s r e d u c e da n dt h ep e r i o do fp r o d u c td e v e l o p m e n ti ss h o r t e d 。 s t a t i ca n a l y s i so fb o d yi nw h i t ei st h em o s ti m p o r t a n ts t a n d a r dt oe v a l u a t et h e q u a l i t yo fc a rb o d y , i n c l u d e sb e n d i n ga n dt w i s t i n g c a es o f t w a r em a ym a n yt i m e s u s e dd u r i n gt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fc a rb o d y t of a c i l i t a t eu s e r so p e r a t i o na n d s i m p l i f ya n a l y s i sp r o c e s s ，t h e t h e s i sa c c u m u l a t e sr e l e v a n tr u l e s ，s t a n d a r d sa n d e x p e r i e n c e ，d e t e r m i n et h em e t h o do fs t a t i ca n a l y s i so fb o d yi nw h i t e b ys e c o n d a r y d e v e l o p m e n tm e a n sb a s e do nh y p e r m e s hs t a t i ca n a l y s i sw i z a r do fb o d yi nw h i t ei s e s t a b l i s h e dt oi n s t r u c tu s e r s oc o m p l e t ea n a l y s i s 。a tl a s to n ec a r sb o d ya sa l le x a m p l e i sa p p l i e dt ot e s tt h es y s t e m t h eg e n e r a lc a es o f t w a r ei ss p e c i a l i z e di na u t o m o b i l e f i e l dt h r o u g ht h ew i z a r d k e yw o r d s ：b o d yi nw h i t e ，s t a t i ca n a l y s i s ，h y p e r m e s h ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t l i 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，同意如下备项内 容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学圣茏论文的印刷 本和电子舨，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邦分的阅览服务：学校蠢权按有关规定向豳家 有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不戬赢利为髫的的前提下，学校可 以适尚复伟论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：易毗 型i ! 羔曼璺 经指导教师闷意，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： 年月圜年月 西 同济大学学位论文原创性声聪 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导鄂指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明弓 用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任币萼他入创作的、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 由本人承掘。 签名：趸院孪 沙喝年 月了日 第1 牵缝论 ，1 写l 言 第 章绪论 瑷袋汽车楚沿着“褒鼗”“发渤撰”“车身”逐步发展完善遗寒熬。 这在狠大程度上取决予当时晌科学技术水平和物质生活条件。由于汽车与人们的 日常生活息息相关，为了适成各种不阉目的潮闵途乃至车辆的更新换代等，其必 键在予车努f ”。因瑟，车赛王程是汽车工业中簸年轻嚣又发展最遮遽鼢一个分支。 早期豹汽车结构分辑主要是对汽车结构韵经验刿断和试验摸叛。应用经典豹力学 方法进行零部件的材料强度剐鹰计算。面对轿车车身这榉的复杂的大溅连续弹性 体浓说，人我的解决方法就盥褥十分有限，缀难铯褥到霄意义的分孵续构。车身 蘩体力学褥毽足麓在潮捧鑫榉车嚣迸霉亍一系列戆复杂试骏褥黉 2 l 。 1 9 6 6 年美戮的汽车工业部门颁布了公路安全法案釉灏家交通与汽车安全法 鬃，这个法规提出了最早的汽牮安全标准。1 9 7 0 年以屠，随蔫大型计算枫的& 琥， 褥惑羲羧分辑验涯蔻基璃豹汽攀结搀设毒t 零食懿开始弼。露1 9 7 0 年美黧字魏趱结 构分析软 孛程痔n a s t r a n 的出现，找表了种薪豹计算功能。它是一个殛囱羽 户的通用的结构分析程序，使之适用于非专缘的一般设计工程师使用l “。有限元 法邂澎在汽车缝搦分橱闷题中摄示崮强大敬麓力，著占据了投箕重要的遗稼。 弱翁，汽车结构分耩毽涵多方嚣蠹鸯，应露有限元法可强十分精确的分孝厅汽 车结构的静态斧鞋动态特性，n v h 特性，磁拖特性等。嗣前比较流行的大型有戳 元分析软件有：a n s y s ，m s c n a s t r a n ，a b a q u s ，a n s y s ，l s d y n a , h y p e r w o r k s 等。露蘸强势汽车公霉痤楚汽车缮梅分辑鼓拳已经程当警遮，显然e a e 分孝厅还不能宪全代替实物实验，但汽车结构分拆技术已经成为汽攀开发遥程 中捆当重要的环。近几年，随著国内汽车工业的高速发展，消费者对汽车的安 全瞧等要求的携惩，凝内愆汽车链穆分椽技术也套锻大的发展，但还蠢狠长的路 要是。褒代汽车络构分辑技术已经在现代汽车豹设诗领域占摄了熏癸位嚣，成为 汽车计算枧辅勘设计必不可少的重要组成部分。 轿车车身结构分辑的发展怒与轿车的涎生秘发展紧密相连瓣。琥代轿车绝大 多数舔采鼹承载式车身结穆，车龛懿结构巍接影酸轿车的结梅特注，鞫貌，轿车 车舞的结构分析尤为重要。有限元法逐渐在汽车结牵句分橱闯题中显示出强大的能 力，并占据了极其露要的地位。应用有限元方法进行轿车车身结构分辑能有效地 熬决辏车车身缝祷设计数要求p j 。 第1 章绪论 。2 课题的背景和意义 强前，在中国c a d 技术得到了广泛豹应用。随着c a d 技术的普及，c a e 技术也得到了快速的发展。但与c a d 技术相比c a e 技术涉及的内容更多也更 难，对c a e 工程师也有着很离的要求。因此，c a e 技术远远没有得到普及，仅 仅惩限予一些大公司，高校以及一些专业的研究机构。为了推广离性能诗算方法， 普及计算机分析技术，本课题基予h y p e r m e s h 乎台，通过二次开发手段建立了 基于知识的车身静力学分手斥导引( w i z a r d ) ，并按照导引的方式指导普通的车身 设计人员完成车身静力学分孝斥工作，以达到缩短产品开发的周期，据商产品开发 效率，降低产品开发的成本的目的。 在现代轿车的设计开发过程中，轿车车身大多数采用全承裁式结构，这样的 结构可以很大程度上满足结构设计的轻鬃化，满足轿车的操纵稳定性和制造工艺 性等多方两因素的要求。承载式车身几乎承载了轿车使用过程中的所有各种载 蘅，主要包括掇转、弯曲和碰撞载荷镣，在这些载荷的作用下，轿车车身的喇度 特性其有举足轻重的作用。可见，通过对轿车车身弼0 度的研究，来改进结构的设 计，提高弼度是十分重要的p j 。 轿车车身要求能够承担使用过程中的备种载荷，主要包括扭转、弯藏和碰撞 等。轿车车身的冈| l 度特憔反应了车身在燕体上抵抗扭转和弯曲载荷的能力，反应 了轿车车身的蕤体性能。因此，轿车车身剐度分析有着十分重要的意义。因而， 车身结构的静力学分析一囊为鞫内外汽车界掰重视。车身结构静力学分析是其动 态分析的基础。 1 3 国内外c a e 软件二次开发的研究现状 目前，一些大型c a e 软件封i a n s y s 、m s cn a s t r a n 等给用户提供了友好的用 户界瑶、强大的计算分析功能和前后处理功能，能够建立各种复杂的有限元和有 限差分模型。并为用户提供了良好的接口。作为一种强有力的数值分据方法，有 限元分车厅方法在结构分手厅中显示出极大的应用价值，强前应用越来越广泛，包括： 航空兢天、船舶、汽车、木工程、机械电子和生物医学等现代科学的各个领域。 但为这些大型的c a e 软件刚刚进入中国，软件的学习周期较长、完全掌握的难度 较大。对于各个专业的工程师来说，驾驭这些软件并不是一件容易的事情，因为 这些通用的c a e 软件不是针对其体的专业软件，其灵活的设计分析和大量的选顼 反而馒初级用户不知如何着手l “。同时由于工程问题的干蓑万别，每个臻户都有 是己的专照背景和研究方向，丽且工程设计往往需要使用定的强家裁范，不嗣 的国家、地区对潮一炎问题有不同的蠛范，两大型通用软件不会包含具体的参考 餐l 章鳍沦 规蕊。因此，作为遥用的c a e 软俘难免在鼹体专渡上有所欠缺。这就鬻雾将具体 专她上的知识、经验、规范等加以总结归纳，利用计算枫硬件和软件系统所提供 戆臻麓，褒己蠢瓣功麓模块瓣蓥礁上，铮越不嚣戆瘸户鬟求开发纛季密藏戆功麓 模块，即所谓的“= 次开发”，以满足用户的需求。 为此，一些知名的c a e 软件公司为用户撬供二次开发工具。如安懒公司提供 了慰a n s y s 遽行二次秀发熊懑户黧形界蕊设诗语言u i d l 帮参数纯设诗语吉 a p d l 。澳汰尔公霹掇供了为h y e p r m e s h z l 次并发豹图澎赛瑶设诗王其p r o c e s s s t u d i o 和t c l t k 开发语言。m s c 公司提供了模块化结构的编程语言和用户囊定义 工具p c l 语言_ 帮功熊强大的d m a p 语言【鄂。用户可以利用这些图形界鼷设计工具 耱设诗语害，壤摇裔身嚣萤豹需要，舞发透会本嚣鼗瓣专照诧功耗摸浃。 避垡年，越鬻c a e 技术的快速发展，一黢大型c a e 软传公司纷纷捺出了塞己 在器个行渡的专用模块。安世公司先后推出了包含具有深厚的军工背撩的冲击穿 甲爆装分叛专孀显式产燕a u t o d y n ；其套强大黪解决大蕊模工程阕繇靛力骢农 中结构分褥专羯软件a s a s ；满足套种结构流体动力学特性评嵇褶关分孝厅需求的 多体水力学分柝专用软件a q w a 为土本工程分干斥愆制的c a e 软件工具包 c i v i l f e m ；为模其设计人员秘叛戏形工艺入员定制的仿真工具d y n a f o r m ：以 l s d y n a 为求繇器，汽车整车路霞试验及安全性蓊真专耀软 孛v p g 秘为跌落试 验仿真专门定制豹软件d r o p t e s t 。m s c 公顽斑根据各行啦的不同推出了器行业解 决方棠，包括汽牮、航空航天、船舶和通溺机械等。 窿蠹戆c a e 接零超步较晚。9 0 年我寒大登c a e 较箨公司进天中蓬，或在孛鏊 建立办事处，或成立分公司。避两年，璇蛰图内c a e 技零褥到了快速的发展，二 次开发技术得到了一定的发鼹。圈内在对通用裔限元软伴进行二次开发的主要是 高技或磷究枫梅。2 0 0 2 年，全圈压力察器拣准亿技零委员会开发的愿力蜜爨鑫臻 纯分析软件c p v - a n s y s ，在藏肉懿惩力容器懿设诗计冀褥到了产泛鹣纛角扣j 。 它熄运用a n s y s 的a p d l 语言进行开发的。2 0 0 4 年，北京工烛大学工程数值模拟中 心在m s c = | l 京办潦处的支持下在m s c p a t r a n & n a s t r a n 的蒸础上进行了络构优傀 设计较俘鹣二次开发。突蔽了糕絮缮舞截囊缆像、褥繁络秘澎状缆纯、貘绩撬裁 西优化、板壳结构界面优化等6 个模块的开发吼 。4 课题的研究内容 嗣前，国内麴车身静力学分孝斥多采用有限元方法。利溺通用的c a e 软件如 h y p e r m e s h 、a n s y s 和m s c p a t r a n 等进行潮格划分，如载，最质利用各自得求解 器遴行求瓣。经作为汽摹最大帮 睾煞鸯车赛缝秘复杂，鬯食戆零热传缀多。疆缓 采碟传统的方法对翔车身进孝子静力学分孝厅存在着许多润题。 第i 章绪论 ( 1 ) c a e 技术在国内没搿褥到很好的蛰及，仅仅鲻限于高校等麟究槐构。 ( 2 ) 模黧肆入：囊车囊往校包含尼匿个车身零部件。逶零c a e 较 譬挺次只 籍警入一个文静。鼹产导入一个蠡辜巍嚣蘩多次重复戆搽露。 ( 3 ) 网格划分：网格划分蹩车身静力学分孝厅最熏要豹一个过程，浓解结果 缀大稷度上取决予患成单元的艨量。丽滔前寥采用的零u 用c a e 软件提供的些 工爨认为手王翁划分摹元。一个辫车蕊囟车赛逶港惫嚣凡十万令单元。这么多鼹 格黝划分对予瓣户来说蔫一个穰大酌工终蠡。丽显对于鞠户熬要求选滋较裔，努 须对软件比较熟懑，而且肖一定的经验。 毒) 连接：校蛋部传单元划分完成鹾，要将各粼传连接起来。菇翦采震戆 舅法瞧是手王连接，嚣缮瓷楚一令寝大静工俸蘩。霾袭个完整豹骞车身运蘩餐 含几千个辉点。 ( 5 ) 期载方淡：车身静力学分柝包攒驽馥和扭转姆葶 工况。越谶缺少一个 统黪燕载方式。蔼慕惩不鼹酌热裴方式分辑懿婆聚娄然逮不器摇嚣，这缭霆声 带来了缀多不便之笼。 除弭上所述之孙，自车身游力学分析的撼个流程对予用户也有觜嘏高的要 求，楗瓣黪定义以及鑫部俸秘樾释蓐度定义粼给震户带寒了餐丈的工髂漂。 零漾题爨慕苇蘩秘螽辜身为镶，纂予美嗣a l t a i r 公霹鹣h y p e r m e s h 乎塞，进 行二次开发手段，建立基于知识的车身静力濑分析导弓l ，寓现c a d 横溅处理、 提供姆格划分基本标准、确定加黻模式和计辨络粱裙步谱价等功能。主臻磷究虎 察蔻： ( 1 ) 建立车身静力学分橱鼯引； 戳车身静力学分析的试验标准和经验为濑础，确定7 车身静力学分析的方法 愁流耧。 ( 2 ) 疆定潮格鲻分豁形式穰标准，祷供网禧麓努戆麓粥，实璃掰耩嘉动弼 分： 网格燃分是谢限元分析方法中最斑关键黪一步，单元黪壤爨真接关系酬最鹾 嚣冀鞠终暴。率深遂稷撂鑫车努羲实嚣；蘩嚣，蕊鐾了自辜蹇藏接絮分媳话准窝经 验，并鄹用b a t c h m e s h e r 功能，嶷现网格的翻动划分。 ( 3 ) 郝件的逑撩，模拟； 燃努攀元嚣各辫 譬阕憋连接缭矮声带寒了摄大蕊重复酌工捧羹。瓷藏，零渫 瑟慕臻了赣入主逡羧器避行逶撩豹方法，蓠纯鼷户豹搡佟。 熊包涵的关键技术为： ( t ) h y p e r m e s h 二次开发的方法 h y p e r m e s h 援攥了多秘秀发互箕，谴弼产麓够蒋之镤好蠛运溪裂魏有蘸工 d 第1 章绪论 程设计工艺中，便予进行二次开发。本课题采用的是异j 户化定铡工具，即用户可 以利用t c i j t k 语言在h y p e r m e s h 中建立用户化定制方案。 ( 2 ) 掏建知识库 嗣济大学汽车学院有着多年车身静力学分析的经验，总结了车身静力学分析 相关的法规、标准等。为建立牟身静力学分析导引的建立提供了理论和经验上的 支持。 5 谍题綦开究的技术路线 建立车身静力学分析导弓l 是一个基于h y p e r m e s h 进行= 次开发的过程。因 此，在零导引的开发过程中采用了软件开发经常采用的瀑布式模型。瀑布模烈按 照时间顺序分为建立开发方棠，确定需求分析，系统的功能说明和设计说明，系 统的实现，测试以及评审。其流程如图1 1 所示。 图1 1 系统开发流程 第2 章车身静力学分析方法及应用研究 第2 章车身静力学分析方法及应用研究 近几年，汽车的轻量化技术和燃油消耗成为汽车技术发展的新热点，而这些 技术的发展都对车身提出了更高的要求。车身的静力学分卡厅作为轿车车身结构静 态和动态特性分析的基础，越来越为人们所重视。车身静力学分析包括两个方面 的内容，即车身静态扭转网i 度和静态弯睦刚度，通过这鹾释工况得出对车身强度 和剐度的分析结果。现代汽车多采用承载式车身，车身的刚发和强度特性照得尤 为重要。目前对车身进行静力学分析多采用有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 。 首先通过建立数学模型，进行车身静力学分析，得到相关的诗算数据，然后月试 验数据进行对比分析。 2 1 有限元分析方法简介 在汽车c a e 技术中，有限元分析方法占据了极其重要的地位。对予汽车这 样复杂的结构，进行静力学、动力学性能的研究及优化设计，有限元方法被证明 是一种最为成功，应用最广泛的分析方法。工程实际中对复杂结构的分析常常缀 难缮到解析解。有两种方法可以克服这个困难：一种方法楚对复杂的| 、讲题做出种 种简化，提出许多假设，醑避一些难点，最终简化为一个能够瘸传统计算方法解 决的问题。但由于有太多的假设和简化，所得出的结果的准确度和可信度很差； 另一种方法是尽可能保露问题的各种实际情况，试寻求近似的数馕锯，放弃封闭 形式的解析锯，因为近似数傻解也可以满足工程实际需要。后一种方法的工作薰 十分庞大，用传统派计算方法不可能实现，但是在计算机硬件和软件迅遮发展的 今天，屡者已成为比较现实和有效的选择。 2 1 1 鸯限元分耩方法的原理1 5 】 有限元法的蘩本思想是假想把弹一陡连续体分割成数霹有限的单元，并认为相 邻单元之间仅在节点处相连，单元间的载荷也仅由节点传递。根据物体的几何形 状特征、载荷特征、边界约束特征等，选取各毒中类型的单元。节点一般都在单元 边晃上。节点的位移分量作为结构的基本未知量。这样组成有限革元集合体，并 引入等效节点力及节点约束条件。由于节点数目有限，就成为具有有限自由度的 有限元计算模型，它代替了原来具有无限自由度的连续体。这也就是有限元离散 化。 在此基础主，对每一单元根据分块近似的恩想，假设一个简单舱函数来模拟 第2 章车身静力学分析方法及应用研究 其位移分薰的分布规律，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，并转化为用节点位移来表示。再递过廉功原理( 或变分原 理，或其它方法) ，求褥每个单元的平衡方程，也就是建立单元节点力与节点位 移之闽的关系。 最后，把所有单元的这静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，就可以得到熬个物体的平衡方程组。引入边界约束条件届解此方程， 就可求得节点位移，并计算出各单元应力。 由于所有的计算分析都将在这个有限元计算模型上进行，因此，有限元离散 关系到有限元分柝的速度和精度，甚至计算的成败。丽其中单元类型的选择是非 常熏要的一环。这应根据被分析结构的几何形状特点，综合载荷，约束，计算精 度等全圈考虑。在划分单元时，单元的大小要根据精度要求和计算枧的速度及容 量来决定。一般来讲，单元越小，网捂越密，诗算结果越精确。儇是单元越多， 要求计算机容量越大。 应用有限元法求解各种闯题总是遵循一定的步骤，大致如下：先从分析单元 入手，建立每个单元的刚度方程，然后组集各单元以建立整个结构的平衡方程， 求鳃之后，由此获得结构在各结点处的近似数值解答。所以，连续体的露限单元 离散化，单元分析，整体分析，构成了磊限单元法的三个主要内容。下面就以平 蘧三角形单元为例，对有限元法进行简单贪绍。 一睦一 图2 。1 有限元离散 1 连续体有限单元离散 对于平谣闯题，最简单最常用的单元是三角形和矩形单元。例如图2 1 ，是 一个托架，将其划分为三角网格，各单元在节点处用光滑的平面铰相连接，每个 单元所受的载荷也移植到节点上，成为节点载荷。在位移为零的节点处，设置相 应的支座铰链。这样就得出托架的有限单元的计算简图。 2 单元分析 从离散体中任驭一单元。三令节点按反时针方向编号为。，一。节点的坐标 第2 章车身静力学分析方法及应用研究 分别为杠；，y ， 辞，y ， 帆，y 。 1 ) 单元的节点位移和节点力向量 每个节点应有两个位移分量，剡三角形单元共有六个睦由度： “f ，”f , u j , v j ，“m ， 。各节点使移向量可写成 协。 。缸；v ；ti a ，8 。，v ，p ，协。 ：蟊。v 。y c z ， 与节点位移向量相对应的节点力向量为 k 8 。 ty ，f ，亿8 ：，y j f ，k 。 。仁。y ，芦 ( 2 2 ) 在有限单元能移法中，取节点位移作为藻本未知量。单元分析的基本任务 是建立单元节点力与节点位移之间的关系，即： 忙p k a r ( 2 3 ) 其中，溶f 为6 x 6 的矩阵，称为单元的剐度矩簿。 摹元的位移模式 如果弹性体内的位移分鬃己知，刘应变分量和疲力分爨也就确定了。但是单 元只知道几个节点的锭移，还不自巅接求缮应变分量和成力分爨。为此，必须首 先假定一个位移函数。 用单元节点挝移表示单元位移模式，即 ，尹；s 警；诤； m 苫y i 罡，y ) ，。x ，y ，& 0 ，y ) “窘_ ) ，虬。0 ，y l p ，e 式中眠，m 分别由下式轮换得出： ：& ，y ) = ( 口；+ 玩x + c y ) 1 2 a ( 2 5 ) 其中 口。b y 。一x 。y ，j 魏一y ，一y 。，c = z 。一x ， a ，= 扛。y f x i y 。 b ，。y 。一y ，c ，一算f x 。 n 。= i x t y | 一x j y t xb m y 一y i ，c m x i x i a 为三角形面积 ( 2 6 ) 式( 2 3 ) 也可以简写成： ，y = 四，h v ，砜弘 8 一 弘) 2 ( 2 ，) 式中，为二阶单元矩降。这里的n i ，m 是坐标的连接函数，它反映单元 8 第2 章率赛葵办学分辑方法爱应用研究 煞沁，y ；) 一毛n ，酋；，罗；一馥n m ( x t ，y ；= 0 ni，y，)；o，：&，y，)一l以往，y，)。o,(x 眠仁，y ，j * 0 ，n j 0 。，y 。) = 0 ，n 。x 。，y 。) = l 3 】擎元翼发楚薅 ，。 耋 2 瓤，爹! 襄，教 = 瘩：耋；呈 s 缮，s ， m * 慝叫寸邻 0 各，0 0 c j o c ，oc 卅| 珐可c 肿j 简留为： 拼m 嘲姆 箕中： n o 陋j 陂阪丑 显 ( f ，m ) ( 2 9 ) 翠。l 谚 f 2 1 1 ) f 2 1 2 ) 矩阵p j 称为常应变矩阵。它的元素鄱怒只与单元的几何性质脊关豹常量， 单元陡器点的应变分量也都为索鳖。 擎元应力与革元节点整移鹣关系 。f d 静 = 扣x p = 西噩a 8 ， ( 2 ，1 3 ) 上式邸为荜元应力与单元节点位移之阔的关系。p j 弥为应力矩簿。不难番 窭，应力矩簿静元素瞧为零譬。这载楚滋，在簿一蕈元中，应力分鳖凌是常爨。 其中应力短簿 9 玲椎以即如办 壤o 嚷 _，。lll-l，i，t。-t 上弘 需 毽 第2 章车身静力学分析方法及应用研究 墨 一陋工8 l o p ，】b ，j 陋。i 对于平瑟应力问题： 阱不e 而 6 ： 庙 1 一“ - c z 昭f c ： 生竺b f 2 1 4 ) 对于平面应变闯题，只需在上式中以露 l p 2 ) 代e ，以p ( 1 一) 代，即 可。 图2 2 ( a ) 表示了作冈予单元e 上的节点力 f 8 以及响应的应力分量扫 ， 它们使单元处于平衡状态。假设单元节赢发生虚位移恤 8 ，相应地，在单元内 g f 起的廉应变为如# = 陲。黯，却，】，如图，2 署( b ) 。 现在作用于单元主的外力只有单元节点力妒r ，它做的虚功为 w ；f 6 a 灯坩 ( 2 。1 6 ) 整个蕈元体殿交能增量 露一硝协扩p 扭哟 ( 2 1 7 ) 其中h 为单元体厚度 所以穆 令 可得 陋r ， f ra 肼协 ) 7 扣扭蚴 暖 = 庐y 【d p j l 蛐 医 ；p r f d p m 1 0 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 第2 露孳骞静力学势辑方法及应用研究 即是单元的弼4 度矩阵。 3 整体分孝厅 襞椽豹熬髂分搴厅毽食掰袋意愚： 其一，整个离散体系的备单元在变形搿必须在节点娥协调地连接起来。即与 某节点f 相连接的丹个单元，焱该点处必缀热有相同的节点位移( 节点徽移连续条 譬1 ，琢 话；1 。豁；2 = 协i ” 一 a 0 其二，缀成离数体的各节点必须满足平衡条件。即对予体系上与巢一节点i 鑫 按耀连的所有备对于作用予该节点土的节点力，应与作用农该节点上的节点载稽 保持乎衡。嚣 茏轵。卜豫 一0 这娶，袭示纛接与节患f 掇连接静濒蠢单元求秘。协。 为单元k ) 衣节蠡 f 的节点力向鬃，即识。 ；瞄，。x 。j 。诹 一融月州r 为节点f 的节点载荷总向 黛，通常它应磐予备单元在节点齄的等效节点载荷向爨的帮，帮协 一羔像。 。 毽如粟节点f 溺鼯还有赢按终髑于其上的策中力照 。眩；9 0 ，剿在该节点处 的缩点载萄总量为 r 一协8 + q ； 。 逶过鏊薅努褥，建立臻终点霞移表示蘩个离教钵蓑瓣乎繇方程缀，翟可获缮 备缡点的位移。 综上所述，有限元法求解过程可概述为：弹性连续体的离教优一选择单元位 移骥式一单元力譬特洼分疆一整傣分辑，缝建绩蕊憨瑙瘦方罄一约寒处瑾并求鬃 总剐度方程一计簿单元瘟力并她理计算结裳。 2 2 有限元方法酶分析步骤 如图所示，有限元方法根据执行的先届顺序可以划分为前处理( p r e p r o c e s s i n g ) ，求解( s o l u t i o n ) 和后处理( p o s tp r o c e s s i n g ) 。前处理包食模型的导 入，瓣楱裂分，定义季喜籽，定义逮爨条 孛等。求瓣爨辇攀元嚣g 废矩薄弱诗冀，系 统外力向量的缀合，线性代数方程的求解瞄及通过资料发算法求应力、应变等。 后处理是指将求瓣的结果如位穆、应力等数掇通过图形接口以云图等形式表示出 来。佟为蠢聚元分援綦礁的麓处理技术，有陵元瓣硌趔分技术鞫有辍元建模技术 越采越受到分辑人员豹重疆。掇统诱，毒隈元翦处理要占整个分孝厅流稷8 0 熬对 第2 耄率骞静力学分橱方法及瘟用研究 闻，丽且计算结果的准确健嘏大程度上依赖于网格的质鬣。 第2 章李骞静办掌分辑方法及斑露掰究 黼2 3 有限元分橱的步骤 2 。2 毒隈元方法崔车身静尖学分毒嚣方蘸的应用 现代汽车尤其怒轿车车身大多数采用全承载式络构，这样的结构埘以很大程 发上减轻车身敬威餐，扶露提离攀辍的操纵稳定瞧秘动力性等。键承载式车身尼 乎承载了轿车嫠瘸过程中浆所有各耱载祷，主要毽瑟瑟转、弯嫠帮殛接载蒋等， 在这些载荮的作用下，车身的刚艘特性爨有举足轻重的撵用。车身剐魔藏接影响 车辆的安龛憔，n v h 性能，燃油缀济性等关键性指标。掰以，车身静力学分柝 毒彗为牵身动态分孝厅懿基懿，邑缀爨穿予车身缭褥设诗戆全道翟，对车襄酶缨稳设 计越獬了很熏簧的指导作用。 车身是由许多单元( 例如杼件，板和实体等) 所组成的整体，这些单元缄承 受载耱，蓑承传递竣翡。豳予鬟完成器蠡独特酶功能，它们鲍结构冬不楣弱，并 飘酃援：较复杂。蠢隈元法囊予英熊够解决绪擒形状帮边癸袈 牛都龚常任意的力学 阀题的独特优点掰被广泛使用与车身静力学分析。 根据奄限元方法的分李居步骤酾h y p e r m e s h 软件熬功能，本文总结了岛车赛 静力学分辑掰纛究成酶吝矮蠹容，建立了车身静力学分褥流稳。磐蓬2 4 琚示。 第2 章车身静力学分析方法及应用研究 图2 。4 车身静力学分析的漉程 1 4 第3 露软传赍绥取= 二次并发方法 第3 章软件介绍和二次开发方法 3 1h y p e r m e s h 功畿介绍 h y p e r m e s h 怒一个离效的肖5 受元蘸羼翅疆器，熊够建立各种复杂模型鼢鸯限 蠡帮蠢鞭差分摸遂，与多释c a d 窝c a e 软件畜嶷强鹣接盈并其骞窝效豹网捂 划分功能。h y p e r m e s h 是一个针对窍限元主流求解器的离髓能有限元髓聪处理软 件，工稞设计人员可以在一个极佳的交互式可视环境下对多和设计条粹进行分 橇。h y p e r m e s h 瓣鹜形弼户赛露易予学习，霹黻壹袋镬掰c a d 足餐数摄蠢蠛存 的有限元模黧，从丽减少辩期豹冗余数据。篡先进的后处攥工奂可以方便镳曩示 复裂熟模拟绩栗，并使之易予瑷解。 h y p e r m e s h 邋过输入输爨功能，可以溺读嚣静避内主要豹c a d 软件斡数擐 捂式，骏囊畿育戳元摸纛。恋h y p e r m e s h 串骞一系列豹王爨，毒戳髑来麓输入 的几何实体进行滴理或修补。所输入的几何模烈中如含鸯面的信患，以及含肖缝 缀，爨叠和不对齐现象，这就会妨碍网格自渤划分器生成高晶质的嘲格。通过消 除不对齐小强，逶避对摆部露溜熬逸赛进行耱铆，霹爨在模婺更大、煲广戆嚣竣 肉划分丽格，从黼提高整体潮格划分的速度和质量。 a l t a i r 公司在_ 睽= 界范围内与先导的c a d c a m 软件供应商建立了紧密丽熏要 熬合撵关系，傈试髑户在同步的工程琢壤下从一个或多个c a d 系统中获取c a d 信息。u g n x 、p r o e 、s t e p 、i g e s 、p d g s 、d x f 、s t l 、v d a f s 等格式， 支持u g 动态装淑，并可设定几何容差，修艇几何模型，同时支持i g e s 格式输 出。模型浏览功能肖效管理复杂几俺合有限元装配模型。方便灵活的几何清理功 能支持多耱臣谤纯秘人工讫瓣凡俺渍瑾功能，各罩孛缝隆缝合，笺杂澎瑟答搴 ，去 除鞫关倒角、空澜等功能，阻殿薄壳实体中掰抽取功能。 h y p e r m e s h 支持多种求解器输入输出模式，与主流求解器无缝集成。现在可 支持l s d y n a 、a b a q u s 、o p t i s t r u c t 、r a d i o s sb l o c k 、a n s y s 、p a m c r a s h 、 n a s t r a n 、m a r c 、m a d y m o 、e m o l d 、m o t d f l o w 等主流求解器。除此之辨，还 具有很强的灵活性，可通过一熬套输出模檄谬畜和c 语言痒赖开发输入数据转 换器，从两可以支持其它求解器。 h y p e r m e s h 为各个求瓣器定麓专犍爨鬣，懿a b a q u s 、l s ，d y n a 3 d 、a n s ；y s 接触向等定义可针对汽车碰撞的安全带和气囊等专波模块。它的可编辑式卡片菜 单输入可与求解器无缝集成。用户可以根据需要开发求解器模板。 h y p e r m e s h 为耀户爨供了一套完善瑟又鬓予捷耀瓣王矮程謦。矮产哥戳蠖爝 各种网格生成工舆及h y p e r m e s h 蹲格寤动划分模块来剑建= 维鞠三维商限元模 第3 章软件介绍和= 次开发方法 型。h y p e r m e s h 中具有几何型面的网格自动划分模块，为用户提供了一套可靠的 网格划分工具，并使用户能够对每个面( 或每个黼的边缘) 进行网格参数调节， 而且可以调节单元密度、单元偏置梯度、网格划分算法等。 h y p e r m e s h 能够用一阶和二阶四面体单元对一段封闭嚣域自劝划分出嵩晶 质的单元，还提供了多种三维单元生成方式来构建嵩质薰的四面体、六顽体网格 和c f d ( 计算流体动力学) 网格。用户霹以根据结构情况和c f d 模型的实际需 要来擦制单元的划分、选择边界浮动的或固定边界的三角形单元重耨对局郝送域 划分网格。h ”e r m e s h 提供多种形式的网格质量枪鸯菜单，使用户可以实时控制 单元质量，另外还提供了多种潮格质黧修改工具。 h y p e r m e s h 提供了多种焊接单元生成方法。其中，利用c o i l i l e c t o r 进行大规 摸自动化焊接单元转化，大大减少了手工单元生成的操作，同时各类焊接单元质 量检查工具可以让用户少犯错误。h y p e r m e s h 支持由嘲格赢接生成几何进行二次 有限元建模，并可以施加多种约束，设定变形轨迹。 h y p e r m e s h 提供了一整套矮处理功能，能够使用户方便精确的理解和分析 复杂的模拟结果。除此之外，还提供了一套可视化工其，使用等势厩、变形结果、 等高线、瞬瓣结果、向量绘制以及用切割蕊轮廓线等方式对结果进行显示。 h y p e r m e s h 还能将变形通过先行和模态方式动态显示。通过这臻功能及发好的用 户界面，可以使用户够迅速找出问题区域，缩短结果评侩所花费的时阆。 3 2 软件应用于车身静力学分丰斥的不是之处 h ”e r m e s h 与a n s y s 、n a s t r a n 同样属于大型的c a e 软件。由于进入中国 时间魄较短，仅毒少篮的英文资料，且对软件的使用人员的专照知识要求比较高， 因而该软件学习的周期比较长，掌握的难度比较大。作为通用软件，虽然有着强 大计算分析能力和前后处理功能，但在车身静力学分孝厅等具体行业上存在着以下 的不足之处； ( 1 ) 由于h y p e r m e s h 是一个具有强大c a e 分析功能的通用软件，包含的 功能模块较多。其灵活的设计分析和大景的选项往往馒初学者难以下手。其采用 的全英文的非w i n d o w s 界露给用户的学习带了不小的难度，常常要为寻找某项 功能而芘费时间。此外，虽然软件的功能比较齐全，但用户在车身静力学分析时 所需的各项功能比较分散，不利于用户的操作。这就要求穰户在使用软件进行车 身静力学分孝斥之前，必须熟练掌握软件的各项功能。同时还要对车身静力学方法 有着深入的了解。 ( 2 ) 通常自车身包含有几百个零部件，几卡稽材料，不同的部件有蓉不同 1 6 第3 章软件介绍和二次开发方法 的材料和不同的厚度，在车身静力学分析前处瑕时，用户必须将这些信息逐个输 入软件中，这种大量重复的操作给熊户带来了许多不便之处。 ( 3 ) 几何清理和网格划分是有限元蓠处理最为繁杂也最为费时的一个阶 段，而且计算结果的准确性在很大程度蹩依赖于网格的质量。撂统计，网格划分 等前处理要占据整个分柝流程的8 0 。舅前用户在这两个阶段主要是根据一定的 经验，靠手工进行操作，因此此阶段不仅对于用户的要求也相对较高，丽且要花 费缀多的时间和精力。 3 3h y p e r m e s h 的二次开发工舆 h y p e r m e s h 提供了多种开发工县，使用户能够将之很好墟运用到现有的工 程设计工艺中，便于进行二次开发： ( 1 ) 基本的宏命令：用户可以创建宏命令，使若干步建模过程自动完成。 h y p e r m e s h 为用户提供了一个u s e r 筒扳，用于用户根据自已的需要建立相关的 宏命令。 ( 2 ) 用户纯定制工具：用户可以利用t c i _ c t k 在h y p e r m e s h 中建立用户化 定制方案。 ( 3 ) 配置h y p e r m e s h 的界面：对h y p e r m e s h 的菜单系统进行熏新布局定义， 是界瑟易予使用。 ( 4 ) 输出模块：通过用户输出模块，可以将h y p e r m e s h 数据库以其他求解 器和程序可以阅读靛格式输出。 ( 5 ) 输入数据转化嚣：可以在h y p e r m e s h 中加入用户自己的输入数据翻译 器，扩充h y p e r m e s h 的接口支持功能，以解读不同的分板数据卡。 ( 6 ) 结果数据转化器，用户可以创建自己特定的结果翻译器，利用所提供 的工具将特定的分析结果转换成h y p e r m e s h 的结果格式。 本系统采用的是第2 种方案，建立用户化定制方案，通过在h y p e r m e s h 中 调用p r o c e s sm a n a g e r 来实现自车身静力学分丰厅的自动化流程。p r o c e s sm a n a g e r 是实现产品设计和c a e 分析过程自动化的工具软件，通过它可以建立类。墟 问题分柝流程标准模板，然压利用此模扳为向导自动实现这类c a e 分析过程。 p r o c e s sm a n a g e r 提供了与其他疲用程序的编程接口( a p i ) ，p r o c e s sm a n a g e r 利 用h y p e r w o r k s a p i s 可以控制所有h y p e r w o r k s 肉的应用软l 孛，刹用其他的a p i s ， 可以窟动第三方的软件包，企业p d m 系统及服务，并建立与他们的联系与通信。 在使用本导引时，用户点击h y p e r m e s h 中t o o l 面板中的p r o c e s sm a n a g e r 按钮， 调用使用p r o c e s ss t u d i o 事先编写好的自动化流程( p m t 文件) 。p r o c e s s s t u d i o 是 第3 章软件介绍和二次开发方法 编制模板的模块，如图3 1 所示。它将标准的设计分析过程制作成模扳，其中的 每个过程的操作任务都是应用t c i - t k ，j a v a 或p r o c e s ss t u d i o 内置的u l 插件 写成的软件模块。本系统采用t c 坍k 语言。 图3 1p r o c e s ss t u d i o 操作界丽 t e l 是一种通用的脚本语言，它几乎在所有救平台上郝可以解释运行。t e l 代 表”t o o tc o m m a n dl a n g u a g e ”发啬为”t i c k l e ”。它实际上包含了两个部分：一个 语言和一个霹。曹先，t e l 是一种简单的脚本语言，主要使用于发布命令给一些 交互程序如文本编辑器、调试器和s h e l l 。它有一个简单的语法和很强可扩充性， t c l 可以创建新的过程以增强其内建命令的能力。其次，t e l 是一个库包，可以 被嵌入应用程序，t e l 的麾包含了一个分卡厅器、用于执行内建命令的例程和可以 使你扩充( 定义新的过程) 的席函数。应用程序可以产生t c l 命令并执行，命令 可以由用户产生，也可以从用户接阴的一个输入中读取( 按钮或菜单等) 。但t e l 库收到命令压将它分解并执行内建的命令，经常会产生递归的调用。t e l 只支持 一种数据结构：字符串( s t r i n g ) 。所有的命令，命令的所有的参数，命令的结果， 所有的变量都是字符串。 此外，当用户打开h y p e r m e s h 时，在起始位嚣的文传夹星会自动生成一个 c o m m a n d 文俘，用户每进行一次功能操作时，在c o m m a n d 文件中会自动生成相 应得命令，这对于用户的开发是很有帮助的，用户可以根据这黛命令编写相应的 程序。在h y p e r m e s h 的界露下提供一个t c l t