（机械工程专业论文）基于有限元法的微型轿车车身结构的动力学研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着c a e 技术的不断发展，以及用户对汽车行驶的平顺性、舒适性、可靠性等动态 性能的要求不断提高，运用有限元法对汽车车身结构的动力学性能进行研究具有特别重 要的意义。 论文对现代轿车车身结构设计方法的发展和特点进行了系统的综述。采用有限元分 析计算和试验验证相结合的方法，对某微型轿车车身结构的动态性能进行了深入的研究 与探讨。 根据微型轿车车身的结构特点，运用i d e a s 软件，建立了车身结构的详细的有限 元模型，对模型建立中的一些问题和处理方法进行了探讨。对所建立的有限元模型进行 了模态分析和试验验证，证实有限元建模的准确性。应用灵敏度分析方法，详细研究了 一些主要零部件的料厚变化对车身结构的模态性能的影响。运用m s c n a s t r a n 软件，利 用道路试验测得的路面激励下悬挂垂直载荷数据，计算了两种车速下微型轿车车身结构 的动态响应，得到了车身结构上某些重要部位的加速度响应，并探讨了车身结构动力学 参数如前后悬挂的弹簧剐度和阻尼等对车身结构上某些重要部位的随机响应动态性能 的影响。 本文所建立的车身结构动力学模型，可应用于先期预测微型轿车车身的动态性能， 为车身结构动力特性的改进提供了理论依据和有效方法。 关键词：微型轿车有限元法动力特性随机响应灵敏度分析 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hc a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) t e c h n i q u e sd e v e l o p i n ga n dt h ei n c r e a s i n g d e m a n d so nt h ev e h i c l e sr i d ep e r f o r m a n c e ，c o m f o r ta n dr e h a b i h t ye t c ，i t sb e c o m i n gm o r e a n dm o l li m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ev e h i c l e sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cb yt h ef e m t h i st h e s i sc o m p l e t e l yi n t r o d u c e st h em o d e r nc a rb o d y sd e s i g nm e t h o d sd e v e l o p m e n t a n df e a t u r e s ，a n dt h e ni n t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e st h em i n ic a rb o d y sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cb y t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h et e s tv e r i f y i n g t h ef e am o d e lo ft h em i n ic a rb o d yi ss e tu pw i t ht h es o f t w a r ei - d e a sa c c o r d i n gt ot h e b o d y ss t r u c t u r e a n ds o m ep r o b l e m sa n dm e a n s a r ea l s od i s c u s s e d i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a m o d e l sc o r r e c t n e s s ，t h et h e s i sa l s oc o m p u t e st h en o r m a lm o d eo ft h em i n ic a rb o d y , a n dt h e a n a l y s i sr e s u l t sa r ev e r i f i e db yt h et e s tr e s u l t s t h et h e s i sd i s c u s s e st h ee f f e c to fs o m ep r i m a r y p a r t st h i c k n e s so nb o d y sm o d eb yt h eo p t i m i z a t i o na n ds e n s i t i v i t ya n a l y s i sm e a n s a n dw h e n t h em i n ic a ri sr u n n i n gw i t ht w ov e l o c i t i e sr e s p e c t i v e l y , w ec o m p u t et h ed y n a m i cr e s p o n s eo f t h em i n ic a rb o d yu n d e rt h er a n d o mr o a de x c i t a t i o nu s i n gt h es o f t w a r em s c n a s t r a n ，t h e b o d y si n t e r e s t e da c c e l e r a t i o nr e s p o n s e sa r eg a i n e d a n d ：t h e nw er e s e a r c ht h ee f f e c to f s u c h s o m ep a r a m e t e ra st h ec a r ss u s p e n s i o n ss p r i n ga n dd a m po nt h eb o d y sr a n d o md y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ci nd e t a i l w i t ht h ef o u n d e db o d y sd y n a m i cm o d e li nt h i st h e s i s w ec a nf o r e c a s tt h em i n ic a rb o d y s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，a n dg i v ei d e a sa n dm e a n st ot h eb o d y sd y n a m i ci m p r o v i n g k e y w o r d s ：m i n ic a r f e m d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cr a n d o mr e s p o n s e s e n s i t i v i t ya n a l y s i s l i 独创- 生声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得帕研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体。 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：主j f 茹起 日；5 h ：2 0 0 5 年，o 月z o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位沧文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密函 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：毒j指导教师签名： 日期：2 0 0 5 年f0 月弓。日e t 期：2 0 0 5 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 随着人们生活水平的提高，以及人们对生活用品质量的要求的提高，人们在购买汽 车时，对汽车的性能、造型、价格和质量的要求也越来越高。因而，为了满足人们不断 增长的要求，也为了降低汽车的生产成本，在汽车的设计和制造的各环节中，就越来越 多的采用一些高新技术手段来实现这一要求。有限元技术的出现，为工程设计领域提供 了一个强有力的计算工具。经过迄今约半个世纪的发展，有限元技术也日趋成熟，在几 乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用。汽车零部件设计是有限元技术应用较 早的领域之一。有限元技术在汽车设计领域的应用，大大提高了汽车零部件设计的可靠 性，缩短了设计周期，降低了设计制造成本，很大程度上促进了汽车工业的发展。 1 1 1 有限元法的发展与现状 有限元法是最近五十多年随着计算机发展而发展起来的适用于各种结构分析的一 种极为有效的方法。它运用离散的概念，把弹性连续体划分为一个由若干有限单元组成 的集合体，通过对单元进行分析和组合，得到一组联立的代数方程，最后求得数值解。 它基本上解决了过去对复杂结构做精确计算的困难。而且，这种方法不依赖于实物。因 此，可以从设计初期开始对设计进行分析、评价和优化。不仅改变了传统的设计方法， 而且缩短了设计周期，降低了产品成本。 有限元方法理论的发展可以追溯到四十年代。1 9 4 3 年美国的r c o u r a n t 教授从数 学分析的角度首先提出了有限元方法的基本观点，五十年代中期，由于分析飞机结构的 需要，从结构力学中产生了结构分析矩阵方法。1 9 5 5 年英国航空教授a r g y r i s 等人运用 有限元方法的思想，成功的进行了结构分析，其代表著作为e n e r g yt h e o r e m sa n d s t r u c t u r a la n a l y s i s 。1 9 5 6 年r w c l o u g h 运用三角形单元进行了飞机的结构分析， 其代表著作为 s t i f f n e s sa n dd e f l e c t i o na n a l y s i so fc o m p l e xs t r u c t u r e s 。六十 年代中后期，各国数学家开始介入对有限元法的研究，奠定了有限元法的坚实的数学基 础。1 9 6 0 年，r w c l o u g h 在其专著 f i n i t ee 1 e m e n ti np l a n es t r e s sa n a l y s i s 中首次提出了“f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ”这个名词，随即获得了广泛的认可。1 9 6 7 年 华中科技大学硕士学位论文 英国科学家0 c z i e n k r e w i c z 与同事一起证明了有限单元法( f e m ) 适用于所有能按 变分形式进行计算的场问题，从而使获得了更为广泛的解释，其应用也推广到更广阔的 领域，其代表作为t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i ns t r u c t u r a la n dc o n t i n u o u s m e c h a n i c s 。 有限元法最早应用于航空工程，现已迅速推广到机械与汽车、造船、建筑等各种工 程技术领域，并从固体力学领域拓展到流体、电磁体、振动等各学科。近些年来，随着 计算机工业的迅速崛起，计算机及计算机技术的迅猛发展，有限元法在几乎所有工程问 题上得到发展和应用，它已经成为一个基础稳固并为大家所接受的工程分析工具。以有 限元法为核心的计算机辅助工程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 ) ，目前可以贯穿汽 车开发全过程。 目前，有限元法在汽车设计中有很多应用，从整车性能上考虑有安全性( 碰撞) 、 空气动力性、振动噪声、动态特性、操纵性及综合特性等方面的分析；在汽车零部件方 面有零部件结构强度、刚度、振动分析、位移、模态、响应分析、冲压成型分析、温度 场、疲劳、锻造、铸造等许多方面的分析。美国的福特、通用公司专门从事有限元分析 的人员都有一千多人，许多零部件总成以至整车在试制前都必须进行有限元分析。 在国内，航天部、一汽、东风汽车公司等国有大中型企业都有专业人员从事有限元 分析工作，但与国外相比仍有不小差距。东风汽车公司c a e 室在汽车整车及零部件分析 方面做了大量的分析工作，取得了一定的成绩。产品设计部门也开展了有限元分析工作， 东风汽车公司已明确规定重要的汽车零部件不经有限元分析不得投入试制。 近几年来，随着计算机软硬件水平的提高，有限元分析技术又取得了许多新的进展。 现在，有限元法不仅用做结构计算，而且与结构优化设计和计算机辅助设计结合起来， 并朝着设计自动化的方向发展。 有限元法作为一种方兴未艾的分析方法，相信在未来的几年里将会为汽车工业的进 步发展做出更大的贡献。 1 1 2 有限元法的基本思想 有限元法的基本思想可概括为“先分后合”或“化整为零又积零为整”。具体说： 就是首先将弹性连续体划分为有限个小单元体( 即离散化) ，它们只在有限个指定的连 接点( 即节点) 上相互连接，用这样的单元集合体来代替原来的连接体，并对整个连续 体引入边界条件；然后，对每个单元选择个较简单的函数来近似的表示其位移的分布 规律，并用弹性力学的基本方程建立起单元节点与位移的关系，最后将所有单元的力学 2 华中科技大学硕士学位论文 特性借助于矩阵方法集合起来得到整个连续体的力学特性。般情况下，这是一组以节点 位移为未知量的线性方程组，解此方程组可得到连续体上有限个节点的位移，进一步还可 以求得各单元上的应力，而且，只要单元的形状和大小适当，就可以获得满意的精度。 1 1 , 3 有限元分析的基本步骤 利用通用有限元分析软件进行工程有限元分析的基本步骤为： 1 ) 对工程问题的力学分析 将工程问题抽象为力学模型的过程，包括了解结构形状、载荷和支承方面的特 点并对某些结构形状、构件的连接和边界条件等方面的简化。这一步工作的好坏将 对整个计算起非常重要的作用。分析结果的成败取决于分析者的力学知识、专业知 识和有限元基础知识，并随分析者经验的积累而越来越准确。 2 ) 实体建模 根据要求建立相应的实体模型。有时由于软件的限制需要对模型有所调整，比 如划分网格之前删除细小的孔洞和倒角。 3 ) 网格划分 根据结构特点，确定单元类型，利用通用有限元软件中的前处理模块对结构进 行网格划分。网格划分的质量决定了有限元分析的计算精度和计算效率。 4 ) 施加边界条件 根据结构的实际工况，选定载荷和约束在网格模型上的施加方法。边界条件的 模拟方法是影响有限元分析成败的重要原因。 5 ) 自动求解 由程序根据结构应用的单元和施加的边界条件自动进行单元分析和整体分析。 通过求解大型得到的代数方程组，得到变形、应变、应力等物理量。 6 ) 可视化的结果分析 利用通用有限元分析软件中的后处理模块给出分析结果。如绘出结构的变形图 及各种应力分量、应力组合的等色线图等。 1 2 轿车车身结构设计方法的发展和特点 1 2 1 轿车车身结构设计应达到的要求 在汽车市场竞争越来越激烈的情况下，各汽车生产厂家为了在国际汽车市场上占据 3 华中科技大学硕士学位论文 一定的优势，都希望能够在最短的时间内制造出性能最优的汽车。轿车车身是轿车的三 大总成之一，车身结构设计历来是轿车设计中的重中之重。为此，制造者在车身设计上 投入的精力越来越大，技术含量也越来越高。那么，如何评价车身结构设计的优劣呢? 早在上个世纪八十年代初期，美国通用汽车公司研究试验室主管副主任p a u lf c h e n e n 先生就曾经极有预见性的对轿车车身结构必须满足的一系列约束和应该达到的目标作 了详细的阐述。其主要内容有： i )车身结构必须能够承受在其整个使用寿命期间可能遇到的所有静力与动力负荷。 2 )车身结构必须提供一个舒适惬意的车内空间、满意的行驶平顺性与操作性以 及对大自然影响的抵御能力。 3 )车身结构必须提供对车内、外噪音源的有效隔离。 4 )车身的布置必须保证驾驶员和乘客有适当的可见度。 5 )车身结构必须是轻量化的，以便驱动它所需的能量为最小。 6 )车身结构必须具有低空气动力阻力的外形。 7 )车身结构必须保证在所有可能发生的事故( 包括导致车辆毁坏而无法继续使 用的事故) 中，提供对司、乘人员的保护。 8 )结构所用的材料必须是来源丰富的、价格低廉的。整体设计和所用的材料必 须能够以高的速率( 每天数以万计) 制造和装配。 9 )车身结构必须在汽车的整个使用期间包括热、冷和腐蚀等各种环境中满足其 所有要求 i 0 ) 在其有效寿命的终了，其材料必须能够在新的车身结构或别的产品的制造中 再循环和再使用。 1 1 ) 最后，其总价格必须足够低，以便千百万人有能力购买。 现在看来，p a u lf c h e n e n 先生所提到的这些约束和目标实际上构成了对轿车车身 结构设计的全方位要求，即刚度要求、强度要求、耐久性要求、隔振降噪要求、安全性 要求、轻量化要求、内外模型要求、制造性要求、环保要求及成本要求等。尽管这些要 求中不乏冲突与折衷，但是，随着经济发展的全球化，环保、节能及主被动安全性等问 题的提出，轿车车身结构设计应该同时满足的要求会越来越多。只有靠现代轿车车身结 构设计方法，才能在缩短车身结构设计周期的同时达到这些要求，车身结构设计方法本 身也正是为了满足这些设计要求而逐步形成和发展起来的。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 轿车车身结构设计方法的发展 结构设计的目的是在改进加工和制造成本的条件下，生产满足各种性能指标的产 品。轿车车身结构及其承受的载荷工况的复杂性，致使应用一些传统的简单的方法难于 对其进行结构分析。因此，传统的轿车车身结构设计主要是以经验设计为主，以试验为 分析评价手段。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“结构设计试制样车试验结构修改 再设计”这样一个乃至多个循环( 如图卜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。因此，轿车车身结构仅仅能够部分满足车身结 图1 - 1 传统轿车车身唾吉构设计方法流程图 构设计应该达到的要求。 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，因此，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“。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 华中科技大学硕士学位论文 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 来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。 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，这种方法不仅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( 如图卜2 ) 。传统试验方法已经处于从属地位，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。 图1 - 2 现代轿车车身唾割匈设计方法流程图 在车身结构设计方法的发展过程中，反求设计也起到了相当大的作用。1 。反求设计 ( i n v e r s ed e s i g n ) 是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，利 用车身设计人员的经验、知识和创新思维，对现有的高水平的结构设计进行解剖、深化， 通过对结构的充分消化和吸收，来寻求结构设计的科学性、技术性，先进性、合理性等， 6 华中科技大学硕士学位论文 在此基础上对其再进行改进、挖潜和再创造。这种设计方法对车身结构设计水平的提供 有着重要的作用。 1 2 3 现代轿车车身结构设计方法的特点 轿车车身结构设计由原来的经验、类比、静态设计，向建模、静动态分析、动态优 化及虚拟现实设计转变。现代轿车车身结构设计有以下几个明显的特点： 1 ) 设计与分析并行。从一开始的以满足一定性能要求为目的的结构选型、结构设计， 到具体设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验，车身结构设计的各个阶段均有结 构分析的参与。车身结构分析贯穿了整个设计过程。这样确定的车身结构设计方案，基 本上就是最终方案。由此方案设计出的样车，只需一定的验证试验即可定型“3 。大大缩 短了轿车车身设计开发及研制的周期。 2 ) 结构优化的思想被应用到设计的各个阶段。轻量化要求和舒适安全性要求的不断提 高，使车身设计的难度越来越大。为了满足这些要求，必须在设计的开始阶段就引入优 化设计的思想，并将其贯穿于整个设计阶段。 3 ) 大量的虚拟试验( 7 p g ) 替代实物试验。虚拟试验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。利用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案中选择最优 方案，减少设计的盲目性，另一方面可以及早发现设计中的问题，从而进一步减少设计 成本，缩短设计周期。 1 3 有限元法在轿车车身结构设计中的应用现状 1 3 1 有限元法用于轿车车身结构设计的历史 通常所说的工程仿真分析或计算机辅助工程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 ) 是指利用有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法等数值模拟方法，对工程结构 的各项特性进行计算和分析。在轿车车身结构设计与开发中应用最广泛的还属有限元法 ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 。有限元法的一个独特的优点是，可以求解结构形状和边界 条件都相当任意的力学问题。其基本思想是：将问题的求解域划分为一系列单元，单元 之间仅靠节点相连。单元内部点的待求量，如位移、应力等通过选定的位移关系插值求 得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点变量间的方程式，然后将 各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，引入边界条件后即可对方程组求 7 华中科技大学硕士学位论文 解。一般的，单元划分越细，计算结果就越精确。关于有限元法的一些详细介绍，可参 阅本论文第二章的有关内容。 有限元法用予汽车设计与分析，是从近期三、四十年才开始的。1 9 7 0 年，美国宇航 局有限元结构分析程序n a s t r a n 的引入，标志着以有限元分析为基础的汽车结构设计与 分析的开始。1 9 7 7 年，通用汽车公司就率先在车身开发中应用了分析与试验验证相结合 的方法利用有限元法，先对结构进行动静态分析及碰撞模拟，然后用试验对结果进行 证明唧。为此，通用公司撞车1 2 次，以便收集试验数据。文献 6 3 中收录了这个时期有 限元法在汽车结构设计中应用的大量理论基础及计算实例。介绍了该方法在整车及零部 件的静态分析、疲劳分析、动态及碰撞、非线性分析的应用及前后处理技术和建模技术 等方面的早期研究成果。 随着计算机技术的迅猛发展，用于工程仿真分析的软硬件也有了很大的变化。从普 通的微机到高速计算机，发展到现在的工作站和巨型计算机( c r a y ) 。一些通用化、商 业化的有限元分析软件也相继出现并日趋完善。目前在世界各大汽车公司广泛使用的 f e m 软件有：n a s t r a n 、a n s y s 、i - d e a s 、d y n a 、a b a q u s 、s a p 、a d i n a 等。有限元分析软 硬件的发展使其应用领域进一步扩大。本文第二章和第四章中详细介绍了本次用到的有 限元分析软件i d e a s 和m s c n a s t r a n 。 1 3 2 有限元法用于轿车车身设计的国、内外现状 1 3 2 i 国外基本情况 经过三十多年的积累和发展，国外许多汽车公司都建立了高性能的计算机辅助工程 仿真分析系统，形成了完整的设计、分析方法与试验程序。在有限元仿真分析应用方面 有以下特点： i ) 应用范围广。应用领域涉及以下几个方面m 一。“： 结构分析。如轿车车身及局部结构的静态刚度、强度分析；耐久性分析、塑性变形 分析。 整车及零部件的模态分析。 n v h ( n o i s ev i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) 分析。包括各种振动、噪声( 摩擦噪声、 风噪声) 等。 车辆模拟碰撞分析。可以模拟车辆的正、侧面、追尾碰撞，还可以模拟碰撞中乘员 的姿态。 华中科技大学硕士学位论文 流体分析c f d 。如空气动力学特性分析。 优化分析“”一“”。包括对结构形状与尺寸的优化、结构轻量化、动静特性最优等综 合分析。 2 ) 有限元仿真分析贯穿于轿车车身设计的全过程。 对应于轿车车身结构设计的概念设计阶段、结构设计阶段及不同的分析目的，选取 不同的单元、不同的模型规模进行车身结构分析“。 目前，国外轿车新车型开发周期已经缩短到2 4 至3 6 个月，而且还有不断缩短的趋 势，这与工程仿真分析在轿车车身结构设计中的广泛应用是分不开的。 3 ) 模型细化程度不断提高，对结构细部的研究不断深入。 为获得更加准确的模拟计算结果，目前国外用来进行静态分析及静态特性优化的轿 车车身有限元模型单元数高达八万多；用于碰撞和噪声分析的模型单元数则高达十几 万。出现了对焊点模拟的研究o ”、车身钣金件冲压成型时钢板厚度交化对分析结果的影 响的研究“”等报道。对结构细部的研究进一步提高了工程仿真分析的精度。 4 ) 软硬件实力雄厚，二次开发能力强。 国外各大公司不仅拥有世界上最先进的分析软件，而且还能充分利用现有的软件， 结合各自的c a e 系统进行开发，达到前后处理与分析的高度自动化。如德国b m i r 公司在 利用i d e a s 作为前后处理软件的同时，又自行开发了n a s i j n v 、n a s n e t 、f r p o s t 、e g l i s t 等软件。可实现将大型的模型文件u n v 自动转换为n a s t r a n 格式、频率响应后处理分析 以及将零部件的能量分布用直方图显示等功能。在硬件方面，采用巨型计算机c r a y ，使 得运算速度高达上亿次秒。 5 ) 通过多年的经验及数据积累，形成有限元仿真分析规范。在某些方面，虚拟试验已 经逐步取代实车试验。 1 3 2 2 国内基本情况 国内轿车车身开发工作起步较晚，有限元仿真分析在轿车车身结构设计中的应用日 益广泛，但仍然相对较少。前段时期虽有一些在大客车“”啪3 、轿车“一1 和骨架蒙皮 式半承载式轻客车身结构分析m 1 一。”方面的应用，但与国外的轿车车身结构分析相比， 明显存在许多不足。主要差距有： i ) 车身结构开发工作主要还是依赖于经验和解剖进口车结构进行参照性设计。工程仿 真分析多用于解决样车试验中出现的设计问题啪1 。设计与分析未能真正做到并行。 2 ) 由于软硬件的的限制，计算模型的细化程度不够。一些有限元分析的结果精度不够， 9 华中科技大学硕士学位论文 离虚拟试验的要求还有相当大的差距。 3 ) 工程仿真分析主要应用在结构的静强度、刚度及模态分析等方面，在碰撞、振动、 噪声、外流等方面的模拟计算才刚起步，对车身结构或部件的各项性能指标进行系 统分析的实例还未见到。 4 ) 结构分析的数据积累工作还不够完善。如果没有全面完整的分析数据及试验数据的 积累，就不可能建立相应的有限元仿真分析规范。 1 3 3 有限元仿真分析应用于轿车车身设计的重要性 在轿车车身设计开发的全过程中，有限元仿真分析是最重要的手段之一。其重要性 主要表现在以下几个方面： 1 ) 它可以帮助结构概念发展；帮助选择结构构造方案；辅助结构设计细化；进行结构 设计验证，从而使车身结构满足多种设计要求，达到各项性能指标最优。 2 ) 在目前轿车车身自主开发能力较低的情况下，将工程仿真分析用于反求过程中，可 以帮助充分吸收、消化先进的设计思想和方法，从而进一步达到对结构进行改进、 挖潜和再创造的目的。 3 ) 可以预测设计缺陷，轿车车身设计过程中的样车试制及试验的次数、缩短设计周期、 减少开发费用。 4 ) 可以积累分析数据，帮助轿车车身结构设计人员建立实用的结构设计数据库，提高 车身自主开发能力。 5 ) 汽车车身所具备的高水平、低成本的设计，可以使其在市场上更具竞争力，从而带 来全面的经济效益。 1 4 本文的研究目的、内容和意义 1 4 1 本文的研究目的和意义 目前，数值计算方法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域中， 都发挥着越来越重要的作用，特别是有限元法，在过去的二十到三十年问突飞猛进，成 为工程仿真分析计算领域的主要模拟手段。在世界各大汽车公司，与c a d 技术密切结合 的有限元法( c a e 技术) 正在逐步替代传统的试验方法，朝着设计自动化、最优化的方 向迅跑。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 在f o r d 、g m 等国外一些大的汽车公司，由于多年来工作经验的积累和优良的软件、 硬件环境，使其在强度、刚度及模态计算等传统分析手段方面已经相当的成熟和规范， 其工作的重心已经转移到动力特性分析、噪声分析、碰撞分析等尖端分析领域。特别是 动力特性分析，由于其应用范围广泛，并且与车辆的强度、可靠性设计及寿命计算，振 动舒适性和噪声控制等密切相关，而备受关注。动力特性分析在方法和软件设施上都基 本成熟，并在产品开发中得到大量应用。其在应用的深度和广泛性方面，以及分析人员 与设计人员的比重方面都在不断增加。通过早期开发阶段的响应分析，对车辆的振动、 噪声特性进行预测和修改，其结果在产品设计中得到很大程度的认可，成为产品开发必 不可少的手段之一。目前，模型及计算结果的准确性、应用的广泛性和方法的规范化己 成为其未来的发展目标。 而国内目前的发展则比较滞后，基本停留在传统分析手段上。即零部件、总成的静 态和模态分析方面。并且对产品开发的介入往往是在样车试制出来之后才进行，只能对 样车暴露出的问题进行攻关，这不仅拖延了产品开发的时间，而且增加了开发成本，而 事实证明很多问题( 甚至是一些根本性的问题) ，如果在开发的初期，借助于有限元方 法进行预测分析往往是可以从根本上避免的。所以，差距是明显的，如不抓紧进行这方 面的研究工作，差距还将继续拉大。 东风汽车公司开展有限元技术应用工作十多年来，取得了明显的进步，在零部件及总 成的强度、刚度、模态计算方面做了许多工作，对公司产品开发及产品生产有一定的帮助 和贡献。但是，由于有限元分析中的关键技术边界条件问题一直没有得到好的解决， 并且缺乏相应的有限元分析标准，从而使得有限元分析的精度、预测及应用受到限制。同 时，在实际应用中，汽车整车、总成或零部件的受力总是一个动力问题，仅停留在纯静力 分析不太切合实际，误差也大，与当今更加强调汽车的平顺性、舒适性等动态性能及可靠 性设计的要求越来越不适应。车辆动力特性分析是模拟车辆在行驶中的实际运行状况。激 励信号来自于道路试验，无论是分析对象，还是载荷工况的确定都更加接近于实际问题， 减少了许多计算误差，取得的计算结果可进一步用于对整车平顺性、噪声及主要总成可靠 性评价和预测分析。因此，汽车结构的动力特性分析具有非常重要的意义。 基于以上的重要意义，并结合目前的一些实际情况，本文的研究目的，就是要通过 对微型轿车车身结构的模态分析和随机响应分析与试验验证，先期预测微型轿车车身结 构的动态性能，并通过有限元灵敏度分析方法，研究一些主要零部件对微型轿车车身结 构的动态性能的影响，探讨车身结构动力学参数如前后悬挂的弹簧刚度和阻尼等对车身 结构上某些重要部位的随机响应动态性能的影响，为车身结构动力特性的改进提供理论 华中科技大学硕士学位论文 依据和有效方法。 1 4 2 本文的研究内容 本文主要是通过对某微型轿车的车身结构在随机路面载荷激励下的随机响应分析 这一过程，研究一些主要零部件对微型轿车车身结构的动态性能的影响，探讨车身结构 动力学参数如前后悬挂的弹簧刚度和阻尼等对车身结构上某些重要部位的随机响应动 态性能的影响，并与试验结果进行对比验证，为该轿车的结构动力改进及后续的一些工 程仿真分析提供理论依据和有效方法。工作流程及主要研究内容如下： 1 4 2 1 工作流程 如图卜3 所示。 图1 - 3 工作流程图 华中科技大学硕士学位论文 1 4 2 2 主要研究内容 根据基于有限元法的汽车动力特性分析在国内、外轿车车身结构设计中的应用现 状，结合我们公司的具体实际情况和现有条件，本论文主要研究以下几项内容： 1 ) 参照已有的微型轿车车身的实际结构及其三维c a d 数模，利用i - d e a s 软件，建 立微型轿车车身结构的有限元分析模型。 2 ) 运用m s c n a s t r a n 软件，提取所建立的微型轿车车身有限元模型的o 一5 0 h z 内的所有自由模态频率值和相应振型，并用模态试验结果进行验证。运用有限 元灵敏度分析方法，研究一些主要零部件对微型轿车车身结构的动态性能的影 响，为车身结构的动态性能改进提供参考。 3 ) 运用m s c n a s t r a n 软件，利用道路试验测得的路面激励下悬挂垂直载荷数据，计 算了两种车速下微型轿车车身结构的动态响应，得到了车身结构上某些重要部 位的加速度响应，并探讨车身结构动力学参数如前后悬挂的弹簧刚度和阻尼等 对车身结构上某些重要部位的随机响应动态性能的影响，为优化、改进微型轿 车的车身结构提供参考和依据。 1 5 本章小结 本章首先介绍了有限元法，分析了有限元技术的发展历史和国内外现状，并对有限 元法的基本思想和有限元分析的基本步骤作了叙述；接下来阐述了现代轿车车身结构设 计的要求、方法和特点，然后简述了有限元仿真分析方法在轿车车身结构设计中应用的 历史、国内外现状以及重要性。最后还对本论文的研究目的、研究的意义和主要研究内 容作了简单介绍。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 1 1 概述 2 微型轿车车身结构有限元模型的建立 现代轿车均采用承载式车身，其力学特性很大程度上决定了整车的品质。车身结构 必须有足够的强度以保证其疲劳寿命；足够的刚度以保证其装配和使用要求；同时应有 合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的。另外，车身结构需要满足安全性、乘坐舒 适性和轻量化等指标相应的要求。 轿车车身大多数为薄钢板经冲压、卷边、加筋、加框、加梁柱或加强后经组焊构成， 其空间几何形状异常复杂，不可能用传统的解析数学来描述。不仅如此，轿车车身所承 受的载荷也十分复杂，它可能受乘员、货物、自重、设备等各种载荷的作用，同时也受 到各种道路路面激励和各种车速条件下惯性力的作用以及与车身相连接的构件之间的 相互约束作用，因此，车身结构强度计算将格外困难。现代轿车设计，并不满足于静态 计算，实际车身强度更加依赖于车身振动及更加复杂的随机载荷响应。只有进行动态强 度分析，才能进一步提高车身结构强度设计水平。 随着有限元理论的成熟，计算机硬件的飞速发展，有限元分析技术开始大举进入汽 车设计分析领域，并取得了巨大的经济效益。运用有限元的离散技术，将无限连续体问 题转化为有限个自由度的问题，可以充分发挥计算机的数值计算能力。用户交互式地进 行结构离散、定义载荷、施加边界约束，并可以动态的观看计算结果，实现了计算可视 化。目前，车身结构动态分析技术已进入实用化阶段。 车身结构的随机振动响应分析，是直接利用典型道路试验测得的路面载荷激励谱作 为随机激励，分析车身结构上感兴趣部位的响应。随机振动响应分析是车身结构动态特 性研究的基础，利用其分析结果，可以进行后续的可靠性分析、疲劳寿命分析、振动噪 声分析等。动态特性分析结果的可靠度，很大程度上取决于所建立的结构动力学有限元 模型的准确程度。 微型轿车车身结构的有限元模型是车身结构有限元仿真分析的基础，建立轿车车身 结构的有限元模型，首先要获得车身结构的几何数模。根据具体的结构形状、分析载荷 1 4 华中科技大学硕士学位论文 工况和分析的目的，选择适当的有限元模型规模和合理的单元类型，对车身结构进行离 散化处理。根据分析问题的类型和目的，在有限元模型上施加一定的边界条件。最后通 过对模型进行试算、调试，得到一个具有可接受计算精度的车身结构的有限元模型。 由于本论文研究的是微型轿车车身结构的随机响应动力特性，对其进行随机响应分 析，因而分析计算所用到的有限元模型，将在传统的有限元仿真分析( 如强度、刚度、 模态分析等) 模型基础上，进行动力学建模，使有限元模型与试验样车模型尽量一致。 本章内容主要研究对轿车车身结构进行随机响应分析的有限元建模中的一些方法 和需要注意的问题，并对一些连接方式的处理与简化进行了介绍。 2 1 2 建模软件i - d e a s 简介 随着计算机技术的迅猛发展，以及有限元分析技术的不断发展，一些通用化、商业 化的有限元建模软件相继出现并日趋完善。目前在世界各大汽车公司广泛使用的有限元 结构建模软件有：m s c p a t r a n 、a l t a i r h y p e r w o r k s 、a n s y s 、i d e a s 、d y n a 、a b a q u s 、 s a p 、a d i n a 等。 本节主要对本论文在进行有限元建模工作中所用到的软件i d e a s 作简单介绍。本 文的有限元前后处理工作主要运用i d e a s 软件完成。 美国s d r c 公司( s t r u c t u r a ld y n a m i c sr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ) 的i - d e a s 软件( 现为 u g 公司收购) 是世界著名的c a d c a 聃a m 集成设计工程分析软件。该软件可用来对 机械工程的产品设计和分析进行“并行”处理，允许同公司的不同设计部门共享设计对 象，并能在多个不同的应用程序问进行信息交换。 该软件有以下几个应用模块：工程设计( d e s i g n ) 、工程制图( d r a f t i n g ) 、有限元仿 真( s i m u l a t i o n ) 、测试数据分析( t e s t ) 、制造( m a n u f a c t u r i n g ) 、数据管理( m a n a g e m e n t ) 和几何数据交换( g e o m e t r yt r a n s l a t o r s ) ，其中，有限元仿真模块主要用于用有限元方法 对结构进行工程分析。在这个模块中拥有了有限元分析所需要前处理、求解和后处理的 所有工具。不仅具有良好的用户界面和有限元网格划分功能，还能够求解线性和非线性 静态、动态、屈曲、热传导、噪声、疲劳和优化等问题，同时还能够把求解结果直观地 显示出来。运用k d e a s 软件进行工程仿真分析的流程如图2 1 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 1 运用i d e a s 软件进行有限元仿真分析流程图 2 2 微型轿车车身的结构特点分析 本论文选取的研究对象为某微型轿车，该车采用的是承载式车身结构，同时考虑到 安全性及乘坐舒适性的要求，在整体承载的基础上，又加装了副车架结构。 整个车身结构由前围、侧围、地板、顶盖、后围( 后背门) 、发动机仓等几大部分 构成，它的大部分构件是由双面镀锌钢板冲压而成，钢板厚度在0 7 1 5 m m 之间。 其结构的基本拓扑结构形式可归于自重轻、承载大的壳类结构。因此，用壳类单元建立 白车身的有限元模型具有精度高、符合车身结构特性的优点。 车身零部件大多数为薄钢板经冲压、卷边、加筋、加框、加梁柱或加强后经组焊构 成，其空间几何形状异常复杂，不可能用传统的解析数学来描述。不仅如此，该车身所 承受的载荷也十分复杂，要受乘员、货物、自重、设备等各种载荷的作用，同时也受到 各种道路路面激励和各种车速条件下惯性力的作用以及与车身相连接的构件之间的相 互约束作用。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 3 单元类型的选择 2 3 1 模型规模的确定 在有限元模型的建立过程中，模型规模的大小直接关系到分析计算结果的正确性、 精度和计算所需的时间。在这个问题上突出反映了模型准确性与经济性之间的矛盾。简 化的有限元模型单元数量少，运算量小，对硬件要求低，常用于结构的概念设计阶段， 用来帮助选择和布置主要承载构件的方案比较与确定，但计算结果的正确性受结构简化 方式的影响很大。详细的有限元模型一般具有较高的准确性，但相应会增加建模工作量 和计算时间。因此，一定要根据分析类型和目的，结合现有的计算条件，来确定模型的 规模。本文的研究目的是对微型轿车车身结构的有限元模型进行动态特性分析，并进行 试验验证，这要求尽可能准确的模拟车身结构，保证计算精度。因此，应该在硬件允许 的条件下，同时考虑到动态分析时所耗硬件资源较大的情况，建立详细的有限元模型。 本论文中，考虑到现有条件和时间紧迫等因素，将微型轿车车身结构的有限元模型规模 控制在l o 万个单元以内。 2 3 2 单元类型的选择 根据第1 章中的有关介绍，在有限元法中，连续体结构被看作是由有限个数的单元 通过有限个数的节点连接而成的计算模型。每个单元都相应地代表着结构某些力学性质 的局部小块。如果每个单元所代表的力学特性与实际结构受力后这- - d , 块的力学特性越 近似，计算精度就越高。因此要求选用的单元类型与对应的实际结构在几何类型上及传 递力和运动的力学特性上保持一致。由