（车辆工程专业论文）轿车白车身模态分析.pdf

，摘要 0 阵身是轿车的关键总成。它的构造决定了整车的力学特性，对白车身进行模 态分析不仅能考察车身结构的整体刚度特性，而且可以指导人们对车身结构进行 优化以及响应分析乳本文基于有限元和模态理论，运用a n s y s 6 0 软件对某轿车 白车身进行了模态分析，并通过实验验证有限元结果的正确性。 采用三维造型软件建立车身的各个子部件，然后通过装配消除部件之间的干 涉，通过接口输入a n s y s 程序中。用壳单元与粱单元对整个白车身进行网格划分， 建立了模态分析细化有限元模型。 在计算过程中，讨论了加强筋、钣金件厚度、连接关系等对模态参数的影响。 结果表明合理设置加强筋可以在质量增加很少的前提下使特定阶频率得到较大 提高。此外连接处理方法对计算结果有一定的影响。 对理论模型和实际结构分别进行理论与实验模态分析，采用模态置信准则 姒c 对两者之间的相关性进行比较研究。结果表明前六阶振型模态置信准则均大 于o 8 ，即两者的相关性较好。 随后对车身结构振动特性进行了评价，针对存在的问题利用频率对厚度参数 灵敏度方法进行结构修改。最后通过车身谐响应分析，检验结构修改的有效性。 关键词：白车身有限元娄藤模态分析灵敏度 谐响应分析k结 a b s t r a c t b o d yi s t h e k e ya s s e m b l y o fac a r i t ss t r u c t u r ed e t e r m i n e st h em e c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l ec a r t h em o d a la n a l y s i so fb o d y - i n - w h i t e ( b i w ) c a l ln o t o n l ye x a m i n et h ei n t e g r a t i v e s t i f f n e s sp e r f o r m a n c e ，b u ta l s op r o v i d eag u i d a n c ef o r p e o p l eo ns t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n dr e s p o n s ea n a l y s i s b a s e d0 nt h et h e o r yo ff m i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n dm o d a l ，t h i sp a p e rm a i n l yp e r f o r m sm o d a la n a l y s i so fac a r b i wb yu s i n ga n s y s 6 0s o f t w a r e t h ev a l i d i t yo ff e m sr e s u l ti s p r o v e db y e x p e r i m e n t e v e r yc o m p o n e n ti s b u i l t u pt h r o u g h t h r e ed i m e n s i o n sc a ds o f t w a r e t h e i n t e r f e r e n c ea m o n gc o m p o n e n t si se l i m i n a t e dt h r o u g ha s s e m b l y t h e nt h em o d e li s i n p u ti n t oa n s y sp r o g r a mb yp o r t t h ew h o l eb 1 w i sm e s h e db yu s i n gs h e l la n d b e a me l e m e n ti no r d e rt oe s t a b l i s ht h ed e t a i l e dm o d e lf o rf e mm o d a l a n a l y s i s d u r i n gc a l c u l a t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fs t r e n g t h e nr i b 、t h i c k n e s so f s h e e tm e n t a la n d c o n n e c t i n g r e l a t i o ne t c o nm o d a lp a r a m e t e ri sd i s c u s s e d t h er e s u l ts h o w st h a t r e a s o n a b l es e t t i n go fs u e n g 【h e nr i bw i l li n c r e a s es p e c i a lf r e q u e n c eg r e a t l yw h i l et h e m a s si n c r e a s e sal i t t l e i na d d i t i o n ，t h em e t h o dd e a l i n gw i t hc o n n e c t i o nw i l li n f l u e n c e t h er e s u l ti ns o m e d e g r e e 1 1 1 e s t u d y o ff e ma n d e x p e r i m e n t m o d a l a n a l y s i s i s p e r f o r m e d f u r t h e r m o r e ，t h er e l a f i v i t yb e t w e e nt h et w oi sc o m p a r e da n dr e s e a r c h e dt h r o u g h m o d a la s s u r a n c ec r i t e r i o n ( m a c ) i ti sf o u n dt h a tm a co fm o d es h a p e sf r o mf i r s tt o s i x t hi sa l ll a r g e rt h a n0 8 t h a ti st os a y , t h er e l a t i v i t yi sv e r yg o o d e v a l u t i o no nt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o d ys t r u c t u r ei sp e r f o r m e d n l e s t r u c t u r em o d i f i c a t i o ni sm a d eb ym e a n so fs e n s i t i v i t yt ot h i c k n e s so fs h e e tm e n t a l f i n a l l y , t h ep a p e rc a r r y so u t ah a r m o n i c a n a l y s i st ov a l i d a t et h ev a l i d i t yo f c o n s t r u c t u r e m o d i f c a t i o n k e y w o r d s ： s e n s i f i v i t y b o d y i n - w h i t e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d e x p e r m i n e n t m o d a la n a l y s i s c o n s t r u c t u r em o d i f i c a t i o nh a r m o n i ca n a l y s i s 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，同意学校保 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。 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容和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。 本学位论文属于 不保密回 学位论文作者签名：张- 争荥 2 ，p 】年亍月工十曰 指导教师签名黝础 w 7 - 年ir 5b 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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：姑学皋 2 。；年芎月j 午日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外研究现状 关于车身动态特性研究方面的论文在有关刊物上也屡见不鲜。它们或基于有 限元分析，或基于试验模态分析，或将两者相结合，但没有从定量角度来对比理论 分析和试验分析，因而缺乏科学性，本课题就尝试弥补这一不足。目前。国外采用 的是基于模态置信准则( m a c ) 的相关性比较方法，它包括正交性检验和确定模 态置信因子。本文尝试运用这一理论，探索该理论处理复杂结构的可能性，并通过 试验来检验理论模型的正确性。 模态分析是本课题所采用的研究手段，它的经典定义是：将线性定常系统振 动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标 及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数【1 】。模态分析包括对结构动 态特性的解析分析和试验分析，在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特 征值和特征向量；而在试验方面则是试验测得的系统的极点( 固有频率和阻尼) 和 振型( 模态向量) 。 模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分 析，振动故障诊断及预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。 模态分析技术是随着快速傅立叶变换( f f t ) 算法和基于f f t 的动态测试分析 仪的出现而诞生的，并逐渐成为机械与结构振动排故和动态设计的重要手段，在机 械、航空航天、汽车、动力、土木等工程领域获得广泛应用。模态分析技术的发展 大致可分成三个阶段f 2 】i 3 1 。 初期阶段( 2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代中期) 有两项引人注目的“发明创 造”：一是振型动画显示，使抽象的结构动力学特性易于为工程人员所理解；二是 带力传感器的激振力锤，使模态试验简单易行，并从实验室走向现场。 第二阶段( 2 0 世纪7 0 年代中期到8 0 年代中期) ，模态分析有了长足的进 步，提出了各种行之有效的频率响应函数( f r f ) 测量与估计以及模态参数识别方 法，由单输入单输出( s i s o ) 技术发展到单输入多输出( s i m o ) 技术以及多输 入，多输出( 瑚m o ) 技术。 第三阶段( 近十多年来) ，模态分析又取得了一系列新进展，主要有下面三 个方面： 江苏大学硕士学位论文 o ) z 大模态试验技术。第一是多点随机技术，它利用宽带随机信号对结构激 励，不仅可以经f f t 快速测量f r f ，而且随机激励还具有对弱非线性环节线性化 的独特优点，因而很适宜于结构振动特性试验。同时多点激励使输入能量均匀，数 据一致性好，并有分离密集模态的能力，这一点在大型复杂结构模态试验中尤为重 要。第二是步进正弦技术，经典的多点正弦技术基于相位共振原理，调力分离模 态，而新的步进正弦技术则采用不相干正弦激振原理和空间域模态识别来实现相位 分离。第三是多参考点锤击技术，锤击法模态试验技术具有设备简单、方便易行、 适于现场测试等优点，而多参考点锤击技术不仅具有上述锤击法的优点，还和 m i m o 技术一样能够区分密集和重频模态。 但1 模态分析与试验的新理论。模态分析的基本理论是线性系统分析，适用于 结构或粘性阻尼。近十年的进展，一是体现在对所谓亏损系统的研究和讨论，二是 集中在对阻尼的描述和建模，此外非线性模态分析仍是正在进行探讨的热门课题。 与模态分析理论相比，模态试验理论方面的进展更大。一是传感器与激振器的优化 配置。传统振动试验中传感器和激振器都是凭经验配置，近来提出了各种自动优 化配置方法，取得了良好的效果，使模态试验又有新的实质性进展。二是虚拟试 验，为了增加试验数据，扩大试验结果信息量，提出了一种新颖的边界条件摄动 ( p b c ) 试验方法，即在不同边界条件下进行多次模态试验。在这一新思想的启发 下，发展了所谓的虚拟试验理论，即由虚拟的结构修改( 包括虚拟附加质量、虚拟 接地、虚拟边界条件等) ，得到更多的观测结果，用于识别结构参数或输入载荷； 或者控制结构输入，使结构响应对某些特定的参数更为敏感。 ( 3 ) 模态分析与试验的拓展。模态分析与试验在机械、汽车、飞机、卫星、桥 梁、建筑等各种结构中获得成功应用，不仅在振动排故、动态设计中大显身手，而 且在基于振动的机械、结构状态检测与破损诊断中前景看好。但是经典的模态分析 与试验主要针对静止结构，而且大多在实验室状态下进行，近十年来，模态分析与 试验被拓展到处于现场运行状态的机械结构、旋转机械以及声学领域，并取得实质 性进展。 在技术先进的国家，试验模态分析技术早已进入工厂化应用阶段，如在美国 一些大汽车公司的试验中心已设有车间，专门对汽车各零部件进行摸态分析试验， 为结构设计与研究提供动特性数据。2 0 世纪6 0 年代初，模态分析技术也开始在我 国航空、航天领域得到应用，应该说我国第一颗人造卫星的发射也曾得益于这一技 术的应用。然而，我国其它领域对模态分析技术的接触要算是7 0 年代后期的事 2 江苏大学硕士学位论文 了。虽然科技界对这一技术的掌握及发展速度不算慢，但在工程技术上的普遍应用 和推广还有待于各方面条件的成熟，如产品技术发展竞争的需要及模态分析技术手 段的进一步廉价化。 1 2 立题意义和研究内容 车身是轿车的关键总成，是驾驶员的工作场所，也是容纳乘客和货物的场 所。车身应对驾驶员提供便利的工作环境，对乘员提供舒适的乘坐条件，保护司乘 人员免受汽车行驶时的振动、噪声、废气的侵袭以及外界恶劣气候的影响，并能保 证完好无损地运载货物且装载方便。从结构上讲，它的构造就决定了整车的造型， 要求曲线流畅和色彩和谐。同时它也决定了整车的总布置及各种附件的安装和固 定。更重要的是，它的力学特性能直接决定着整车的力学特性。尤其是承载式车 身，没有独立、完整的车架，发动机、底盘完全安装在车身上，车身承受着全部载 荷。我们仅仅研究白车身而不研究整车是因为整车在安装了各种附件后，它的非线 性过大，试验测试得出的数据误差就过大，对研究没有指导意义。据分析，白车身 对整车的刚度贡献达到6 0 以上。 因此，车身结构设计历来为广大汽车厂商所重视其美观和安全舒适性能也 被用户作为选用汽车的主要指标之。随着科技的进步，国际上汽车车身的开发和 设计已由经验、类比、静态设计方法，进入建模、静动态分析、动态参数优化阶 段，并向基于计算机平台的虚拟设计发展。国内车身设计，尤其是轿车和客车车身 设计仍以引进为主，缺乏独立的车身分析和设计能力，与国外先进水平有较大差 距。 从目前的资料来看，尚未有对轿车白车身模态分析的深入探讨及优化方法的 论述本文的研究能够为汽车行业内的相关研究积累经验，为同类车或类似车型积 累技术资料，便于更深一步的研究或进行改型设计凡 通过建立白车身模型，掌握建模的一般方法，进而对车身进行模态分析，不 仅能从另一个角度考察其整体刚度特性，并且可以优化车身结构，使其模态频率避 开来自多方面的激振频率，比如车轮激振频率和发动机激振频率。另外，通过模态 分析获得的车身固有特性是进行响应分析的基础。 因此，结合以往的的研究成果、国内外发展的现状和生产实际的需要，确定 本文的主要研究内容如下： 江苏大学硕士学位论文 1 研究用c a d 软件建立车身模型的一般方法，为以后应用c a d 软件进行有 限元前处理建模奠定基础。 2 研究影响有限元模态分析结果的各种因数，如单元大小、不同方向加强 筋、薄板厚度以及车身各部件之间的连接关系( 刚接、焊接、铆接和螺栓连接 等) 。 3 掌握模态试验方法，通过模态试验验证有限元模型建立的正确性，并着重 研究了模态模型与有限元模型之间的置信关系。 4 对建立的白车身有限元模型进行理论模态计算，并比较了各种计算方法的 异同点。 5 研究车身结构的动态性能评价指标，并对研究的车身进行了动态性能评 价，找出其中存在的问题，为修改指明方向。 6 针对动态特性存在的问题，寻求一种有效的方法加以解决，本文采用灵敏 度方法，即模态参数对车身各部件厚度的灵敏度，为有目的性地移动模态频率提供 了重要依据，并探讨了利用灵敏度法移动模型某一阶模态频率的有效性，从而为结 构动力修改提供理论依据。 4 一_ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - - - _ - - _ - - _ - _ - _ _ _ _ 一 江苏太学硕士学位论文 第2 章有限元和模态分析理论基础 2 1 薄板弯曲的基本理论及薄板弯曲单元阁1 6 j 1 7 】 壁厚远小于其他两个方向的板料称为薄板，如车身覆盖件就是由薄板构成。 用一个面平分变形前的厚度，该平分面称为中面。当薄板受有载荷时，可把载 荷分解为两个分量：中面载荷( 作用于薄板的中面上，又称纵向载荷) 和横向载荷 ( 垂直于薄板中面) 。在分析薄板弯曲的小挠度问题时，可采用下述假设： 1 、变形前的中面法线，在变形后仍为弹性曲面的法线。 2 、薄板中面上的正应力远小于其它应力分量，并假定薄板的厚度没有变化。 3 、弯曲后，薄板中面上各点没有平行于中面的位移。 根据上述假设，将全部应力分量和应变分量表达成挠度w 的函数，然后将内 力分量也用挠度w 来表示。 由假定2 可知z 方向的应变为： 丘= 娑= 0 ( 2 1 ) 也即薄板弯曲的挠度w 与z 没有关系，仅是x 和y 的函数，可表示为 、 r v ( x ，y )( 2 2 ) 也就是说薄板中面每一法线上的所有点都有相同的位移w 。 由假定1 可知角应变分别为( u ，v 分别是x , y 方向的位移) ： ，一：坐+ 竺：0 ( 2 3 ) y=一+_=l厶jj y 竺+ 竺：0( 2 4 ) 7 ” 却出 、7 可改写为 昙：一娑，宴= 一娑 ( 2 5 ) 出出砂 由于w ：w ( x ，y ) 与z 无关，当然掣和掣也与z 无关，这样上式对z 积分可得 卵 “= 一z 掣+ z ( w ) ( 2 6 ) 江苏大学硕士学位论文 v = 一z 掣+ ( ) 洲 其中a ( x ，) ，) 和 ( t y ) 为任意函数。 由假定3 ，( “) ：；。= 0 ，( v ) ：；。= 0 可得上式中的任意函数z ( x ，y ) 而得 ( 2 7 ) ( x ，y ) = 0 ，因 挑却 “= 一：一v = 一= 一 d cd v 将上式代入几何方程，可得到薄板内各点的不等于零的三个应变分量： 砒a 2 w 叙敏。 a va 。w 0 2 面一2 萨 k ：塑- i - 堡：一2 z 生 岛2 瓦面2 一丽 用矩阵形式可表示为 耐= 占 占， ，掣 ia 2 w l 盘2 la 2 w 。1 一矿 a 2 w 触 ( 2 _ 8 ) ( 2 9 ) = z x ( 2 1 0 ) 式中一差孚和一鼍孚分别代表薄板弹性曲面在x 和y 方向的曲率，一2 啬代表在x 和y 方向的扭率。这三个量完全确定了薄板内各点的变形，因此称为薄板的形变， 即上式中的扛) 列阵。 由假定2 中盯：= 0 ，对于各向同性薄板内各点的应力应变满足虎克定律，可得 = 去( q 一胆 q = i 1 ( q - u c r x ) ，= 塑笋 ( 2 1 1 ) 经变换后得 6 江苏大学硕士学位论文 式中 盯：卧嘶一 1 j d ：巳 1 一。 1 1 o0 a 2 w 苏2 a 2 w 印。 1a 2 w a 埔v o o 1 一 2 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 板内力，其计算如下( 图2 1 表示作用薄板单元上的内力) ： 鸠= 乓z 吒一晶謦+ 移 屿= 妨一晶守+ = 咏= 虐z 出= 一面e 丽：丽：w 图2 1 薄板的内力 江苏大学硕士学位论文 l a d ：婴称为薄板的弯曲刚度，同时将上面内力分量表达式写成矩阵形 1 2 ( 1 一2 ) 式，得 ll d _ d l l0 ) = 0 10 o 生 村， m y m 。 = d f “0 10 o 上坐 称为薄板弯曲的弹性矩阵。 常见的1 2 自由度矩形薄板单元如图2 2 所示， d 】缸 ( 2 1 5 ) 图2 2 矩形潭板单兀 矩形薄板单元的节点位移列阵自然可写成 计= 胁 7 谚 7 溉 7 砩 r j 】 谤) - w ，以b ，t = p ，( 却胁) ，( a w 肚) ，r ( 2 1 7 ) 式表示第i 节点的位移向量其它节点的位移向量依次类推。 与单元节点位移分量相对应的节点力和节点力矩向量可写成： 8 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 窘争名 一 一 一 ，l川iiunijil0 江苏大学硕士学位论文 f ，：惦。 7 k t 7 k 中k r 疗 k 0 = 谚。帆，。 o 寸( ，聊，p ) ( 2 1 9 ) 式表示单元中任意节点的节点力向量。 ( 2 18 ) ( 2 19 ) 矩形单元单元剐度矩阵可见资料 5 】。整体分析的主要任务是建立整个薄板的 总刚度矩阵【k 】、整体剐度方程： k 】协 = 忸( 2 2 0 ) 式中， k 】为总刚度矩阵： 庐 为薄板结构的节点位移列阵； r ) 为薄板结构的总载 荷列。根据整体刚度方程可求得有限单元法的基本未知量：节点位移。对矩形薄板 单元来说，即为节点的挠度w 和节点的转角臼。和口，进一步可求得单元的应力、 应变和节点的应力和内力。 2 2 模态分析理论基础1 8 l 【9 l 由2 1 节可知，整体刚度方程为【k = r ) ，由于载荷是随时间t 变化的，故 可记为 r ( t ) ) ，在动载荷 r ( t ) 作用下位移也随时间t 变化，故整体刚度方程可写 为： 【k 】枷( 哪= 忸( f ) ( 2 2 1 ) 动载荷 r ( 0 可以是作用在弹性体上的动载激励( f ( t ) ) ，可以是弹性体的惯性力 p “t ) ，也可以是阻尼力f p “t ) ) ，即 ( r ( t ) 2 f ( t ) ) + p v ( t ) ) + p 。( t ) ( 2 2 2 ) 根据惯性力的定义，惯性力可表示为 p t ( t ) ) - 一p 川协0 ) ( 2 2 3 ) 式中嗍为质量矩阵，协( f ) 为加速度列阵。 如果阻尼力正比于速度，则阻尼力可表示为 p 。( t ) ) = c 】敝r ) ( 2 2 4 ) 式中 c l n f l l 尼矩阵，移( r ) 为速度列阵。 因此弹性体振动的基本方程： 移( r ) j + c 彩o ) j + 眩静( f ) = 扩( f ) ( 2 2 5 ) 式( 2 2 5 ) 是用系统的物理坐标驴、描述的运动方程组。在其中每一个方程 中均包含系统个点的物理坐标，因此是一组耦合方程。当系统的自由度很大时，求 解十分困难。能否将上述耦合方程变成非耦合的、独立的微分方程组，这就是模态 江苏大学硕士学位论文 分析所要解决的根本任务。模态分析方法就是以无阻尼系统的各阶主振型所对应的 模态坐标来代替物理坐标，使坐标耦合的微分方程解耦为各个坐标独立的微分方程 组，从而求出系统的各阶模态参数。这就是模态分析的经典定义。 在无阻尼自由振动的情况下，进行傅立叶变换可得： 卜国2 阻咖= 0 ( 2 2 6 ) 其有解的条件是 lk 卜2 阻忙0( 2 2 7 ) 有式( 2 2 7 ) 可求出系统的固有频率，= 甜，2 ；, t ，再代入式，可求出其固有振型 f 西 io 为使用方便，将固有振型正则化，通常按质量归一化，得到正则坐标下的主 振型。 要求解( 2 2 6 ) 式的解，也就是求解下述特征值问题 k = 删( 2 2 8 ) 的解法，特别是有关最小特征值 ， q 和相应特征向量- ，q 的计算方 法。为了适应解法所用到的基本性质，可把所考虑的解法分为四类1 0 1 1 1 ： 第一类为向量迭代法，所用的基本性质是 k 一= 丑 硒( 2 2 9 ) 第二类为变换法，利用了 。足庐= a( 2 3 0 ) 矿7 删= j( 2 3 1 ) 其中，= 盼，丸】和a = d i a g ( a , ) ，i = l ，n 。 第三类解法是多项式迭代法，利用了 p ( 丑) = 0( 2 3 2 ) 的性质，其中 p ( a ) = d e t ( k a m )( 2 3 3 ) 第四类解法利用了下列特征多项式的s t u n n 序列性质 p ( 兄) = d e t ( k 一_ 肘)( 2 3 4 ) p 7 ( 7 ) = d e t ( k p 一m 7 )( 2 3 5 ) 其中，p ( 1 ) 是对应于聊= 删的第r 个相伴约束问题的特征多项式。 在上述四类解法中，每一类都发展了一些解法。要具体了解各种解法的特点和 要求，请参考相关的参考文献【1 2 】。 l o 江苏大学硕士学位论文 第3 章车身模型的建立 3 1 车身有限元模型建立的基本方法 有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统中的数学行为特征，换句话 说分析必须是针对一个物理原型的准确数学模型。数学模型不仅包括物理原型的几 何结构，而且要包括材料属性、实常数、边界条件以及其它用来表征这个物理系统 的参数。a n s y s 为用户提供了下列生成模型的方法： 1 用a n s y s 创建一个实体模型，进行有限元划分 2 利用直接生成法，创建节点和单元 3 输入在计算机辅助设计( c a d ) 系统创建的模型，进行单元划分 4 综合利用上述三种方法建模 鉴于a n s y s 的优缺点，我们采用另一种c a d 软件u g ，建立车身结构中的复 杂件。而对一些简单的构件( 如平面形状的) 和部件之间的连接件用直接生成的方 法。 在u g 软件中，从图纸上采集尺寸信息，生成点、线，利用扫描混成等方法， 生成面，然后对面进行布尔操作，生成各个部件。由各个部件进行自底向上的装 配，从而生成整个车身模型。把整个模型通过a n s y s 软件与u g 软件的专用接口 输入a n s y s 中，对模型进行适当的修补，以利于进行网格划分。 对模型中个别部件之间的连接利用直接生成法生成。该方法通过输入坐标直接 生成要建单元的节点，然后由节点生成单元，该方法适用于少量单元的建立，对复 杂结构该方法不适用。 3 2 模型的简化方法 轿车车身空间形状结构复杂，由数十个钣金件组成，各个钣金件大都通过点焊 连接，每个件往往同时有着安装附件、构成乘坐空间、确定相关尺寸及承受载荷的 功能。因此，需要准确地搞清各件之间的连接关系，考虑各结构的主要功能，以便 准确地建立力学模型，进行有效的分析。 建立模型是一项十分繁重的工作。为了在合理的程度内减轻工作量，往往只考 虑较为主要的结构。所以通常都要对结构进行简化，结构的简化以忠实主要的力学 特性为前提，既力求每个单元与实际结构之间几何类型的一致，又力求单元传递的 运动力学特性相一致。在建立车身模型的过程中，主要的简化措施3 3 【1 4 1 如下： 江苏大学硕士学位论文 1 车身结构中有的小尺寸结构如小孔、开口、翻边，或者由胀形工艺压成 的尺寸不大的筋和凸台，它们的设计目的通常是为了局部连接或者让一些 管路、电线束的穿过而设，而不是从提高刚度方面来考虑的。还有一些小 的圆角结构，也常常是从制造工艺和安装其它设备，以及与其它部件配合 的角度出发的，将这样的圆角简化成尖角，对整车的结构特性影响极小。 因此它们在建模过程中被简化掉。 2 轿车是封闭的承载式车身，它包括承载的车体骨架结构和不以承载为主要 目的的结构件。车体骨架结构由车体结构件及覆盖件焊接而成。主要承载 零部件包括门槛、前后纵梁、顶盖、地板、a 、b 、c 立柱、轮罩、前后悬 挂固定座、行李架等。保险杠主要用于汽车碰撞时的吸能，而且轿车的保 险杠用的是塑料件，主要起装饰作用；前翼子板的设计也主要是从外形、 空气动力学的要求及安全性出发的，而且是用螺钉与车体骨架连接的，在 建模时不考虑这两个零件。另外，还有一些非焊接小零件均不予考虑。 3 对于两个靠得很近但并不重合的交叉连接点简化为一个节点处理。对于距 离较近而作用基本相同的构件合成为一个构件。 3 3 车身c a d 模型的建立1 1 5 i 由零件图或总成图来建立整车模型时，图纸上己注明各自由曲面的边界线以 及某些曲面的特征线。由于这些边界线及特征线太多为自由曲线，因此应先在图纸 上量取其特征点的车身坐标。特征点主要包括端点、曲率变化处的点以及拐点等决 定曲线走势的点。然后由点生成线，由线生成面，由面生成部件和整车。应用e d s 公司的u g 软件，其车身各部件c a d 模型建立步骤印大致如下： 第一步，点击t 0 0 l b o x c u r v e p o i n t ，输入特征点车身坐标得到点； 第二步，点击t 0 0 l b o x c u r v e s p l i n e ，选择其t h r o u g hp o i n t s 选项，根据 特征点生成自由曲线。对于直线，点击t 0 0 l b o x c u r v e b a s i cc u r v e ，利用其 l i n e 选项，直接输入端点坐标得到； 第三步，点击t o o l b o x f r e ef o r mf e a t u r e ，利用t h r o u g hm e s h 、t h r o u g h c u r v e 、s w e p t 、r u l e d 、b o u n d a r i e s 等功能，根据第二步生成的特征线生成基本曲 面。至此已形成部件的基本形状。 建模过程中还有一些值得注意的问题。由于曲面是在曲线基础上生成的，因此 曲线的质量对曲面的光顺有着决定性的影响。对于生成的自由曲线，可利用 1 2 江苏大学硕士学位论文 t o o l b o x c u r v e e d i tc i 限v e ，或者i n t o a n a l y s i s c u r v e a n a l y s i s 观察曲率变化。若有不应有的曲率突变，可用e d i t t r a n s f o r m t r a n s l a t e 调整其特征点( 即其控制点) 的位置，消除曲率突变；也可直接在 1 o o l b o x c u r v e e d i tc u r v e 中对曲线进行调整。这样可保证在此基础上 生成的曲面较为光顺。对于没有曲率突变的自由曲线，也可利用t o o l b o x c u r v e - - e d i tc u r v e 中的s m o o t h 选项，使其曲率变化连续、光滑，使由此生 成的曲面更为光顺。 对于生成的曲面，利用i n f o a n a i y s i s f a c ea n a l y s i s 中的各种选项 可观察到面的梯度变化、法相变化及反光效果等，从而可知所生成的面是否符合要 求。当所有的白车身零部件建模完毕，应当在划分有限元之前进行装配，消除干 涉。利用a s s e m b l y e d i ts t r u c 兀i 王 e 中的a d d 选项，可将各零件在车身坐 标下进行装配。用这种方法会将零件建模过程中生成的辅助点、线、面及实体一并 引入，这时可用e d i t b l a n k 将其隐去。另外，也可先利用f i l e e x p o r t p a r a s o l i d 命令分别将所需的零件按x m t - t x t 文件形式输出：然后，在装配文件 中利用f i l e i m p o r t p 削王a s o u d 命令引入各零件的x m t - t x t 文件，进行装 配，这样得到的仅是所需的面。 修正干涉时，利用1 d o l b o x c u r v e e x n a c t 及s e c l l o n 或 1 d o l b o x f e a t u r e e x n 认c t 命令提取干涉面的边界线及特征截面线。然 后，利用t d o l b o x c u r v e p o i n ts e t 中的p o i n t so nc u r v e 选项在得到 的边界线及截面线上添加等分点。对边界线及截面线进行修正后重新生成面。最终 得到的n j 6 4 0 0 白车身c a d 模型如图3 1 所示。然后通过接口输入a n s y s 中。 3 4 单元对计算结果的影响 在进行车身模态分析时，选用a n s y s 单元库中的应变壳单元( s h e l l l 8 ) ， 如图3 2 所示。这种单元的质量评价和性甜”1 如下： s h e l l l 8 1 单元适合于分析薄壁和中等厚度的结构，它具有4 个节点( 可退化为三 节点) ，每个节点具有6 个自由度( x ，y ，z 三个方向的平移和绕x , y ，z 三根轴的转动自 由度) 。它对线性大转动和( 或) 大应变以及非线性有很高的适应能力。 江苏太学项士学位论文 图3 1 白车身c a d 模型 图3 2 应变壳单元 k f r r i a n g ul a ro p t i o n - n o tr l e c o m r l e n d a d ) 口2 3 2 图3 3s h e l l l 8 1 单元的应力输出 1 4 1 1 江苏大学硕士学位论文 它的应力输出如图3 - 3 ，与有限元分析理论中的薄板相一致。 根据有限元分析理论可知，对同一个分析对象，单元划分越细，对连续结构 的模拟越精确。但单元划分的过细，对计算时间的要求就多，如何使计算精度与计 算成本相适应，是本节主要研究的问题。 对一块边长为0 5 x o 5 米，厚度为1 毫米的正方形钢板用有限元模型来模拟。第 一次将模型划分为5 x 5 个单元，第二次将模型划分为l o x l o 个单元，第三次将模型 划分为5 0 x 5 0 个单元，其图3 4 、3 5 、3 6 如下 图3 45 x 5 单元模型图3 5l o x l o 单元模型图3 65 0 x 5 0 单元模型 对模型固有频率的实际值，可以认为当对网格划分的非常细时，即划分为 1 0 ，0 0 0 个单元，此时的值可认为是真值。对这三个模型分别进行自由状态下的模 态提取，前六阶为刚体模态，频率均为0 ，7 - 1 2 阶模态分别如表3 1 。 表3 1 不同细致程度的模型的模态计算结果 模态 真值 5 x 5 模型l o x l o 模型5 0 x 5 0 模型 阶数 误差 f 误差误差 o 埘o - i z )( ) o - i z ) ( ) a ) ( ) 第七阶 1 3 、3 4 11 3 _ 3 6 60 1 91 3 3 6 20 1 61 3 3 4 20 0 0 7 第八阶 1 9 4 1 11 9 4 2 3o 0 61 9 4 4 2o 1 61 9 4 1 1 0 第九阶 2 4 ，0 4 12 4 0 6 7 o i l2 4 0 6 4o 1 02 4 0 4 20 0 0 4 第十阶 3 4 4 7 33 4 6 0 40 3 83 4 ，5 0 50 0 93 4 ，4 7 80 0 1 5 第十一阶 3 4 4 7 33 4 6 0 40 _ 3 83 4 5 9 5o _ 3 53 4 4 7 80 0 1 5 第十二阶6 0 5 1 7 6 0 6 2 6o 1 86 0 5 1 6一o 0 26 0 5 2 1o 0 0 6 由计算可知，三种模型的计算误差均不超过l ，因此采用5 x 5 单元模型的网 格大小，既满足精度要求，也使计算时间减少。对于复杂结构在能够正确划分单元 的前提下，应使单元网格尽量的大，以减少计算成本。即对单元的划分采用不同的 网格大小。 江苏大学硕士学位论文 3 5 单元厚度对模态参数的影响 对一块钢板模型，约束其一条边的所有自由度，如图3 7 对其进行模态分析， 取其前二阶模态频率分析，第一阶频率、第二阶频率对厚度的变化关系分别如图 3 8 、3 9 所示。 f ( l z 图3 7 约束模态 1 0 一3 ) f 厚度( ) 图3 8 一阶频率与厚度变化关系 图3 9 二阶频率与厚度变化关系 由这二阶频率对厚度的变化关系图，我们可以得出：对厚度单一的部件，其固 有频率与部件的厚度成正比关系。下面就这一结论进行推导。 利用虚功原理，可以推导出四节点矩形薄板单元的刚度矩阵为 足。： 墨， k 三3 墨， 如 置1 | 足2 4 k 二 。 ( 3 1 ) 江苏大学硕士学位论文 ( 3 2 ) 式中各刚度系数为 k 1 1 = 3 h l l 5 b f 2 x o + 1 5 a ：2 y o + ( 1 4 - 4 k t + 5 6 7 + 5 口? ) x o y o k 1 2 = 一3 h 7 , ( 2 + 3 + 5 ? ) x o y + 1 5 d ? y ：+ 5 , x o y ；l k 1 3 = 3 h a ( 2 + 3 + 5 6 7 ) x o y ；+ 1 5 b 1 2 x ：+ 5 t y o x ： k 2 1 = - 3 h b ( 2 + 3 + 5 口? ) z o ) j + 1 5 a ( y j + 5 , u x 。y i 】 k = - b 2 【2 ( 1 一u ) x o ( 3 + 5 y o ) + 5 d ? ( 3 + x o ) ( 3 + y o ) k 2 3 = - 1 5 h u a b ( x ：+ x i ) ( y ；+ y i ) 七3 【= 3 h a l ( 2 + 3 + 5 6 1 2 ) y o x j + 1 5 6 7 x l + 5 - o o x l k 3 2 = - 1 5 h u a b ( y ：+ y j ) ( x ；+ z j ) k ”= h a 2 【2 ( 1 一) y o ( 3 + 5 x o ) + 5 b 1 2 ( 3 + x o ) ( 3 + y o ) 式中 ( 3 2 ) ( 3 _ 3 ) =丝二：=(i，j：1,2，3h，4 ) (34)720 2 ( 1 - f 1 2 ) a b x o 2 x i x ；y o2 y , y j 1 ，j 2 ，4 ) ( 3 4 ) 矩形壳单元的质量矩阵为 m 5 = 。 斌3( 3 5 ) 式中，p 为材料的密度，丸为单元的表面积，m j 是2 4 x 2 4 的矩阵，是质量矩阵中 与h 无关的部分。详细的计算过程见第五章。 因此根据刚度矩阵和质量矩阵的特点，即刚度矩阵中的每一项均含有h 3 ，质 量矩阵中的每一项均含有h ，因此特征方程可写成 ( k h 2 0 9 2 m ) 庐= 0( 3 6 ) 足、m 是刚度与质量矩阵中与h 无关的部分，对( 3 6 ) 式分别左乘正则振型 进行归一化处理，得 ( 足传2 一2 1 ) = 0( 3 7 ) 丘”是对角线矩阵，所以可以证明在部件采用同一厚度时频率与薄板的厚度是 成正比的。 一旧心 | i k 中式 江苏大学硕士学位论文 3 6 加强筋对模态参数的影响 有3 5 节可知，改变厚度可以改变结构的固有频率，同时使结构的重量也发生较 大的变化，有经验可知：结构的固有频率与结构的重量和结构的刚度有关，为了减 少能耗和材料，结构的重量不希望增加的太多。而加强筋在重量增加很小的基础 上，使结构的刚度有较大的提高，从而使固有频率产生较大的变化。采用图3 7 的模 型进行研究，以它为基础进行对比研究，分别研究两个方向的加强筋，其模型分别如 图3 1 0 和图3 1 1 。这两种模型的质量仅仅增加了0 5 。这三种模型的前六阶固有频 率如表3 2 ： 图3 1 0 横向加强筋模型图3 11 纵向加强筋模型 表3 2 固有频率变化情况 原模型固有 横向加强筋模型 纵向加强筋模型 阶数 频率提高率频率提高率 频率o 瑚 ( h z )( )( h z )( ) l 3 4 3 8 93 4 4 1 00 0 6 1 0 4 4 0 1 52 7 9 9 1 5 2 8 4 3 2 68 4 4 9 90 2 0 5 l8 4 6 7 5 0 4 1 3 8 3 2 1 0 9 7 0 2 1 2 6 5 0 0 7 9 6 3 2 4 6 3 81 6 7 8 4 3 4 2 6 9 4 8 03 0 4 6 5 01 3 0 5 l o2 8 4 8 95 7 1 8 4 5 3 0 7 0 2 03 1 1 1 1 2 01 3 3 5 43 0 8 0 60 3 3 8 7 6 5 3 7 4 8 05 9 5 9 2 01