（载运工具运用工程专业论文）轿车白车身结构刚度研究.pdf

轿车白车身结构刚度研究 摘要 本文以某国产轿车白车身为主要对象进行了静刚度和模态分析研究 建立 了某国产轿车白车身的有限元模型 对该模型进行了结构静刚度和低阶模态分 析 对实际样车进行了结构刚度测试 根据试验结果验证了有限元模型的可靠 性 本文的主要内容如下 1 在调研国内外相关研究的基础上 对建立有限元分析模型涉及的模型规模 的控制 单元质量的控制和焊点的处理情况进行了探讨 建立了某轿车白 车身有限元模型 2 分析研究了样车车身的扭转刚度和弯曲刚度 同相关车型的扭转刚度和弯 曲刚度指标进行了比较分析 3 在分析白车身模型的同时对带玻璃车身模型的低阶模态频率分析 将其与 白车身模态频率进行对比 初步探讨了玻璃对车身刚度的影响 4 对样车白车身进行了扭转刚度 弯曲刚度和模态试验 探讨了试验的相关 操作流程 注意事项 数据的处理方法和评价标准 5 对理论分析与试验分析的结果进行了比较分析 研究了白车身的结构力学 特性 对所建有限元模型的可靠性进行了验证 关键词 白车身有限元模型刚度分析模态分析 a n s y s 刚度试验 r e s e a r c ho nr i g i d i t yo fb o d y i n w h i t e a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ho fr i g i d i t ya n dm o d a lr e s e a r c ho ft h e w h i t e b o d yo fad o m e s t i cc a r f i r s t l y t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sb u i l da c c o r d i n g t os o m ec a r sb o d y i n w h i t e t h er i g i d i t ya n dm o d a la n a l y s i sw a sp e r f o r m e db a s e o nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l s e c o n d l y t h er i g i d i t ya n dm o d a lt e s to fr e a lc a rb o d y w a sf i n i s h e d a c c o r d i n gt ot h et e s tt h ep a r a m e t e r so ft h eb o d y i n w h i t ew e r eg e t t h er e l i a b i l i t yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sv a l i d a t e db a s eo nt h em o d a lt e s t t h em a i nc o n t e n ta n da c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ra r el i s ta sf o l l o w 1 b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h er e l a t e dd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c hi n t h i sf i e l d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fac a rb o d y i n w h i t ei se s t a b l i s h e d t h em o d e l s c a l ec o n t r o l i n g u n i tq u a l i t yc o n t r o l i n ga n dt r e a t m e n to fw e l dp o i n t si nt h es e t t i n g u po ft h er i g i d i t ya n dm o d a lm o d e l sa r ed i s c u s s e d 2 a c c o r d i n g l y t h es t a t i cs t i f f n e s sa n dm o d a lt e s t i n gh a db e e nf i n i s h e d r e s u l t sc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e t e s t i n g a n da n a l y s i sr e v e a l e dt h es t r u c t r a l c a p a b i l i t e sa n dv e r i f i e dt h ef i n i t em o d e l sc o r r e c t n e s s 3 t h el o w o r d e rm o d a lo ft h em o d e lw i t hg l a s sw a sp e r f o r m e d c o m p a r e d w i t ht h ef e ar e s u l t so fb o d y i n w h i t e t h ei n f l u e n c eo ft h eg l a s st ot h es t i f f n e s s w a st h er e s e a r c hp r o je c t 4 t h et o r s i o n a lr i g i d i t y b e n d i n gr i g i d i t ya n dt h em o d a lt e s t so ft h ew h i t e b o d yh a v eb e e nc a r r i e do n a n dt h er e l e v a n to p e r a t i o np r o c e d u r ea b o u tt h et e s t s a t t e n t i o np r o b l e m s t h em e t h o do ft h ed a t at r e a t m e n ta n de v a l u a t i o nc r i t e r i o nh a v e b e e np r o p o s e d 5 t h et o r s i o n a lr i g i d i t y b e n d i n gr i g i d i t ya n dt h em o d a lt e s t sh a v eb e e n a n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ll o a d i n gc o n d i t i o n so ft h ew h i t eb o d y c o m p a r a t i v e a n a l y s i sh a sc a r r i e do nw i t ht h ei n d e xo ft o r s i o nr i g i d i t ya n db e n d i n gr i g i d i t y a n d t h eb a s i sf o r t h eo p t i m i z a t i o no ff o l l o w u ps t a t i cr i g i d i t yh a v eb e e no f f e r e d k e yw o r d s b o d y i n w h i t e f i n i t ee l e m e n tm o d e l r i g i d i t ya n a l y s i sm o d a l a n a l y s i sa n s y sr i g i d i t ya n dm o d a lt e s t 插图清单 图1 1计算机辅助车身设计开发步骤 2 图1 2三厢式轿车车身结构图主要零部件 5 图2 1应力方向图 1 0 图3 1概念设计阶段的车身刚度分析模型图 2 0 图3 2产品开发阶段的车身有限元模型 2 0 图3 3网格简化处理 2 2 图3 4s h e l l 6 3 单元的几何示意图 2 3 图3 5零部件网格图 2 5 图3 6白车身有限元模型 2 6 图4 1轴间相对扭转角示意图 2 9 图4 2车架弯曲刚度计算示意图 2 9 图4 3轿车有限元模型 3 0 图4 4轿车的的焊点分布图 3 0 图4 5扭转工况约束与载荷图 3 1 图4 6白车身扭转刚度变形云图 3 1 图4 7扭转变形曲线测量部件及点分布 3 2 图4 8车身左侧前后纵梁 门槛梁变形曲线 3 2 图4 9车身右侧前后纵梁 门槛梁变形曲线 3 3 图4 1 0 车身扭转角度计算示意图 3 6 图4 1 1 弯曲工况模型载荷与约束图 3 3 图4 1 2 车身弯曲计算变形效果图 3 4 图4 1 3 轿车白车身弯曲刚度底部变形计算结果图 3 5 图5 1轿车白车身模态分析模型 4 0 图5 2第一阶前部扭转振型图 4 2 图5 3第一阶扭转振型图 4 2 图5 4第一阶侧向弯曲振型图 4 2 图5 5第一阶弯曲 主前 振型图 4 2 图5 6第一阶纵向弯曲振型图 4 2 图5 7顶盖 行李箱振动振型图 4 2 图5 8带风窗玻璃的有限元模型 4 3 图5 9第一阶前部扭转振型图 4 3 图5 1 0 第二阶一阶扭转 主前 振型图 4 3 图5 11 第三阶一阶弯曲振型图 4 4 图5 1 2 第四阶一阶弯扭振型图 4 4 图5 1 3 顶盖 客舱涨缩振型图 4 4 图6 1白车身刚度试验测试部位及测点布置 4 6 图6 2刚度试验分析工况 4 7 图6 3测试现场照片 4 7 图6 4最大变形时车身左侧和右侧变形曲线 4 9 图6 5弯曲满载工况下车身左侧弯曲变形 5 0 图6 6弯曲满载工况下车身右侧弯曲变形 5 1 图6 7动态信号测试分析系统和信号发生器 5 3 图6 8模态试验样车 5 3 图6 9加速度传感器 5 3 图6 1 0 激振器 5 3 图6 1 1模态实验专用吊架 5 3 图6 1 2 白车身悬挂点位置图 5 3 图6 1 3白车身悬挂效果图 5 3 图6 1 4激振位置 5 4 图6 1 5车身测点位置布置图 5 5 图6 1 6模态测试系统 5 5 图6 17白车身轮廓线 5 6 图6 18实验模型图 5 6 图6 19某通道频响函数曲线图 5 7 图6 2 0所有测点通道的频响函数叠加图 5 7 图6 2 1某几个通道相干函数曲线 5 7 图6 2 2试验模型第一阶振型图 5 8 图6 2 3试验模型第二阶振型图 5 8 图6 2 4试验模型第三阶振型图 5 8 图6 2 5试验模型第四阶振型图 5 8 图6 2 6试验模型第五阶振型图 5 8 图6 2 7试验模型第六阶振型图 5 8 图6 2 8试验模型第七阶振型图 5 8 图6 2 9试验模型第八阶振型图 5 8 图6 3 0试验模型第九阶振型图 5 8 图6 31试验模型第十阶振型图 5 8 图6 3 2模型各振频率m a c 图 5 9 表格清单 表3 i网格划分合格标准 2 4 表3 2焊点处理方法 2 6 表4 i模型车身前后纵梁 门槛梁变形数据 3 2 表4 2模型车身扭转角度数据表 3 3 表5 ia n s y s 中常用的模态提取方法 4 1 表5 2模态列表及其振型描述 4 1 表5 3白车身模型与带风窗玻璃模型频率值对比 4 3 表6 1扭转工况分级载荷表 4 7 表6 2弯曲工况分级载荷表 4 8 表6 3最大扭矩下各窗门框对角线位移 4 8 表6 4样车扭转变化量与轿车扭转最大变形量对比表 4 9 表6 5国产某轿车白车身左侧加载扭转刚度 4 9 表6 6国产某轿车白车身右侧加载扭转刚度 5 0 表6 7弯曲满载工况下各窗框对角线位移 5 0 表6 8各部位弯曲变形量要求 5 1 表6 9各部位弯曲刚度计算结果 5 1 表6 1 0 试验仪器列表 5 2 表6 一1 1 前1 6 阶试验模态频率值 5 7 表6 一1 2 白车身模态模拟计算频率与实验频率结果对比 5 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得佥魍王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 锻编 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金鲤王些太堂有关保留 使用学位论文的规 定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被 查阅和借阅 本人授权金月曼王些太堂可以将学位论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 汇编学位 论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 锻痂 签字日期 0 2 年矿月 7 日 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 趸 签字日期 汐矿年午月i7 电话 邮编 致谢 光阴荏苒 即将毕业 回顾三年间酸甜苦辣 感慨良多 在论文完成之际 首先感谢我尊敬的导师一一石琴教授 衷心的感谢她在 我的研究生阶段所给予的学习上的指导和生活上的关心 在近三年的研究生学 习生活中 石老师严谨的治学态度 沉稳的工作方式 厚重的凝聚力 以及渊 博的知识和敏捷的思维给我留下了难忘的印象 使我受益匪浅 她忘我的工作 热情和不断进取的学习态度使我终生受用 在生活上 石老师给了我无微不至 的关怀和巨大的帮助 在研究中 石老师给予我亲身的指导和耐心的帮助使我 深受感动 在此向她表示由衷的感谢 感谢方锡邦 张代胜 谭继锦老师在整个研究生学习过程中所给予的帮助 和指导 感谢师兄师姐 黄志鹏 覃运梅 张雷等同学在我研究生其间对我生活和 学习上的帮助 感谢我的同窗好友 田旭旺 胡军义 梁子君 仇彬 张林涛 关长明 江迎春 王华等同学在近三年的学校生活中给予我的帮助和启发 感谢九的计算机专业的同学对我的支持和帮助 感谢师弟师妹 卢利平 刘钊 邓超 张睿等对我学习和生活的支持和帮 助 感谢自己的父母 感谢他们多年的辛苦劳动和全力支持 我将永远铭记在 心 感谢所有帮助过支持过我的朋友 祝福他们幸福安康 一生平安 作者 段伟 2 0 0 8 年0 3 月 第一章绪论 1 1 引言 汽车在行驶过程中 不仅承受静载 人 货等 的作用 同时受路面不平 度的影响 因而不断受到随时间变化的激振力的作用 轿车车身的特性是整个 轿车产品的非常重要组成部分 轿车车身的特性决定于其结构的静态动态特性 结构刚度分析是轿车车身结构特性分析的基础 因此对汽车车身进行结构刚度 分析 在汽车结构的综合设计中是必不可少的 1 1 9 7 0 年以后 随着大型计算机的出现 标志着以分析验证为基础的汽车结 构设计革命的开始 而1 9 7 0 年美国宇航局结构分析软件程序n a s t r a n 的出现 代表了一种新的计算功能 它是一个面向用户的通用的结构分析程序 使之适 用于非专家的一般设计工程师使用 有限元法逐渐在汽车结构分析问题中显示 出强大的能力 并占据了极其重要的地位 有限元软件是使用有限元方法解决 各种科学和工程问题的关键 它使有限元方法转化为直接推动科技进步和社会 发展的生产力 使之发挥了巨大的经济和社会效益 2 以轿车车身为例 它有五百多个冲压件组成 要完成如此庞大的结构设计与 分析 要借助计算机技术的应用 将c a e 技术有限元方法 f e m 用于汽车新产 品的开发 是现代汽车产品开发的重要手段之一 它能够在新产品的设计阶段 评估它的性能 并指导设计工程师进行产品的优化设计 保证产品开发的一次 成功 1 2 轿车车身开发技术 车身是一个品牌的标志和象征 它直接代表着汽车的开发水平 汽车车身 发展的历史是设计师不断开发新资源和采用新技术并按照审美的规律进行造物 的历史 在这个历史发展的过程中 设计师不断的协调着材料 结构 工艺 技术与造型美之间的矛盾关系 使汽车设计既符合功能要求又符合人的审美要 求 车身总成占汽车 乘用车 总质量和成本的一半左右 在汽车开发中占有 主体地位 起着主导作用 因此车身开发是决定整车竞争力大小和成本高低的 关键因素 因而各集团公司均把车身开发放在整车开发的首要位置 3 j 1 2 1车身开发的流程 一辆新型轿车从构思 设计 试验 定型到成批生产 耗费巨大的资金和 时间 其中车身开发设计是主要部分 约占整车开发费用和时间的7 0 当前 激烈的市场竞争要求汽车工业在更短的开发周期中 推出高质量 低价格的产 品 由于采用电子计算机辅助设计 现在从设计到样车仅需2 年时间或者更短 轿车的整套开发流程可以划分为三个主要部分 一是要开发一辆什么样的 车 二是怎样设计这样的车 三是怎样将设计好的新车型批量制造出来 前期 工作包括 项目确立开始一战略意向一决策一总布局及主结构几何定型一项目 定型及投资确立 技术层面的车身开发过程是 内外部造型效果图一内外部c a s 模型一内外部软模型 c a m 卜内外部硬模型 c a m 卜 主体工程设计 c a d 工程 分析 c a e 卜零件图的绘制 c a d 卜样车试制 4 1 图卜1 计算机辅助车身设计开发步骤 利用虚拟开发技术 在设计阶段 尽可能在制造样车前 发现问题 解决 问题 在产品设计完成后 后期工作包括 批量投产准备一批量投产产品定型 一批量投产一最终结果 现代轿车车身结构设计有如下特点 5 1 轻量化成为车身结构设计所普遍追求的目标 轻量化的研究最早是从沃尔沃汽车公司开始的 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 根据实验测定 轿车净质量减少l o o k g 其百公里油耗随之降低o 6 l 左右 2 舒适性和安全性仍是车身结构设计中所考虑的主要内容 2 目前 承载式车身结构形式已成为轿车车身的主要结构形式 这种车身结 构形式所带来的乘坐舒适性的影响 引起了众多车身工程人员的注意 承载式 车身结构形式的采用不仅对舒适性有影响 而且对安全性也有影响 随着公众 对安全性认识的提高 安全性能也成为一种有力的竞争手段 3 利用现代车身工程手段 缩短车身结构的开发周期 缩短整车的开发周期 已成为各汽车制造商提高自身竞争力一项重要举措 车身结构开发周期的缩短 不仅可以节省产品开发费用 还可以提高企业对瞬 息万变的市场的适应性 在市场竞争中以快取胜 4 在汽车车身结构设计过程中 设计与分析并行 车身结构分析参与车身结构设计的各个阶段 贯穿整个设计过程 从一开 始的构造选择 为结构设计提出具体的性能参数要求 到具体设计方案的比较 确定 设计方案的模拟试验 这样确定的车身结构设计方案 基本上就是定型 方案 据此试制而成的样车 只需一定的验证试验即可定型 这样 车身的研 制周期被大大缩短了 5 优化的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 优化设计的思想能有效地缩短轿车车身的开发周期 对应于现代轿车车身结构设计的以上特点 现代轿车车身结构刚度研究就 越来越重要 现代轿车车身刚度分析贯穿于车身结构设计的整个过程的每一个 方面 对轿车车身的诸多方面都有很大的影响 比如车身结构可靠性和耐久性 车身n v h 性能 结构轻量化 车身密封性 轿车的静态和动态特性 以及车身 动力特性等 1 2 2 轿车车身虚拟开发技术 在轿车车身整个开发过程中 全面采用计算机辅助技术 将造型 设计 计算 试验 直至制模 冲压 焊装 总装等各个环节中的计算机模拟技术联 为一体的综合技术 称为车身虚拟开发技术 采用虚拟开发技术 将一代样车 在计算机中成型 可以省却许多费时耗工的实体样车制造和试验过程 及早发 现解决样车性能和生产工艺过程中的问题 它在降低成本 缩短开发周期 提 高开发质量方面具有极大的优势和潜力 是汽车工业竞争取胜的关键技术 j 1 虚拟造型技术 c a s c a s 技术是利用专业造型设计软件 在各种图形输入输出设备的支持下直 接在计算机上完成复杂的车身造型设计工作 可以产生光照模型 并在计算机 屏幕上进行移动 转动 缩放等变换 经过复杂的计算 产生逼真的画面 并 通过高效率录像系统 制成整车三维模型的旋转动画 甚至可以配上自然背景 产生汽车在实际道路上行驶的效果 2 计算机辅助设计 c a d 在车身的计算机辅助设计当中 复杂曲线和曲面的设计又是一个核心的问 题 将设计思想或实物原型通过造型软件转变为c a d 模型 是加速引进车型的 国产化与产品创新设计的关键技术 目前比较流行的几种软件是 c a t l a u g p r o e n g i n e e r 等 每种软件都各有其自身的结构体系和模型表现方法 3 计算机辅助制造 c a m 计算机辅助制造就是计算机中三维模型通过n c 直接加工出来 而不需要 其他的图纸 具有速度快 精度高等优点 计算机辅助制造技术在车身开发的 多个阶段都有贡献 大大加快了汽车车身的开发速度 例如汽车车身软 硬模 型的加工等 4 计算机辅助分析 c a e 上世纪8 0 年代初期 p a u le c h e n e n 先生就曾极有预见性地对汽车车身结构 必须满足的一系列约束和应达到的目标作了详细的全面阐述 即 刚度 强度 耐久性 隔振降噪性能 安全性 轻量化设计 内外模型 制造性 环保及成 本要求等 现在 车身结构分析主要应用在流体分析c f d 车身静态刚度 强 度和疲劳寿命分析 整车及零部件的模态分析 汽车安全性及碰撞分析 n h v n o i s e v i b r a t i o n h a r s h n e s s 分析 塑性成型模拟技术等方面 其中刚度分析包 括 车身静态刚度 强度和疲劳寿命分析和整车及零部件的模态分析 在建立有限元模型的基础上 通过计算机线性静态模拟计算分析 汽车车 身的主要应力 应变区域及薄弱部位就可以被充分显示出来 疲劳寿命分析是 在掌握时域负荷的基础上 建立车身有限元模型 进行动态模拟分析和应变数 据分析 从材料的疲劳特性出发 进行车身结构的疲劳寿命分析 最终对汽车 车身结构作出疲劳寿命预测 可以通过对车身的负荷杆件的截面和节点的结构 优化 车身焊点的合理分布 以及薄板材料和料厚的最优选择来达到设计目标 车身结构性能决定于其结构的动态特性 模态分析是车身结构动态特性分 析的基础 车身结构的自然频率能用来评价车身与汽车行驶中各种振源之间的 动态干扰 避免共振的发生 车身模态振型和零部件的模态振型可以用来确定 对结构的改进措施 5 虚拟现实技术 虚拟现实是一种全新的人机界面 可通过计算机构造出形象逼真的三维模 型 从而生成一种具有三维视觉效果的特殊环境 它可通过多种传感器和可视 化设备 使视觉 听觉 触觉等作用于人脑 使之 投射 到这种特殊的环境去 操作 控制环境 并产生身i 临其境的感觉 以实现特殊的目的 6 人机工程模拟技术 驾驶员和乘员的舒适程度 是车身开发的重要指标之一 传统办法是按照 标准驾驶员身材设计基本位置和整车内饰 要花费大量的人力 财力和时间 人机工程模拟技术不仅可以缩短开发时间 节约开发经费 更重要的是为了得 4 到一种有统计意义的对驾驶舒适程度科学描述 1 3轿车车身刚度分析的研究现状 现代轿车车身的刚度分析已经贯穿于车身结构设计的全过程 对轿车车身 的结构设计起到了很重要的指导作用 现代轿车车身结构的分析方法包括数值 模拟与实验分析方法 现代数值模拟分析方法主要是有限元分析方法 这种方 法是依据实际车辆的技术资料建立车身结构有限元分析模型 应用通用有限元 软件计算和分析车身结构的静态 动态等特性指标 甚至进行优化设计分析和 试验仿真研究 7 j 据分析轿车车身对整车的刚度贡献达6 0 轿车车身结构分析主要针对 白 车身 由各种各样的骨架件和板件通过焊接拼装而成的轿车车身 也就是行业俗 称的 白车身 它的各个部分都有相关的名称 见图1 2 建立有限元模型时 忽略了车身外蒙皮 仅考虑骨架和内蒙皮部分 车身骨架总成包括车架 地板 骨架 顶盖骨架 左侧围骨架 右侧围骨架 前围骨架及后围骨架 各骨架主 要采用型钢焊接而成 在进行有限元建模时 将骨架结构简化为多种不同截面 形状的空间梁单元 蒙皮 地板 车门窗简化为不同性质的壳单元 8 2 3 趁 图l 一2 三厢式轿车车身结构图主要零部件 1 发动机盖2 前档泥板3 前围上盖板4 前围板5 车顶盖6 前柱7 上边梁8 顶盖侧 板9 后围上盖板1 0 行李箱盖1 1 后柱1 2 后围板1 3 后翼子板1 4 中柱1 5 车门1 6 下边梁1 7 底板1 8 前翼子板1 9 前纵梁2 0 前横梁2 1 前裙板2 2 散热器框架2 3 发动 机盖前支撑板 车身作为汽车四大系统总成之一 在汽车新产品开发中占据重要的地位 以有限元分析方法为代表的c a e 技术已应用于对车辆的各种模拟和各种分析 方法之中 从汽车结构的强度分析 设计的刚度与变形分析 设计的应力与疲 劳分析 动力学特性分析到碰撞模拟 塑性变形分析 声场分析等等 包括汽 车设计的整个过程 使我们在汽车还未制造出来之前就对整车的特性有了一个 详细的了解 c a e 技术在中国汽车业的应用经历了入门 推广 普及等阶段 目前已经到了取得实质效益的阶段 具体表现在 1 c a e 技术被普遍认可 其分析方法的准确性和精确性已得到普遍认可 2 c a e 分析和工程设计紧密结合 实现了分析与设计的同步 3 c a e 分析范围扩大 分析对象从以前的单个零件发展到现在的总成系统 整车系统 从线弹性分析发展到非线性分析和多物理场耦合分析 4 c a e 软件向专业应用方向发展 简化了分析方法 提高了c a e 应用效益 这对汽车企业开发能力的建立和提升具有重要意义 c a e 仿真技术的应用改变了传统的设计方法和流程 使汽车产品的大多数 问题都可以在设计阶段通过仿真得到解决 从而提高了设计质量和效率 大大 降低了开发时间和费用 国内的车身结构c a e 分析技术与国外的车身结构分 析相比还存在着许多的不足 主要表现在 9 j 1 车身结构开发工作主要还是依赖于经验和解剖进口结构进行参照性设计 的 多用来解决样车试验以后出现的设计问题 设计与分析未能真正做到 并行 2 有限元分析主要应用在结构的强度和刚度和动态分析方面 在碰撞 振动 噪声 外流方面模拟计算还没有全面的发展起来 3 从分析的内容来看 往往只分析一项指标 并据此进行修改 而不考虑或 未能全面考虑对其它指标的影响 4 计算机辅助分析仍主要面向试件或成品 而面向设计 特别是面向早期设 计的研究较少 因而不能发挥c a e 技术缩短产品开发周期的巨大潜力 只有真正认识到与发达国家的差距 在产品开发早期阶段采用现代设计分 析工具 预测轿车静动态特性 并进行结构优化决策 从多方面研究完善并积 累自己的经验 才能真正提高技术水平和自主开发能力 1 4 轿车车身研究的意义 汽车对人类社会生活的影响越来越大 从可持续发展的角度来看 节约资 源 减少环境污染成为现代汽车设计中的两大焦点问题 轿车车身的设计和生 产带动的相关科技和经济的发展在社会发展中起到了很大的推动作用 1 能源问题 汽车的主要燃料是汽油 柴油等石油产品 全世界的汽车年消耗石油一百 多亿桶 占世界石油总消耗量的5 0 左右 减轻汽车质量是降低燃耗最有效的 措施 根据实验测定 轿车净质量减少1 0 0 k g 其百公里油耗随之降低o 6 l 左 右 1 0 l 6 2 地球环境问题 燃耗与废气排放密切相关 汽车排放成为温室效应和空气污染重要原因的 倾向显著增强 面对石油储量逐渐减少 终将枯竭的严峻前景和汽车排放严重 破坏地球环境的现实威胁 努力减轻汽车质量 节约燃耗 减少排放污染已成 为轿车技术进步的重要而紧迫的课题 3 涉及面及影响力 轿车车身的涉及面远远超出一般机械产品的范畴 诸如 工程力学 工业 设计 空气动力学 人机工程学 材料学 电子学等 轿车车身的发展状况直 接反映出一个国家的科技和工业水平 在制造方面 车身的制造涉及材料的品种之多是发动机 底盘所不能比拟 的 其资金投入之巨 技术含量之高 涉及面之广 生产工艺之复杂 管理之 精细 真正体现了汽车工业是带动整个基础工业水平上台阶的重要支柱产业 1 5 本文主要研究内容 本文以国内某汽车公司设计开发的中高级轿车为研究对象 通过u g 图取 出零部件的中面 然后 在相关的软件中按照一定的标准划分网格 把合格的有 限元模型导入到a n s y s 中进行相关分析 本文研究的主要内容如下 1 总结阐述了有限元发展的过程及相关有限元软件 2 对建模过中有限元模型的相关问题进行了研究 3 对白车身的刚度 弯曲刚度和扭转刚度 进行了模拟分析并与同等车型的 刚度值进行比较 通过比较分析我们对该车刚度进行了相关评价 4 对建立的白车身有限元和带玻璃有限元模型进行理论模态计算 并对两者 进行对比以说明玻璃对车身刚度的影响 5 对白车身进行了弯曲刚度 扭转刚度 模态试验 同时在试验的基础上对 有限元模型进行验证以确保有限元模型能较好的反映白车身的静动态性能 为下一步优化设计工作提供了理论和实验依据 7 第二章结构有限元理论及其应用 2 1 引言 有限元分析 f e a f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 的基本概念是用较简单的问题代 替复杂问题后再求解 它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组 成 对每一单元假定一个合适的 较简单的 近似解 然后推导求解这个域总的 满足条件 如结构的平衡条件 从而得到问题的解 这个解不是准确解 而是 近似解 由于大多数实际问题难以得到准确解 而有限元计算精度高且能适应 各种复杂形状 因而成为行之有效的工程分析手段 1 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限 于相对小的子域中 2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克 拉夫 c l o u g h 教授形象地将其描绘为 有限元法 r a y l e i g hr i t z 法 分片函数 即有限元法是r a y l e i g hr i t z 法的一种局部化情况 不同于求解 往往是困难的 满足整个定义域边界条件的允许函数的r a y l e i g hr i t z 法 有限元法将函数定义 在简单几何形状 如二维问题中的三角形或任意四边形 的单元域上 分片函 数 且不考虑整个定义域的复杂边界条件 这是有限元法优于其他近似方法的 原因之一 12 1 2 2有限元方法基本理论 2 2 1有限元求解法的基本步骤 对于不同物理性质和数学模型的问题 有限元求解法的基本步骤是相同的 只是具体公式推导和运算求解不同 有限元求解问题的基本步骤通常为 1 问题及求解域定义根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域 2 求解域离散化将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有 限个单元组成的离散域 习惯上称为有限元网格划分 单元越小则离散域 的近似程度越好 计算结果也越精确 但计算量及误差都将增大 因此求 解域的离散化是有限元法的核心技术之一 3 确定状态变量及控制方法一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题 状态变量边界条件的微分方程式表示 为适合有限元求解 通常将微分方 程化为等价的泛函形式 4 单元求解对单元构造一个适合的近似解 包括选择合理的单元坐标系 建 立单元形函数 以某种方法给出单元各状态变量的离散关系 从而形成单 元矩阵 结构力学中称刚度阵或柔度阵 为保证问题求解的收敛性 单元 推导有许多原则要遵循 对工程应用而言 重要的是应注意每一种单元的 解题性能与约束 例如 单元形状应以规则为好 畸形时不仅精度低 而 且有缺秩的危险 将导致无法求解 5 总装求解将单元总装形成离散域的总矩阵方程 反映对近似求解域的离散 域的要求 即单元函数的连续性要满足一定的连续条件 总装是在相邻单 元结点进行 状态变量及其导数连续性建立在结点处 6 联立方程组求解和结果解释有限元法最终导致联立方程组 联立方程组的 求解可用直接法 选代法和随机法 求解结果是单元结点处状态变量的近 似值 对于计算结果的质量 将通过与设计准则提供的允许值比较来评价 并确定是否需要重复计算 12 1 简言之 有限元分析可分成三个阶段 前处理 求解和后处理 前处理是 建立有限元模型 完成单元网格划分 后处理则是采集处理分析结果 使用户 能简便提取信息 了解计算结果 2 2 2线弹性体有限元分析 线弹性体的有限元分析是整个结构有限元分析的基础 它主要由以下步骤 完成 1 3 1 结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步 它是有限元方法的基础 这一步是 把要分析的结构划分成有限个单元体 并在单元制定位置设置节点 把相邻单 元在节点处连接起来组成单元的集合体 以代替原来的结构 2 选择位移函数 用节点位移来表示单元内任何一点的位移 应力和应变 首先假定单元内 任意一点的位移是坐标的某种简单函数 称之为位移函数 也即 n 皖 2 1 式中 t 为单元内任意一点的位移列向量 t 吃 为单元的节点位移列向量 为形状函数矩阵 3 单元的力学特征 利用弹性力学的几何方程 可以导出用节点位移表示的单元应变 b 绒 2 2 式中 曰 为几何矩阵 利用物理方程 可以导出用节点位移表示的单元应力 仃 d b 皖 r 2 3 利用虚功方程建立作用于单元上的节点载荷和节点位移之间的关系式 即 单元的刚度方程 从而导出单元的刚度矩阵 e k 皖 2 4 e l 例r d b 咖 2 5 式中 k 一单元网0 度矩阵 只卜一等效节点荷载列向量 9 4 计算等效节点荷载 连续弹性体经过离散化以后 假定力是通过节点从一个单元传递到另外一 个单元 但是对于实际的连续体 力是从公共边界传递到另外一个单元的 因 此 作用在单元上的集中力 体积力以及作用在单元边界上的表面力 都必须 等效的移置到节点上去 形成等效节点荷载 1 2 5 整体分析 集合所有单元的刚度方程 建立整个结构的平衡方程 从而形成总体刚度 矩阵 k j 毋 2 6 式中 瞵 一全结构的总体刚度矩阵 毋一全结构的节点位移列向量 尸 一全结构的等效节点荷载列向量 6 应用位移边界条件 应用边界位移条件 消除总体刚度矩阵的奇异性 使式 2 6 可以求解 7 求解结构平衡方程 结构的平衡方程是以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程组 解这个方程 组可以求得未知的节点位移 8 计算单元应力 按式 2 3 由节点位移求出单元的应力 2 2 3 弹性问题基本力学方程 弹性体在载荷作用下 体内任意一点的应力状态可由6 个应力分量吒 巳 吒 勺 吃来表示 其中吒 q 吒为正应力 岛 为剪应力 应力分量及其正方向见图2 1 所示 图2 1 应力方向图 应力分析的矩阵表示称为应力列阵或应力向量 仃 b 仃 仃 f 掣f 弦f r 2 7 l o 弹性体在载荷作用下 还将产生位移和变形 即弹性体位置的移动和形状 的改变 弹性体内任一点的位移可由沿直角坐标轴方向的3 个分量u v w 来表示 其矩阵形式为 1 w 1 2 8 式 2 8 称作位移阵列或位移向量 弹性体内任意一点的应变 可由6 个应变分量幺 e 来表示 其中 乞为正应变 坛为剪切应变 应变的矩阵形式为 p y w 7 y嚣j 2 9 式 2 9 称作应变列阵或应变向量 对于线弹性问题 弹性力学基本方程的建立有三个前提条件心引 即 1 连续介质假设 假设弹性体所占据的空间区域由连续分布的物资充满 不 留空隙 2 小位移 小变形假设 假定弹性体在任一点处的位移和应变都很小 以至 应变和位移之间的关系是线性的 3 线性弹性假设 假定弹性体的应力一应变关系服从广义胡克定律 根据上述假设 三维空间问题 其弹性力学基本方程可写成如下三种形式 1 几何方程 应变一位移关系 根据小位移 小应变假设 弹性体的应变和位移之间的关系即几何方程为 巳2 i 勺 而 t 瓦 5 1 a 磊 面 a w5 v 面 面 a 玉a w 九 西 瓦 几何方程的矩阵形式是 p l 缸 式中 l 为微分算子 l 三o d x o 三 o y oo o 立 砂 立 i x 未 o o 三 i z 三0 d z aa 砂 孤 l l 2 1 0 2 1 1 2 1 2 2 平衡方程 弹性体v 域内任一点沿坐标轴方向x y z 的平衡方程为 0 0 0 平衡方程的矩阵形式为 陋 1 仃 q 0 式中 q q xq q z 2 g 工g g 一单元体积的体积力在各方向的分量 3 物理方程 应力一应变关系 对于线性弹性介质 应力与应变之间的关系服从广义胡克定律 的矩阵形式为 仃 ds 式中 d 为弹性矩阵 且 d 墨 1 1 2 t 1 一 11 一 对 讧硅1 一睡 0 o o 1 2 p 彳2 oo0o 0000 称 2 1 3 2 1 4 即物理方程 2 1 5 1 2 j 2 0 1 2 彳 二 式中 e 一材料的弹性模量 u 一材料的泊松比 本文所讨论的白车身结构绝大部分是由薄板冲压件组装而成 其板厚在 o 4 一 3 m m 之间 远小于平面尺寸 其受力方式可以认为是薄板弯曲问题 为此 将弹性力学方程中应力应变函数关系通过挠度表示 挠度为薄板弹性曲面中面内 各点在垂直于中面方向的位移w 弹性力学中 对薄板弯曲情况做出如下假设 1 3 1 垂直于中面的正应变 极其微小 可以忽略不计 即 芸 0 2 1 6 2 应力分量吃 勺和吒远小于其他三个应力分量 他们所引起的应变可以忽 略不计 即 1 2 坨i 峨百吨i 吨可峨可峨可帆百峨i 眈百 如 易 0 e z o 3 薄板中面内的各点都没有平行于中面的位移 4 挤压应力引起的变形可以忽略不计 根据式 2 2 2 知 坛 老 芸 o 老 面o w 由式 2 1 8 得到 a a wa va w a z孤 a z a v 因为挠度w 只是x y 的函数 将式 2 1 9 对z 进行积分可得 一祟z z 训 1 一娑z f 2 训 2 1 7 根据上面的薄板弯曲假设 3 可知 六 六三0 2 2 2 根据公式 2 1 0 2 2 0 2 2 1 2 2 2 得到结构的应变可用挠度表示 为 e 面 而 a 1 a y 一 砂 孤 a 1 a 2 w 一哥2 a 2 w 一哥2 一2 塑z 孤砂 同理薄板弯曲中的应力可用挠度表示为 e e z 2 w州w 吒 五2 e x e y 一再l e z 可o w 萨o w e e z w q 五2 e y 懈工 一再 矿c i w 矿o w e c 磅 2 1 u y w 一鲁uc 熹 一一 一 1 孤a 1 7 1 3 2 2 3 2 2 4 8 9 骖 r 1 l i i j 0 纵 乏 q 但 q 2 2 4 求解的收敛问题 在选择单元位移函数时 应当保证有限元法解的收敛性 即当网格逐渐加 密时 有限元解的序列收敛到精确解 或者 当单元尺寸固定时 每个单元的 自由度数越多 有限元法的解越趋近于精确解 有限元法收敛条件如下 1 单元内的位移函数必须是连续的 用来构造单元位移函数的多项式是单值连续的 因此选用多项式为插值函 数的单元位移函数在单元内是连续的 2 单元位移函数必需包括刚性位移项 每个单元的位移总可以分解为刚性位移和它自身变形位移二个部分 由于 一个单元牵连在另一些单元上 其他单元发生变形时必将带动该单元作刚性位 移 因此 为模拟一个单元的真实位移 假定的单元位移函数必须包括弹性力 学的刚体位移项 当节点位移具有相应于刚体位移的给定值时 单元应变和节点力必是零 当采用不包括刚性位移项的单元位移函数 就会出多余的应变和节点力 因此 节点的平衡方程受到限制 3 单元内的位移函数必须包括常应变项 每一个单元的应变状态总可以分解为不依赖于单元内各点位置的常应变 和由各点位置决定的变量应变 当单元尺寸足够小时 单元中各点的应变趋于 相等 单元的变形比较均匀 因而常应变就成为应变的主要部分 为反映单元的 应变状态 单元位移函数包括常应变是必须的要求 4 关于相邻单元公共边界上的连续性 有限元法一定要求满足有公共节点的单元在节点处的连续性 在连续体弹 性力学中 位移是处处连续的 不难想象 如果单元非常小 并且在相邻单元 的公共节点处具有相同的位移 也就能保证它们在整个公共边界上大致取得相 同的位移 在相邻单元之间接近连续 在板 壳的相邻单元之间 还要求斜率 不发生突变 只有这样才能保证结构的应变能是有界的 以上提及的4 条收敛条件 只要假定的位移函数由多项式构成 满足第1 条要求是不成问题的 第2 3 条说明了在构造单元位移函数时 且不能遗漏了 常数项 一次项等低阶项 第1 2 3 条是有限元法解答收敛的必要条件 与 第4 条一起构成了有限元法解答收敛的充要条件 凡满足第2 3 条的单元又称 为完备单元 满足第4 条的单元称为协调单元 对于完备和协调的单元其解答 的收敛性是单调的 1 4 2 3 现代有限元软件概述 现代有限元软件是结合计算力学 计算数学 相关的工程科学 工程管理 学和现代计算技术 而形成的综合性 知识密集型信息产品 作为2 0 世纪中期 1 4 兴起的技术手段 有限元技术随着计算机技术的迅猛发展 得到了飞速发展和 广泛的应用 以有限元法为代表的c a e 技术是分析各种结构问题的强有力的工 具 它是伴随着电子计算机技术的进步而发展起来的一种新兴数值分析方法 基于有限元技术的c a e 软件是以有限元法 有限差分法及有限体积法为数 学基础发展起来的 相应的c a e 软件则包含了数值计算技术 计算机图形技术 数据库技术及工程分析与仿真在内的综合型软件系统 它无论在数量 规模上 还是应用范围上都处于主要地位 在汽车c a d c a e 技术中 有限元分析方法和软件技术占据了一个极其重 要的位置 对汽车的零部件和整体结构进行动力学仿真和分析 是研究其可靠 性 寻求最佳设计方案的主要手段 l4 1 2 3 1h y p e r m e s h 软件简介 a l t a i rh y p e r m e s h 对于大多数有限元求解器来说是一个具有很高性能的有 限元前 后处理器 使工程师在一个具有高度互动和良好的界面环境中进行工 程设计分析 h y p e r m e s h 的用户界面简洁易学 支持多种c a d 几何模型的直接 导入或是在已有的有限元模型上直接使用 使得分析更加高效和具有协同性 它的优势主要体现在 0 j 1 通过高性能的有限元建