汽车车架有限元分析模型的改进与应用

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1、汽车车架有限元分析模型的改进与应用黄贵东1・2，沈光烈，黄昶春,韦志林（1广西工学院汽车研究所，广西柳州545006；2武汉理工大学，湖北武汉430070）摘要：为改进传统车架结构有限元分析中梁模世的块陷，本文提出一个用梁单元和用壳单元离散的节点单元的新型模型在一次计算中能得到节点细部应力分布特征和梁裁面设计所需要的截而内力计算结果证明新有限元模型理论上的正确性和对工程的实际意义'关键词：车架结构；有限元法；薄壁杆系中图分类号：U463.32;TB115文献标识码:A文章编号：1672—545X（2007）02-0004-03冇限元梁理论中节点完全刚性的假设和实际上薄壁杆系节点局部变形的出现产

2、生了孑盾，使我们不得不考虑济壁杆系节点刚度特征对结构分析结果的影响。研究表明，在很多情况下若不考虑节点刚度特征，应力和变形的计算i吴寿是不能接受的。因此考虑薄壁杆系节点刚度特征的问题引起了国内外研究者的重视,并进行了多年的研究工作。目前汽车车架通川的有限元计算方法首先川梁单元进行离散a-m出梁单元的内力,据此对梁单元的截面进行设计，然后再川壳单元进行离散,分析节点构造细部的应力特征。这样要进行两次不同模型的计算。这种结构设计方法存在的问题在于，第一次用梁单元进行计算时，由于没有考虑到节点刚度的影响，所以计算出来的刚度偏高，同样也带来了梁单元内力的误差。针对上述问题，在冋顾和分析国内外薄壁杆系研

3、究的基础上，我们在研究中提出了一个新的，能够考虑薄壁杆系节点刚度特征的计算模型。其优点是计算模型中包括了梁单元和川壳单元离散的节点单元,共同构成薄壁杆系在一次计算中能提供节点设计所需要的节点细部应力分布特征，同时也町以提供梁截面设计所需要的截面内力特征。此外还提出了一个模型优劣的评价标准,并经工程计算实例验证八计算表明本研究中的新模型具有相当高的精度。1薄壁杆系节点柔度特征方面的研究杆系有限元理论中认为节点是完全刚性的，和节点相连的杆件在节点处与节点刚性的连接，与节点一起移动、转动，而杆件与节点之间不存在任何相对的位移.在实际结构中,特别是在薄壁杆系结构中，节点刚件的假设与实际结构中节点局部的

4、变形情况相矛盾。上世纪90年代，国外对这方面的工作体现在一篇《车身薄钢板骨架接头的刚度》的论文中，文章发表在国外汽车杂志上。该文基本上从实验角度出发，讨论了不同形式接头的刚度特征，并未讨论iI-算方法方面的问题。国内关于这方面的研究有大连工学院陆允康的《结构节点模型的“弗晰”精化处理》山，该文应用模糊理论的隶属度概念，提出了平面杆系考虑节点刚度的计算公式,缺点是该公式仅川于平面杆系，三维空间梁单元无法应川。另外，从实际计算应川考虑，该方法不可以实际应川，因为该文中不能给出节点隶属度的确定方法，仅依靠工程经验加以估计，该方法主耍意义在于理论方面的新意，达不到实际使用的效果。在薄壁杆系结构中典型的

5、结构为汽车的车架。一些汽车车架仅用厚度1.4nun的矩形板材冲压焊接而成，因此节点柔度特征对车架动、静态响应的影响尤其明显，应引起足够的重视,1.1新的某款汽车车架的计算模型汽车徵的右限元分析通常的作法是建立梁祝模型I23,如前所述,梁单元模型的节点和各单元的连接是刚性的,这样不能反映出节点处的“局部柔量”，计算结果所提供的位移响应、固有频率等都出现较大的谋差。并且也不能得到骨架节点部位的应力信息，而这一信息对节点细部构造的设计十分重耍。解决这个问题的直接方法是将整个车身骨架离散成板壳单元。这样町以休现骨架节点区域的刚度特征和应力分布特点,计算结杲也较为粘确

6、4*5

7、0这种思路在理论上看來行得

8、通,fn在实际中很堆实现。闲难有儿个方面:一是离散成板壳单元后整个模型口由度大大増加，对计算机性能和计算费川提出的要求无法接受;二是将车身骨架正确无误的离散成板売单元这-工作本身的工作屋就非常大，以至花费的时间和粘力也是设计人员不能接受的；三是不能得到截面优化设计所需的内力信息。因此•这种思路在实践中很难应用。我们需要寻找一种模型，它能反映出节点区域的刚度特性,既能提供节点区域应力信息,乂能提供骨架横截面的内力，以满足截面优化和节点设计所需，同时使位移及固有频率和振型达到比较好的精度。研究表明：由于节点处存在“局部柔量”,不符合梁单元的变形平而假设，存在应力奇界,但奇界仅发牛在节点附近的有限区

9、域内。根据以上分析，我们可以建立“超单元”模型，即将节点附近应力奇界区域分离出来作为一个超小元JIJHffj形或四边形板売单元离散，作为超单元，各超单元之间用梁单元连接，如图收稿日期:2006-12-03作者简介:黄贵东，男，36岁.工程师，武汉理工大学在职研究生°主要从沪汽车CAD.CAE方面研究。基金项目:广西壮族口治区口然科学基金（桂科A0481024）。《装备制造技术》2007邙第2期图1