某suv车身的轻量化设计与研究

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万方数据分类号：U463．82单位代码：11232密级：◆f京信息科技太伊工程硕士(专业)学位论文某SUV车身的轻量化设计与研究学院：专业：学号：作者：学校指导教师：企业指导老师：完成日期：机电工程学院机械工程2012020067许佳斌张瑞乾副教授朱红霞二零一四年十二月二十日 万方数据学位论文版权使用授权书嬲本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本。学校有权保留学位论文并向中国科学技术信息研究所等国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。学校有权适当复制、公布论文的全部或部分内容。学校有权将本人的学位论文加入《中国优秀硕士学位论文全文数据库》和编入《中国知识资源总库》。学位论文储虢孑冬侄砜2．0店_年3月／2日口公开口保密(——年——月)(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)指导教品繇弓客海寡长位论文作者虢鼍位斌D2矽／夕年弓月／也日幻心年3月／z日 万方数据硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文题目为《某SUV车身的轻量化设计与研究》学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、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，均己在文中以明确方式标明并表示了谢意。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。作者擗咯位纸zo／s年3月屋日 万方数据摘要近年来，随着国内汽车工业快速发展，汽车保有量逐年增长，由此带来的能源消耗及环保等问题日趋紧张，这必将阻碍国内汽车工业的可持续发展。汽车轻量化技术作为汽车降低能耗、减少排放的有效手段，已经成为汽车工业发展过程中的一项关键性研究课题。轻量化已经成为国内外各汽车厂商的核心竞争技术之一。与我校合作的山西长治某汽车企业对汽车的轻量化提出了要求。基于这些原因我选择车身轻量化的课题进行研究。针对该课题，本文主要开展了以下几方面的研究工作：1、针对国内外汽车厂商和研究人员关于汽车轻量化的研究成果做了分类综述，为车身的结构优化奠定了理论基础。2、利用有限元方法对车身结构进行了动静态分析，如模态及振型、弯曲刚度和扭转刚度等性能参数，为车身结构的优化研究提供了数据参考。3、学习结构灵敏度的优化方法，实现对该车身结构的进一步优化。在保证车身基本性能参数不降低的前提下，有效地减轻车身质量，实现汽车企业寻求轻量化的目的。总之，在本课题的研究过程中，从理论上实现了车身的轻量化设计，研究成果可供企业参考。关键词：白车身；有限元法；灵敏度分析：轻量化 万方数据ABSTRACTInrecentyears，withtherapiddevelopmentofthedomesticautomotiveindustry,carownershipincreasesyearbyyear,andtheresultsleadtotheenergyconsumptionandenvironmentalproblemsbecomeincreasinglynervous，whichwillhinderthesustainabledevelopmentofthedomesticautomotiveindustry．Asalleffectivemethodtoreduceenergyconsumptionandemissions，automotivelightweighttechnologyhasbecomeakeyresearchsubjectinthedevelopmentofautomobileindustry．Lightweighttechnologyisoneoftheautomotivemanufacturercorecompetitiontechnologiesinthedomesticandabroad．Asthecooperationenterpriseofourschool，ShanxiChangZhiautomotivecompanyputsforwardtherequirementofautomobilelightweightrequirement．ForthesereasonsIchooselightwdghtcarbodysubjectforresearch．Accordingtothesubject，thispaperhascarriedoutthefollowingaspectsoftheresearchwork：1．Theresearchresultsaboutautomotivelightweightingofautomanufacturersandresearcherbothdomesticandabroadwerereviewedrespectively,thisresearchworklaysthegroundworkforthestructureoptimizationofcarbody．2．Usingthefiniteelementmethod，thedynamicandstaticoftheCarbodystructureareanalyzed，suchastheperformanceparametersofintrinsicmodeandmodeofvibration，bendingrigidity,torsionalrigidity,andthisresearchworklaysthegroundworkfortheoptimizationofbodystructure．3．Learningtheoptimizationmethodofthestructuresensitivitytorealizethefurtheroptimizationofthebodystructure，inguaranteeunderthepermiseofthebasicperformanceparametersofthecarbodyarenotreduced，effectivelyreducingthebodyquality,whichimplementsautomobileenterprisesforthepurposeoflightweight．Inaword，intheprocessofthistopicresearch，thispaperrealizesthelightweightdesignofcarbodyintheorywhichcanprovideareferenceforthecompany．KEYWORDS：B1wjfiniteelementanalysis，sensitivityoptimizationmethod，lightweightII 万方数据目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．IABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯II目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯III第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2汽车车身轻量化的技术内涵及研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2．1汽车车身轻量化的技术内涵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2．2汽车车身轻量化的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21-3汽车车身轻量化的途径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．4本文研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3第2章车身轻量化材料及优化方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52．1车身轻量化材料的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52．1．1车身材料模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52．1．2车身材料选择的原则与轻量化材料的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．72．2车身结构有限元建模方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．2．1有限元方法的基本原理与分析步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92．2．2车身建模的简化原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．2．3车身建模常用的单元类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l12．2．4车身建模的网格质量检查方法和标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．3车身结构最优化方法一灵敏度分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．122．3．1灵敏度分析方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．3．2车身结构灵敏度分析基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122。4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13第3章SUV车身有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．143．1车身结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一14工II 万方数据目录3．1．1车身组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯143．1．2车身材料属性的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯153．2车身有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一153．2．1几何模型的简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯153．2．2网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯163．2．3连接关系的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯183．3．4车身有限元模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯203．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．20第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．214．1白车身模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．214．1．1计算模态分析原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯214．1．2白车身自由模态分析及模态应变能分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯234．1．3计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯254．2白车身刚度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯264．2．1白车身静弯曲刚度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯264．2．2静扭转刚度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯284．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．30第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯315．1优化设计方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．315．2车身模态及刚度灵敏度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一325．2．1白车身模态、刚度的灵敏度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯325．2．2车身结构优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯365．2．3优化结果分析评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯385．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．39第6章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．416．1工作总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．416．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．41参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．43致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．45TV 万方数据目录个人简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46V 万方数据第1章绪论1．1选题背景及意义近年来，随着汽车工业的发展以及人们生活水平的提高，汽车已经成为当今社会不可或缺的交通工具，而且极大地促进和推动了人类社会的发展与进步。世界汽车保有量与日俱增，根据美国调查公司NavigantResearch公司发布的最新报告指出，2014年世界范围内轻型车新车销售量将达到8410万辆，而汽车保有量将达到12亿辆，并预测到2035年时世界范围内售出的新型轻型车将达到12690万辆。但随之带来的能源短缺、环境污染等一系列问题日益突出，“节能环保”逐渐成为人们广泛关注的话题，能源和环境正在成为影响世界汽车产业发展的两大决定因素。虽然全球新能源汽车发展已经形成共识，但不论是从长远发展考虑以纯电动驱动为主要技术方向的新能源汽车，还是在短期内以油电混合、插电式混合动力作为过渡的新能源汽车，从目前来看，都还面临着一些共同的难题，例如关键技术的突破、汽车工业的转型、基础设施的建设以及消费者的接受程度等。因此，新能源汽车还不能完全取代汽油车和柴油车成为解决能源与环境问题的关键。目前，世界各大汽车制造商在汽车设计开发过程中，以降低油耗为目标，在提高发动机效率、减少行驶阻力、改善传动机构效率的同时，汽车的轻量化设计也被广泛应用到普通汽车领域。汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量，在保证汽车整体品质、性能和成本不变的同时，降低汽车自身质量，不仅可以提高输出功率、降低油耗、减少废气排放，还可以提升操控性、可靠性、安全性以及NVH性能。有关研究数据表明，汽车整车质量每降低10％，燃油消耗就可减少6％～8％，废气排放降低4％~10％；在空载情况下，约70％的油耗用在整车质量上【11。而整车质量中约有30％～50％为车身质量，因此，车身的轻量化对整车减重效果影响很大【2】，对于整车的燃油经济性、车辆的操纵稳定性和碰撞安全性都大有裨益。1．2汽车车身轻量化的技术内涵及研究现状1．2．1汽车车身轻量化的技术内涵汽车车身轻量化的技术内涵就是以节能环保、安全舒适为目标，在满足车身各项性能指标的前提下，运用现代设计方法、使用新型材料、采用先进制造工艺对车身结 万方数据第l章绪论构进行优化设计，尽可能地降低车身质量，I司时控制汽车的制造成本。1．2．2汽车车身轻量化的研究现状汽车的轻量化设计主要包括车身结构的轻量化设计和底盘关键零部件的轻量化设计。由于车身结构质量占整车质量的30％以上，存在较大的减重空间，近年来针对车身结构轻量化设计方法的研究越来越多。目前，根据轻量化设计研究方法的不同，可归结为以下几大类：有限元法，单一目标优化设计法，多目标优化方法，多学科优化设计法，多材料结构优化方法，灵敏度分析法，拓扑优化、尺寸优化和形貌优化法，结构参数化设计方法。其中有限元法和灵敏度分析方法应用最广、技术相对最成熟。有限元方法作为一种分析手段，其主要功能是对己给定结构的设计方案进行准确评价和校核。随着计算机技术的发展，汽车产品的开发也开始广泛应用有限元分析与优化设计相结合的方法对汽车结构进行轻量化设计。单一目标优化设计是以有限元方法为手段，结合优化设计理论，以减重为唯一目标，结构的主要性能指标为约束条件，采用优化设计计算法进行迭代计算，最终求得最优解。王海亮等【3J采用中心组合法，通过在设计空问中选择少量样本来获得设计的响应特性，并以二阶响应面模型建立近似模型，基于方形薄壁构件和前纵梁的耐撞性，应用Pareto遗传算法对其进行了轻量化设计；Marklund．P．O．和NilssonL．[41在研究汽车瞬态碰撞问题中，采用全局近似方法建立近似模型，基于碰撞安全性对B柱进行了轻量化设计，使得B柱质量减轻了25％。多目标优化和多学科优化设计是随着结构分析能力和手段的不断完善，以及现代优化设计理论的不断发展，由单一目标优化逐步发展而来。易成辉等【5j以车门垂直刚度、一阶频率和车门质量为优化目标，通过均匀拉丁方试验设计和响应面方法建立近似模型，采用多目标遗传算法对其进行求解，由最优解得到在保证垂直刚度和一阶频率都提高的同时，车门整体质量降低了0．77Kg。周会锋等【6]以白车身的多个主要性能(扭转刚度、一阶扭转模态、弯曲刚度和尾部弯曲刚度)和质量为优化目标，基于DOE响应面优化方法，通过Hammersley算法对设计变量进行筛选采样，最后在由HyperKriging方法创建的响应面上计算求解，在保证性能要求的基础上白车身质量减轻了1．5％。Sobieszezanki—SobieskiJ．等【7]以车身静态弯曲刚度、扭转刚度、低阶扭转和弯曲模态、车身顶盖抗压强度以及质量为优化目标，通过建立不同领域响应的近似模型对目标函数进行求解，最终车身结构性能得到显著提高，与此同时车身质量减少了15Kg。灵敏度分析方法是通过计算出目标函数(一般为质量)对约束条件(主要包括刚2 万方数据塑!里堑笙度、位移、频率)的贡献率来选择设计变量(板件厚度)，在保证约束条件性能不降低的情况下实现有效减重。文献[8】和【9】都是以车门为研究对象，利用灵敏度分析方法实现车门重量的减轻以及刚度和频率的提升。拓扑、尺寸和形貌优化方法可以应用到汽车设计开发过程的各个阶段，例如：在概念设计阶段可以得到结构的基本形状；在详细设计阶段可以改进产品结构。文献[10]综合应用拓扑优化和尺寸优化，通过建立拓扑优化模型、概念模型和多目标优化模型，对电动车白车身进行正向设计，在保证刚度要求的同时实现了白车身的轻量化设计。文献[11】通过CAE形貌优化和参数化尺寸优化的方法，根据车身不同区域钣金零件的加强筋性能设定合理的优化目标，从而找到初始的加强筋设计方案，并在此基础上完成最终设计。文献[121以车身扭转刚度为目标函数，对整个车身进行了形貌优化，找到了车身需要加强和改善的部位。结构参数化设计方法一般用于车身结构概念设计，主要是利用结构分析软件，通过构建某一相对简单的零部件的参数化模型，实现对其结构的分析，并根据分析结果和设计要求修改相关的形状和尺寸参数，而与之相关的模型参数会自动进行调整，这样就大大减少了因结构修改和改进而再建模的时间，提高了结构优化设计的效率，缩短了产品的开发周期。国内外很多大型汽车制造商，如德国大众、美国的福特和通用汽车公司、我国的吉利和长安等，都在应用车身结构参数化设计软件对车身结构进行轻量化设计。1．3汽车车身轻量化的途径在不改变车身尺寸的前提下，车身结构轻量化可以通过以下途径实现u副：(1)优化车身结构。采用高刚性结构、合理设计板件厚度和冲压薄板的形貌、优化骨架传力路径和承载结构件材料分布。(2)更新车身零件的制造和连接工艺。采用激光焊接技术将多个零件简化为一体化结构、采用新的连接技术减少焊料质量、采用管件液压胀形、不等厚板轧制及超高强度钢的热成形技术等。(3)用轻质材料替换传统的低强度钢。增加高强度钢、铝合金、镁合金、塑料及其复合材料等在车身骨架及内饰件上的使用范围。1．4本文研究的主要内容本文主要以山西成功汽车制造有限公司研发的SUVl08车型(如图1．1)的车身为研究对象，选择白车身上的部分构件作为轻量化研究重点，利用有限元方法对其结3u 万方数据第1章绪论构进行分析，并采用结构灵敏度分析方法对白车身进行优化，最后运用一系列性能指标对优化的白车身进行评价，为今后该车型的改款或重新设计提供数据参考。图1．1SUVl08标杆车本文研究的主要内容有：(1)查阅大量汽车的研究文献，系统分析了目前国内外的研究现状与研究成果。(2)分别从车身轻量化材料的选择、车身结构有限元建模方法和车身结构的最优化方法三方面对汽车车身结构轻量化设计常用的理论和方法进行了详细阐述，为后续章节开展车身结构轻量化研究提供必要的理论基础。(3)主要介绍了该SUV车身的结构组成及主要部件的材料属性，利用有限元软件HyperMesh对车身模型进行前处理，主要包括几何模型的简化、网格化分和连接关系的模拟。(4)利用有限元方法对白车身部分部件的主要静动态性能指标进行了分析，包括模态分析和刚度分析。(5)通过分析白车身重量、刚度和一阶固有频率对板厚的灵敏度，计算出白车身质量对其固有频率、下沉和扭转刚度的贡献率。以白车身的质量最小为优化目标，以白车身刚度、变形量和振动频率为约束条件，进行轻量化设计，在保证白车身结构主要性能不降低的条件下实现有效的减重。4 万方数据第2章车身轻量化材料及优化方法2．1车身轻量化材料的选择2．1．1车身材料模型对于车身设计合理性的判断，无论是概念设计还是详细设计，都应基于材料和结构的共同作用结果，即分析计算前应根据实验或手册获取所选材料的力学性能作为输入参数，分析计算后应将结构响应量与材料许用值进行比较，判断设计是否合理。准确地掌握材料主要力学性能指标的物理意义、计算方法和工作范围，是获取正确的分析结果并对设计是否合理做出正确判断的前提。机械工程材料的应力．应变曲线是机械材料分析中的重要曲线，它反映的是工程应力与工程应变之间的关系。由于应力计算时采用的截面积不同，它与真实应力一应变曲线存在差异，如图2．1所示。O图2．1两种应力一应变曲线示意图车身材料常见的应力．应变曲线形状主要有以下四种，如图2．2所示【¨l。1．理想弹性(纯弹性)材料：对于理想弹性材料，a=如，如图2．2(a)所示。其中主要包括低温金属、大部分玻璃、横向交联很好的聚合物，结构小变形时也可近似认为属于此类。2．弹性．均匀塑性材料：当材料的变形量在超过了弹性极限后，就会进入到塑性变形的阶段，其应力．应变关系如图2．2(b)所示。其中主要包括金属、合金和非晶态高分子聚合物。对于流变应力一应变，可以用三种幂函数表达：1)Swift公式5 万方数据第2章车身轻量化材料及优化方法矿=K(占o+占)(0≤"≤1)f2．1、式中K为强化系数；”为硬化指数。2)Ludwick公式口=ds+足占“(o≤月≤1’(2．2)式中K为强化系数；竹为硬化指数；当n=0时，为理想刚塑性材料，当”=1时，为刚塑性线性强化。3)Hollomon公式盯=Kz”(0s阡≤l’(2．3)式中K为强化系数，即s=1时的真实应力；n为硬化指数，表明材料抵抗变形的能力，其大小为拉伸试验中最大载荷点对应的真实应变，即n=F。。3．弹性一不均匀塑性一均匀塑性材料：材料在超过弹性极限(比例限)后，经过局部屈服进入塑性阶段，应力．应变关系如图2．2(c)所示。其中包括铁基金属、部分有色金属以及结晶态高分子聚合物。4．弹性．均匀塑性．均匀塑性材料：材料经过弹性极限后，其中某一层发生均匀塑性变形，然后下一层按新的刚度继续塑性变形，以此类推，其应力一应变关系如图2．2(d)所示。主要有泡沫铝材料。0(a)(b)0(C)(d)图2．2车身材料应力应变关系的几种典型形式(a)理想弹性材料；(b)弹性一均匀塑性材料(c)弹性一不均匀塑性一均匀塑性；(d)弹性一均匀塑性一均匀塑性。6 万方数据第2章车身轻量化材料及优化方法2．1．2车身材料选择的原则与轻量化材料的应用汽车的车身展现了它的整体特征和艺术造型，是汽车的重要组成部分，在选择车身材料的时候，不仅要考虑到材料成本、制造成本、成形难易、装配维护以及回收、环保的问题，还要考虑其性能是否满足车身设计、使用、安全等方面的要求，即强度、刚度、耐腐蚀、拉延性以及可焊接等方面的要求。由于车身结构复杂、零部件繁多，所以车身上使用的材料种类也较多。车身材料大致可分为二大类：金属材料和非金属材料。其中金属材料包括钢、铸铁等重金属材料和铝、镁、钛等轻金属及其合金材料、泡沫金属等；非金属材料包括工程塑料、纤维、树脂、玻璃、橡胶、非金属泡沫材料和非金属复合材料等¨4|。目前，汽车产品的各类零部件主要用钢材作为材料，其中车身占了较高的比例，随着对汽车安全性能要求的不断提高，对钢材强度的要求也在不断提升，一些铝、镁合金、钛合金等高强度复合材料越来越多的应用于车身，大有取代传统材料的势头【l5|。1．高强度钢(HighStressSteel，HSS)高强度钢，通常是指屈服强度在210MPa~550MPa的钢材，相对于普通钢来说，屈服点较高。而屈服强度大于550MPa的钢材称为超高强度钢(UltraHighStressSteel，UHSS)。图2．3说明了汽车用钢伸长率和屈服强度的关系。一摹一{升壁揪I，。wS“坩l擘lhtrill#Ililth毹¨"螂hSl删t扛3lnMn0辏种l‘《，，，8、l}bli)4‘n2004tt(}州J{)8【IcjI{j{}()I：{l(J屈服强度(MPaj。图2．3车身用钢板强度一延伸率关系IF．无间隙原子钢；MILD．低碳钢；HSSIF．高强度无间隙原子钢；BH．烘烤硬化钢；CP．复相钢；CMn一碳锰钢；TRIP．想变诱发塑性钢；+HSLA．高强度低合金钢；IS．各向同性钢；DP．双相钢；MART马氏体钢高强度钢的优点表现如下：1．具有更高的应变硬化率，当其受到一个瞬时冲量时，比普通的钢材有更小的变形，因而常应用于汽车底架的前后纵梁等强度要求高的地方，大大提高了汽车的安全稳定性。2．可减轻零件重量。用高强度钢板制造车身外板件时，质量可减少10％～15％，7_一*．*-弼∞∞∞如抛m 万方数据第2章车身轻量化材料及优化方法制造内部构件时，质量可减少20％左右，例如：左右翼子板用高强度钢板制造时，质量可减少lkg以上。3．具有烘烤硬化性。在零件的表面喷上油漆，可以减薄零件厚度，还能增强零件表面硬度，提高表面的抗凹性能。2．铝合金铝合金以其良好的机械性能和力学性能，在汽车上的用量已经超过铸铁，仅次于钢的用量，成为汽车上应用最为广泛的轻质金属材料。铝合金的密度小，大约只有钢铁的1／3，典型的铝质零件经过一次减重，效果可达30～40％，二次减重则可进一步提高到50％。全铝车身与钢制车身相比，净质量可减少40％。这样，汽车的动力性将大大提高，燃油消耗将明显下降，燃油经济性得到了改善。如图2．4所示为奥迪A8的全铝合金车身框架及用铝分布，质量仅为546kg。图2．4AudiA8全铝车身框架及用铝分布(b)铝合金作为主要的轻量化材料，虽然有减重、降低排放、易回收、节能的特性，但在某些技术方面，铝合金的应用还存在着一些问题，如铝板的伸长率比钢板低，铝板零件的成形性受到限制；铝合金良好的导热性能不利于焊接；铝合金的成本很高，不能大量应用于所有汽车上。因此，目前在车身上铝及其合金材料的应用主要体现在发动机罩、车轮、车门、保险杠、行李箱盖板、车身外板、地板和车身装饰条等零部件上。3．镁合金镁是比铝更轻的金属材料，密度只有铝的2／3，其合金材料的性能与铝合金相似，但机械加工性能、材料延展性比铝合金好，而且具有很强的吸收能，有较高的比强度、比弹性模量和刚性，较大的阻尼系数可以降低噪声，较高的稳定性可以保证铸件和加工件尺寸的高精度要求，是汽车轻量化效果最好的材料，主要用于车身组件(如车门、行李舱、发动机盖)的外板、车门窗框架、座椅框架车顶盖等零部件。虽然目前镁合金在汽车上的应用有限，但在轻量化的驱动下，镁合金的应用已经受到世界各大汽车生产企业的重视，有望成为第2大汽车用材。8 万方数据第2章车身轻量化材料及优化方法4．复合材料由两种或者两种以上的物质结合起来制成的多相固体材料，称为复合材料。组成复合材料的物质具有不同的化学性质和物理性能，我们称之为基体或增强体。玻璃纤维增强材料(GFRP，俗称玻璃钢)和碳纤维增强材料(CFRP)是车身上使用最多的复合材料。用复合材料制成的车身具有以下特点：1．车身质量轻、成形性好：复合材料密度小，例如玻璃纤维增强材料，其密度为1．6-2．49／cm3；由于纤维增强材料的流动性和层压性好，使车身表面可制成形状各异的曲面，既满足车身外形的艺术造型要求，又减小了空气阻力。2．车身的寿命长、耐腐蚀：复合材料均有不生锈、耐酸等耐蚀性好的特点。3．具有高韧性和抗冲击能力：用复合材料制成的零部件当受到冲击力的作用时，塑性变形大，韧性好，因此具有缓冲、减振、降噪等优点，能吸收碰撞动能，有利于保护乘客。4．保温隔热性能好：除碳纤维增强材料外，复合材料的导电、导热能力差，所以保温、隔热作用很好。5．着色性。6．车身部件大型化：复合材料的使用，可以制造出很多大型多功能零部件，不仅减少了整体零部件的数量，使车身装配更加快捷，还能提高整体部件的刚性，提升车身的稳定性。2．2车身结构有限元建模方法2．2．1有限元方法的基本原理与分析步骤有限单元法(FiniteElementMethod，FEM)，简称有限元法，是以力学理论为基础，基于计算机技术的一种数值计算方法。其基本思想是将连续体划分为有限数目的假想单元(有限元)，它们仅在节点处彼此相连，用这些单元的集合来模拟或者逼近原来的物体，从而将～个连续的、无限自由度问题简化为离散度、有限自由度的问题。然后，利用在各单元内光滑但在整个连续体内连续而分段光滑的近似函数(形函数)来分片逼近整个连续域上的未知场函数(如应力场、位移场)。这些近似函数由节点未知数(如节点位移)和插值函数构成，只要求出未知数，就可得出这些量在单元中的唯一分布。根据未知量的不同，有应立法、位移法和混合法三种。应用最广泛的是位移法，其有限元的基本步骤包括：1．结构离散化。根据结构几何及载荷情况，选用不同类型(如板、壳、梁、实体等)及形状(如三角形、四边形、四面体、六面体等)的单元对结构划分网格。随着9 万方数据第2章车身轻量化材料及优化方法单元数目的增加，方程的解将越来越接近真实值。2．选择单元位移模式(位移插值函数)。假设单元内任意点随位置变化的函数式。3．推导单元刚度矩阵。利用最小势能原理或虚位移原理，建立节点的力平衡方程。单元刚度矩阵取决于单元形态和材料属性。4．装配单元刚度矩阵、形成总体有限元基本方程。5．施加位移边界条件。6．求解总体方程，得到节点位移。7，由节点位移，根据几何方程计算单元的应变，再依据材料本构方程计算单元应力。在用有限元软件进行有限元分析时，根据以上步骤可分为三个阶段：1．前处理。前处理的主要内容是在建立合理的实物三维几何模型后，利用有限元软件，对模型进行相应的处理，主要包括选择单元类型、进行网格化分、检查网格质量、定义材料属性、确定约束与边界条件、施加载荷。2．求解。指定求解类型、选择求解器、明确求解范围和输出结果参数及输出文件。3．后处理。对计算结果进行数据显示和处理。2．2．2车身建模的简化原则有限元模型是对实物的近似模拟，其作用是要模拟与分析目的相关的实体的主要特征，而不是模拟实物的所有特征，即对于车身结构的变形和应力分布影响很小的某些功能件和非主要承载件，如车灯、内饰件、电器装置等，要根据各个分析的侧重点有针对性的对模型进行简化。车身零件简化原则见表2．1所示。表2．1车身零件简化原则几何特征描述简化方法举例小圆角结构简化为尖角对车门内板或底板进行模态和刚度分析螺栓连接忽略连接非焊接小零件时进行整车分析尺寸较大的孔洞以直代曲安装一些零部件而打的孔在概念设计阶段为大致了解整车的刚度、强度等加强筋结构以梁单元代替性能；求解整车的固有频率和固有振型问题翻边结构以长方形壳单元代替对车身构件局部的刚度有加强作用的翻边结构出于工艺需求，不影响结构的刚度和强度的翻边翻边结构忽略结构曲杆简化成直杆项盖横梁、前风窗下横梁等杆件非承载构件略去或减少单元个数风窗玻璃的鼻梁、前后保险杠外罩、踏板支架等lO 万方数据篼2章车身轻量化材料及优化方法承载能力较弱的部忽略铆接的车身蒙皮在车身静强度分析件简化为集中质量，分别作质量较大的物体发动机重力对车架的作用用于各支点上点焊简化成刚性小短梁模拟两个零件的相应节点处的点焊点焊简化成共用节点在连接处，两个零件具有各自的单元将焊接部位所有节点设置焊缝角焊成两部分简化成弹簧单元或梁单元粘接如层合板结构模拟螺栓连接及铆接简化成刚性较小的短梁在研究铆接的位置和数目的优化时2．2．3车身建模常用的单元类型在建立车身有限元模型时，单元类型的选择，要尽量满足所选单元的力学性能和实际结构在该单元位置上的力学性能接近，除了考虑零件几何形状及受力状态外，还要根据分析目的的不同，即使同一零件，采用的单元类型也会不尽相同。车身建模常用的单元类型见表2．2所示。表2．2车身有限元分析常用单元类型单元类型在车身上的应用举例质量单元(mass)被省略部分的重量(如发动机、行李、乘员、座椅等)梁(beam)承受弯曲载荷的细长结构，如底板下横梁、车架梁等、点焊、复合材料板的加强筋弹簧(spring)模拟悬架或发动机支撑的刚度特性⋯．、承受拉伸载荷的细长结构，如某些限位约束可简化为刚性计‘bar’杆，大客车骨架在拓扑形式设计时壳单元(shell)车身冲压件体单元(solid)螺栓，发动机2．2．4车身建模的网格质量检查方法和标准网格质量是指网格几何形状的合理性，网格质量的好坏直接影响有限元仿真结果的准确度。在划分好网格后，对单元进行质量检查并修改质量差的单元，尽量减少不合格单元的数量，这样不仅可以加快运算速度，还可以提高计算精度。车身有限元模型单元尺寸及质量检查标准如表2．3所示。 第2章车身轻量化材料及优化方法表2．3单元尺寸及质量检查标准内角四边形[45’，135‘]长宽比小于4，最佳情况小于3严格保证不能大于159，对于单件大于10。的单元数量不能超过5％，翘曲对于整体计算模型大于10‘的单元数量不能超过2．5％Taper必须大于等于0．3四边形，各角与90。作差：三角形，各角与604作差；Skew各自的总和都要小于120‘相邻单元的边长比一般控制在1．6以下，面在应力梯度密集的区域应控制在1-3网格密度：以下T型接缝一定要消除全局％单件5‰整体2．5％单件5％，整体2．5％边长车身105小于6大于15底盘64三角形单元的数量要小于10％，应力梯度密集的区域和碰撞变形区域不允许在三角形单元一个节点处周围有多个三角形单元，在一个节点周围最多允许有5个单元孔的处理半径小于lOmm的孔建模时不用考虑2．3车身结构最优化方法一灵敏度分析法zkq20160323最优化设计是在现代计算机技术飞速发展的基础上出现的一项新技术。最佳设计方案是现代设计方法的一种，其设计原则是最优设计；设计手段是计算机及计算程序：设计方法是采用最优化数学方法【18】。2．3．1灵敏度分析方法概述灵敏度是优化设计中某个设计变量的变化对整个系统状态的影响程度。当有多个设计变量时，优化前可根据灵敏度大小进行筛查和排序，去除灵敏度较小的变量。根据问题的类型，可分为静力学问题和动力学问题的灵敏度：前者包括位移、应力、应变等变量对设计变量的灵敏度；后者包括固有频率、振型、响应量等对设计变量的灵敏度。2．3．2车身结构灵敏度分析基础车身结构响应灵敏度可以定义为‘19】：&”时等(2．4)12万方数据 第2章车身轻量化材料及优化方法式中“：为车身性能参数；z．为设计变量。由自由模态分析理论，无阻尼结构自由振动系统的特征方程式为：(【足卜A。[M】)溉)=0(2．5)方程式(2．5)对第f项设计变量求偏导数得到：(㈦一川)掣吖掣．．．，掣∽：刍m)(2．6)OxIkOx。OxIJOx‘式中，五。是结构的第"阶固有频率，妒。为对应模态振型；【K】是结构刚度矩阵；【M】是结构质量矩阵。求解(2．6)式得第"阶固有频率的灵敏度S，为：．酬帆)吖型Ox～。型Ox¨“。L．。J(2．7)。7一，一f溉}7[x110x{妒。，妒。}由车身静态刚度理论得车身静态结构平衡方程为：(2．8)式中，Ⅳ为车f-IN度矩阵，尸为整体载荷向量，J为结构节点的位移矢量。zkq20160323根据一阶差分计算节点位移求得对壳单元厚度h的灵敏度为‘201：06△J8(x，+△xi)一O(x。)(2．9)Ox。Ax。Axf2．4本章小结本章主要介绍了车身轻量化材料的选择原则与应用，阐述了车身结构有限元建模方法，分别从模型的简化、网格划分、单元的质量控制等几方面介绍了有限元分析的基本步骤。最后介绍了白车身结构的最优化方法一一灵敏度分析法的基本原理。13万方数据 第3章SUV车身有限元模型的建立第3章SUV车身有限元模型的建立3．1车身结构3．1．1车身组成白车身(BodyInWhite，B1W)一般是焊接完成而车身并未进行涂装，车门、发动机盖、后备箱盖等活动件件，如图3．1所示。zkq20160323图3．1白车身及焊点布置现代汽车白车身的组成部件按功能大体可以划分成车身覆盖件、车身结构件和结构加强件。1．车身覆盖件车身覆盖件是指把材料冲压成薄板，用来保护和遮挡布置在车体表面和内部的部件。车身覆盖为车身创造出一个相对密闭的环境，覆盖件的外表形状不同也可以产生不同的汽车外观造型，同时也可以作为受力部件。2．车身结构件车身结构件一般是指用于支撑车身覆盖件，使车身形成一整体式壳体结构并具有一定强度和刚度的支撑梁、支柱等。3．结构加强件结构加强件的功能是增强部件的刚度和强度，如支撑件、框架、车身骨架及一些支撑作用的定位架等。14万方数据 第3章SUV车身有限元模型的建立3．1．2车身材料属性的定义考虑制造的经济性及使用用途，该车身结构材料主要采用低碳钢。在HyperMesh中选用材料属性不随温度变化的各项同性材料MATl来模拟。其密度盯：7．85E．9咖／脚l，，弹性模量E=2．05E+5MP，泊松比∥=o．3。根据材料拉伸试验结果，材料的机械性能参数为：屈服极限盯；=230胁，强度极限盯。=380馏口。表3．1部分零部件材料的钢板牌号零件名称钢板牌号发动机盖外板B180H1后悬架安装板B210Pl安全带下支点安装板SPHC轮罩内板OC06顶盖横梁STl2车门铰链销轴45tl3．2车身有限元模型的建立zkq201603233．2．1几何模型的简化车身上大部分结构件是厚度很小的冲压件，由于车身部件之间有复杂的装配关系，还要考虑人机与底盘的布置及车身造型要求，所以它们通常具有复杂特征的型面，为了提高建模效率和网格质量，需要对零件结构进行一定程度的简化。主要的简化原则有：1．只取车身的结构件，省略掉非主要受力件，对车身结构性能影响要尽可能小，类似于一些装饰件都可省略。2．对于各总成上直径小于8mm的小孔，高度小于2mm的凸台和沉孔，由于不均匀分布会严重影响网格质量，所以在建模时，将这些结构忽略。3．对于高度小于2mm的筋、半径小于15mm的边倒圆等结构，在划分网格时将其隐去。对于孔、凸台和沉孔，圆周上最少保证四个点，而且应尽可能成对出现，重要的连接孔最少要添加一圈washer。4．存在焊点的翻边尽量划分二排或以上单元，对于纯粹是工艺需求存在的翻边，可以忽略，但对结构刚度起加强作用的翻边需要保留。5．倒圆角半径小于5mm时可退化成直角，在两者大于5mm并且小于15mm时需划分一排单元，大于15mm时划分两排或以上的单元。15万方数据 第3章SUV车身有限元模型的建立6．车身对称结构部件有限元模型只划分右半部分，左半部分通过对称生成，以保证左右网格完全一致，提高求解精度。7．尽可能的贴近真实车身结构，尽可能的保证车身结构的完整度，但对一些重要部件要尽可能准确，如焊点的情况。可以去掉影响较小的小部件，其包含的例如焊接属性也可以省略。有一部分部件需要手动清理，比如极个别模型会在数据转换过程中丢失面，需要通过边界轮廓检查，修复几何特征。几何清理过程的很多参数可以在批处理参数文件中定义，如图3．2所示。‘·■“_一蔓-港∞m啡a∞0up。一■wi_。●-一、●，|畦j一_；I：：_I锄岫IE臻燃囊。㈡￡¨|¨1。_i¨一灞萎}R翮辨M馘龋稿狰每两罐#赫酶l；铺晒，鍪2§毒枣。羲sm}淼-—喝等嚣F岗渗X囊F——习广—习r—习瞄藉翟j。、ij、5‘t0}-咎’0}㈣ti群112-l|辩5-H_Hmf喇；E“誊墨IZ5iq们2s㈣囊I-112童职5孽麓+。渤蓦}掣删翻zkq20160323图3．2几何清理设置参数3．2．2网格划分1．划分方法由于白车身零件的装配关系非常有层次性，所以可以按照白车身的总成分别划分每个零件，再把划分好的零件按照总成进行装配，创建连接关系。2．单元类型的选择车身主要是由复杂曲面钣金件组合起来的薄壳结构，薄板冲压的离散单元应该选用既能实现抵抗拉压力，又能抵抗扭转力的单元模拟。壳单元是一种能抵抗拉压和弯扭变形的单元，充分考虑了结构中性层上的层面刚度、弯曲刚度和曲率效应，能够充分模拟这些零件的实际特征。因而采用壳单元来离散车身模型。采用壳单元，优势明显，比梁单元和板单元精确度要高，而与体单元相比可以节16万方数据 第3章SUv车身有限元模型的建立省计算时问，提高效率，同时义具有较好的细节呈现，计算精度也较高。在采用二维单元建立车身部件模型时，由于四边形单元比三角形单元多一个节点，计算精度和计算效率都高于三角形单元，所以在建模过程中尽量选择四边形单元，但是由于实际结构的复杂性，需要选用少量的三角形单元以满足网格过渡的需要，一般整车有限元模型中将三角形单元控制在7％以内，以提高建模精度和计算效率。在使用三角形单元的区域，避免在同一个节点出现两个及多个三角形单元，同时避免三角形单元出现在部件的边界应力集中处。此外，在使用四边形单元时，采取减小网格大小的措施，使计算精度增加，不是采用改变单元类型来增加精度。因为前者容易划分并且可以更准确地模拟结构的变形。3．单元尺寸的选择及网格质量的控制单元尺寸对计算精度和效率有很大的影响，通常划分网格尺寸越小，计算精度就会越高，但相对花费计算时间也会越长，所以在确定网格大小时需要对这两个因素进行权衡考量[221。结合车身实际结构和工程经验，选定单元基本尺寸为10mm(4ram为网格下限，17mm为上限)。同时，选择网格大小时也应该考虑到分析类型，不同的分析类型对网格大小的要求不同，如模态分析对网格大小的灵敏度小于强度分析。但在现今的大多工程实践中，随着计算能力的大幅度提升，考虑到分析模型一致能提高建模效率，较少针对不同分zkq20160323析类型单独建立有限元模型。网格质量对计算精度也有很大的影响，为了保证计算精度，需要对网格质量进行检查和控制。有限单元的质量检查主要考察单元的大小、形状以及是否出现扭曲等现象。针对三角形单元，要求网格单元的形状比率(AspectRatio)即最长边与最短边之比小于5，过大会造成较大的计算误差；扭转角(SkewRatio)小于40，过大就说明单元产生了扭曲变形；各个内角之间不能相差太大，最小内角大于20，最大内角小于120。对于四边形网格单元要求形状比率小于5，扭转角小于40，最大内角小于135，最小内角大于45。对四边形单元还要考虑翘曲率(Warpage)。四边形单元的翘曲说明一个单元的四节点不在同一平面，会影响节点应力计算的准确性，限定单元翘曲率小于15。批处理准则文件关于网格大小与单元网格的质量控制的设定如图3．3所示。17万方数据 万方数据第3章SISV车身有限元模型的建立jTataettiered：siz拦l豫攫毪。。。∥一颤嘲睁嘲CritieriaTeti妊E?篱，i嵇￥觥毵霉一囊。蘸萋馥|l黼峨lL诩H黼逮；Il鲞。耩il_I『S酶一。’摹葶鼍最∞I耐轴橱嘞穗撩耐|谤萌孽童嗲鬻辩馘嚣融。∥一17．删I|“⋯。⋯”一|一¨¨i。；_矗印斟蝗舞嗣b。葬≯?鬟a嘲H擢糌瞄删幽，秘i叠钳群p醐睁??⋯j§≯。i1鬟aBl荫煳M。晶，I．《蓑?。瓣磁黼越{。I瓣粒酶稳“醋’藕1辕9噬ii‘j，io曩ii篓·，j辩hl汹鲥馥鼬幽日撕孵炒誊蕈|孵￡、譬-|，。“1薏蠢ij|。篓薯孽。iM粼I黼蝴T蛹彩薹1moot。jiji__r-『1。■；；；；ij。i_⋯“|Minl赫瞬谣耷蛹糖ljlijI_¨}势j2氇。哦一壤jtj寥”j_⋯二。童萎艇蛐。=『。。、_2童i澎荔40．刚蜘M瞄h■。j。j0螽诗b；蘸。曩一。?ij搿?0∞l盎l轴t嬲剖蜘。凶嚏皇oi—l。”～，’⋯_”’-*㈣Z”_I；=j嚣攒瓣嘴i_-“§秘一袋∞：1{|_¨j。j_图3．3批处理网格大小设定3．2．3连接关系的模拟车身结构各零部件问的连接方式主要是焊接，其次是螺栓连接、铆接。除此之外还有车身的涂胶连接。因此，不同的连接形式需要采用不同的处理方法瞄引。由于车身冲压件的材料大多是具有良好的焊接性能的低碳钢，所以焊接成为整车装配过程中最主要的连接方式，而焊接又以点焊为主。不同的焊接情况需要采用不同的单元类型进行模拟，最终的选择要根据分析的需要，综合考虑精度和效率，作出选择。1．点焊单元的处理电阻点焊分布于车身各部位，主要为搭接焊或翻边点焊单排布置，有双层焊、三层焊，甚至四层焊，焊核形状近似直径5．8毫米的圆柱形，间距在30—70mm之间，以50mm为宜，某些受力的关键部位会加大焊点密度【2引。点焊是一个较为复杂的热力学耦合过程，要想完全真实的模拟点焊结构的物理性能是非常困难的，是有限元技术研究热点难点之一。CWELD单元是专门为模拟点焊单元而开发的，它每个几点有6个自由度，具有特定的剪切柔性，可以直接通过节点相连，也可以通过plot单元与周围节点相连，其最主要特征是能够很好的模拟焊点的准确位置。根据焊点的受力特点，本文选择CWELD单元模拟，如图3．3所示。用单元定义CWELD时，并不要求被连接的两个结构在连接部位网格匹配，通过定义一个连接参考点，将其向被连接的两个结构进行投影，在两个投影点之间建立连接单元，并定义连接范围的大小，从而唯一确定连接单元的位置和形状[251。由于CWELD单元焊点可以实现点线面相互之间的焊接模式，因而能够给CAE工程师带来方便、高校、可靠的服务。18 万方数据第3章SUV车身有限元模型的建立二层焊图3．3焊点单元CWELD三层焊2．螺栓连接单元的处理螺栓连接也是车身结构的主要连接方式之一，主要出现在驾驶室、地板、后围及车身等总成。本文采用刚性单元Rigid来模拟螺栓连接。Rigid单元由节点连接组成，组成的节点有主从节点之分，主从节点的连接不能形成一个封闭环。根据刚性元组成的节点的多少又可分为两节点刚性元和多节点刚性元，无论是两节点刚性元还是多节点刚性元，都只有一个主节点，只不过多节点刚性元有多个从节点。车身结构的螺栓连接以及吊耳施加载荷处的连接处理都选择多节点刚性元来模拟，如图3．4所示。图3．4螺栓单元RIGID3．粘胶及其它连接单元的处理车身顶盖和顶盖支撑以及侧围内外板之间存在部分粘胶，在建立有限元模型的过程中通常采用Adhesive单元模拟粘胶，如图3．5所示。Adhesive单元是在连接件间用垂直于连接表面的六面体单元将粘胶单元通过RBE3单元联接在一起，这样粘胶单元所受的力会通过RBE3单元传递到多个节点上。载荷的扩散方向和大小根据RBE3单元及壳单元所定义的权重系数决定，减小了节点处应力集中的现象。19 万方数据第3章SUV车身有限元模型的建立图3．5粘胶单元Adhesive3．3．4车身有限元模型按照上述模型建立流程建立了该SUV车身的有限元模型。所建模型单元总数为1062980个，其中四边形单元1008099个，三角形单元54881个。如果整车模型中的三角形单元数量超过整车单元数量的10％，仿真分析的精度会下降，本模型中三角形单元数量为6％，满足要求。车身有限元模型如图3．6所示。3．3本章小结图3．6白车身有限元模型本章首先介绍了该SUV白车身的结构组成和主要部件的材料属性，并详细阐述了白车身有限元模型建立的流程，主要介绍了几何模型的简化原则、网格划分的类型、尺寸选择和网格质量的控制以及主要连接关系的模拟。在对各总成结构有限元模型进行模态分析检验后，建立了连接完善、网格质量合格的白车身总成有限元模型。20 万方数据第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析4．1白车身模态分析车辆在行驶的过程中，如受到的底盘、车轮一一路面系统、动力系统等激励频率与车身结构固有频率接近，将导致车身结构产生共振和噪声，对车辆的行驶安全性、乘坐舒适性、燃油经济性都会产生很大的影响，甚至会引起车身结构的破坏。因此了解车身固有的刚度特性即结构的固有频率和振型是十分有必要的。对白车身进行模态分析，研究车身结构的固有频率和振动特性，可在一定程度上预测车身与底盘系统、车轮～一路面、动力系统间的动态干扰可能性，然后经过优化设计，可提前且有效地避免与车身结构产生共振频率【261。结构分析时，为了便于计算求解和研究，一般情况下把工程结构离散成具有有限个自由度的振动系统，简要转化后，仅需Ⅳ个互相独立的物理坐标就可以表示其运动微分方程。由振动理论可知，在线性范围内物理坐标系中的振动均由Ⅳ个振动线性叠加而成，每个振动都是一种具有特定形态的自由振动，振动频率为系统的模态频率(即固有频率)，振动形态为系统的模态振型，并且还有对应的模态阻尼。一般来讲，N自由度系统具有Ⅳ组模态参数，主要包括模态频率、模态振型、模态阻尼等。通过解析法和模态试验法可以得到结构的振动特性。解析法是根据结构的几何形状、边界条件和材料特性，将结构离散化，把结构的质量分布、刚度分布和阻尼分布分别用质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵表示，建立系统运动微分方程组，然后求解该方程组，得出系统的模态参数，求解得到的模态参数可以完整地表达系统的动态特性。模态试验法是通过测量结构中某些点的动态输入力和输出点的加速度响应，然后通过信号处理获得输入点和输出点之间的频率响应函数，以得出的频率响应函数为基础，估计出系统的模态参数【27】。由于试验法获取模态参数必须先制造实际样品，会耗费很多时间和财力。而数值模态分析方法则可以在几何模型的基础上，通过计算机对模态参数进行求解，其特点是计算精度高，而且可以在车门结构设计初期进行修改和优化，提前预测方案设计缺陷，从而节约开发成本，缩短开发周期。4．1．1计算模态分析原理车身结构的计算模态分析，主要是运用有限元方法对其结构进行离散，建立关于系统特征值问题的数学模型，然后求解该系统的特征值和特征向量。在分析求解的过2l 万方数据第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析程中，多学科综合的解耦系统的振动微分方程组尤为重要，通常采用模态坐标替换微分方程组中的物理坐标表达系统的振动方程，从而计算出系统的固有频率和振型【291。模态分析一般分为自由模态分析和约束模态分析两类。自由模态分析指的是结构或系统出于完全自由的状态下的模态分析，约束模态分析是结构在实际工况中的模态分析。在外界激励未知多变的情况下，约束模态分析更具有实用价值，但是在实际运用当中，利用有限元方法对结构的实际工作条件进行计算模态分析的准确度存在一定困难，而采用试验模态分析获得结构的约束模态参数也存在理论、方法和技术上的不足。因此，在对结构或系统进行模态分析时，通常进行自由模态分析。对于Ⅳ维自由度的线性振动系统，将实际连续的非线性的物理结构进行离散，其系统的运动微分方程可以表达为：叫叫啦，∽}十【K，∽)=∽}∽·，式中，【M】、【C】、[K】分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；{，(f))、{x(f))分别为系统的激振力向量和位移响应向量。由于模态是系统结构的固有特性，与外部载荷条件无关，当研究对象(白车身)的结构阻尼比很小时，对系统固有频率和振型的影响可以忽略不计【301，因此无阻尼自由振动系统的运动方程可以变形为：叫叫州K∽}．o㈠2，对于线性时不变系统，则使用各阶模态的线性组合表示系统任一点的响应‘31】：{工(f)}=[“b(4．3)【J式中，。为模态矩阵，西为模态坐标。将方程(4．3)带入(4．1)得：【MⅡ“】巾+[KⅡ”扣={0)(4．4)对于无阻尼及比例阻尼系统：【“]7【M】【“】由+[“九KⅡ“]中={0)(4．5)【K№)-∞2[Mn)={0)(4．6)式中，∞2=如?，m■甜：)，{“)=0o’，“乜’⋯．““’)2。22 万方数据第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析4．1．2白车身自由模态分析及模态应变能分布汽车行驶时要承受各种来自外界和内部激励源的激励，其中主要的激励来自路面对车轮的冲击和发动机的振动。车身是汽车中结构和受力都较复杂的部件，一些结构件长期在振动和冲击载荷下工作，工作环境恶劣。寻求这些结构件正确而可靠的设计和计算方法，是提高汽车的工作性能和可靠性的主要途径。车身的自由模态性能反映了车身结构的固有频率特性和刚度模态分布情况，是车辆结构频率响应、瞬态响应等动力学分析的基础，也是研究车身NVH性能的基础，能够在一定程度上反映出车身结构是否合理，因此在进行车身结构的具体分析之前，对进行自由模态分析是十分必要的。车身的模态计算能达到以下的目的【323：(1)对于有限元模型来说，模态分析是检验模型是否正确的根据之一。根据初步计算得到的频率值和振型，判断各部件模型是否已经组装成整体模型或装配是否存在缺陷。(2)通过和同类车身模型的模态计算或试验值对比，以经验判断模型的力学特性与实际的车身结构是否存在较大差异，质量和刚度分配是否合理，了解结构的动态特性。(3)提取车身的固有频率、振型和单元应变能密度，发现结构上的薄弱环节和不足之处，查找引起振动的原因，进而改进结构，避免发生共振。在设计修改中，模态应变能可以为消除有问题的固有频率确定修改区域，在模态中高应变能的单元表明了高弹性变形的区域，这些单元对模态变形的影响最为直接。因此，改变这些高应变能单元的属性比改变那些低应变能单元的属性对固有频率和振型的影响更大[331。通过对车身单元应变能密度的分布云图来分析车身存在的薄弱区域，进而为其结构改进指出优化方向。白车身低阶模态直接影响整车行驶时的振动特性，决定着汽车在某种路面上行驶时的共振车速，而高阶模态对车内噪声具有决定性的影响。利用有限元方法对白车身结构的低阶自由模态特性并对分析结果进行相应的评价，其主要评价原则有【34】：(1)车身固有频率应尽可能避开整车和零部件的振动频率以及内外激励频率。(2)一般而言，一阶垂直弯曲模态和一阶扭转模态频率值得高低基本上可以定性的反映静态垂直弯曲刚度和扭转刚度。车身结构的低阶频率，应高于车身悬架共振频率而低于发动机的怠速频率，以免发生整车的共振现象。(3)在刚度增大的同时，频率也会相应增加，且车身的一、二阶固有振型一般为扭转或弯曲振型，所以，为保证车身结构的耐久性，一方面希望车身的刚度尽量高一些，另一方面又要求车身的刚度，尤其是扭转刚度要分布合理，在车身纵向方向不会剧烈变化，而且白车身结构的振型应尽可能光滑，避免突变。模态分析中会出现整体模态和局部模态。整体模态，即结构整体框架的振动模态，23 万方数据第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析是研究汽车的振动特性的重要依据。但由于车身结构中的顶盖和后地板存在面积较大的钣金件，因此必然会产生大量的局部模态。车身结构在安装车身附件后，其整体模态变化较小，而局部模态变化很大，因此要区分出整体模态和局部模态，重点研究整体模态。将建好的白车身有限元模型，在不加任何约束和载荷的情况下，利用Hypermesh软件的RADIOSS求解器对其进行自由模态分析。由于自由模态的前六阶为刚体模态，频率为零，所以从非零频率提取车身结构的固有模态及振型。白车身前5阶模态振型图及应变能分布云图如图4．1一图4．5所示：(a)(b)图4．1第一阶模态振型云图与应变能云图(a)(b)图4．2第二阶模态振型云图与应变能云图(a)(b)图4．3第三阶模态振型云图与应变能云图24 万方数据第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析(a)(b)图4．4第四阶模态振型云图与应变能云图(a)(b)图4．5第五阶模态振型云图与应变能云图通过观察，前5阶振型既有车身结构整体框架的模态，又有局部结构的振动模态，完整的体现了白车身在自由边界条件下的各种振动动态特性，如表4．1所示。表4．1白车身模态特性4．1．3计算结果分析目前车身模态分析结果尚无统一的评价指标，车身在实际工况下的振动，是各阶模态振型相互叠加的结果，而各阶模态的贡献大小不同，其中对车身整体振动影响最大的是低阶模态。低阶模态反映了汽车车身整体刚度性能，是控制汽车常规振动的关键指标‘351。所以在进行模态计算结果分析时，着重考虑低阶模态，而忽略只能引起局25 万方数据第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析部振动的高阶模态。发动机在不同转速下，激励频率也会不同，一般情况下发动机的激励频率由以下公式计算得出：厂：型兰。兰(4．7)。602其中。为发动机转速(r／rnin)；卅为发动机缸数；d为发动机转速误差，根据实验数据这里取50；，为激励频率。本款SUV采用四缸汽油机，发动机怠速为750+50r／rain，根据公式(4．7)计算，怠速时激振频率在23．33Hz．26．67Hz。通过比较白车身模态分析结果，得到以下结论：(1)由一阶模态振型看出，前纵梁与前挡板位置的刚度不足，可适当考虑修改它们的连接位置来提高局部刚度。(2)二阶频率与发动机怠速频率接近，需要提高以避免共振现象的发生。(3)根据三阶局部模态发现顶盖后端刚度不足，必须增加该位置的局部刚度。4．2白车身刚度分析物体在受到外界施加的载荷时，它的材料和形状结构具有抵抗自身弹性变形的能力，这就是物体的刚度定义。根据刚度的定义，轿车车身的白车身刚度基本设计要求为：依据实验基础的不同，在规定要求范围内物体受到的载荷不超过一定极限值条件下，例如当汽车承受的载荷达到最大值时，即在垂向载荷最大时，汽车车身的最大型变量不超过要求的许用值。如果桥车的车身受到的垂向弯曲刚度不满足要求时，将会出现汽车的底板下垂，这是非常严重的安全事故隐患，如果汽车底板下垂将会影响到底盘相关机械传动部件的正常工作；而假如汽车车身的扭转刚度不能够满足规定时候，在自身受到不大的载荷条件之下，将会产生相应变形特征，影响驾车人员舒适度，并且存在安全性问题；如果汽车的车窗不满足要求时，将会影响汽车的密封性能问题，严重的会导致车门锁死现象：而当汽车比较重要的车身内板和骨架不满足要求的刚度时候，会造成机械零部件间的振动及噪声现象等。还有其他汽车部件的刚度问题，综合上述种种严重问题，都会影响到汽车的稳定性和驾车人员的安全问题，所以有必要对车身的大部分部件刚度进行计算校核。车身的静态刚度包括两部分：弯曲刚度和扭转刚度。4．2．1白车身静弯曲刚度分析弯曲刚度反映车身在承受垂直载荷时抗变形的能力，垂直载荷来自乘员、货物或行李等静载荷，以及这些静载荷在车身着力点处的垂直加速度决定大，汽车在受到这26 万方数据第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析些载荷作用时，会产生弯曲变形，即为弯曲工况，本文将以加载点处的z向变形，考核车身弯曲刚度。弯曲刚度E1计算公式为：日：!。三(4．8)48z其中E1为车身弯曲刚度；Ⅱ为简支梁跨度，F为施加载荷，z为加载点的挠度。上式是由均匀简支梁中心位置受集中载荷的挠度计算公式导出的，其应用前提是可以认为车身机构和载荷均沿纵向中间平面对称，为同其他车型进行计算结果的横向对比，本文的弯曲刚度计算采用车身载荷与加载点处的弯曲挠度比值来衡量，这时弯曲刚度计算公式为：世：三(4．9)世=一L斗．yJZ其中K为弯曲刚度，单位为N／mm；F为集中载荷，单位为N；z为弯曲挠度。弯曲刚度分析工况的边界条件如下：1．约束：约束左右前悬上安装点处的Y、z平动自由度，释放其它三个旋转自由度；并约束后悬安装点的x、Y、z平动自由度，释放其它三个旋转自由度。2．载荷：力口载点的位置由前后约束点连线中心在纵梁上的投影得到，数值为1000N，如图4．6所示。集中载荷通过RBE3单元传递到加载点附近的节点上，避免个别节点受力过大而影Ⅱ向计‘算精度。图4．6弯曲刚度工况边界条件将建立好的白车身刚度分析模型导入RADIOSS求解器中计算得到白车身应力云图，如图4．7所示。求得弯曲刚度为8372．1N／mm。27 万方数据第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析图4．7弯曲刚度应力云图4．2．2静扭转刚度分析扭转刚度反应了车身在受到扭转载荷是抵抗扭转变形的能力，通常由于不平路面使左右悬置点高低不一，产生了扭矩，即为扭转工况。计算车身扭转刚度时，假定车身是一个具有均匀扭转刚度的杆体，车前后轴间平均扭转刚度的计算公式为：GJ：旦(4．10)=——14．1U)其中GJ为车身扭转刚度(单位为Nm／deg)；，为车身上施加的集中载荷(单位为N)；Y为左右加载点的Y向距离(单位为m)；0为扭转角(单位为deg)。上式扭转角的计算公式为：口=叫I孕f]一Ⅲ其中z．、Z：分别为左、右侧加载点的Z向位移；】，为左右加载点的Y向距离。扭转刚度分析工况的边界条件如下：1．约束条件：约束前保险杠z向与后悬安装处x、Y、Z平动方向自由度，旋转自由度自由。2．载荷：在前悬安装点处施加方向相反、大小为1000N的两个集中力，如图4．8所示。28 万方数据第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析图4．8扭转刚度工况边界条件Z将建好边界条件的有限元模型导入RADIOSS中进行计算分析，得到相应的计算结果云图如图4．9所示，求得扭转刚度大小为8724．8N．m／deg。f2嚣张’辩争㈣瓣毂目k，越琏，新≮r，秘菇嘻{錾’；{罐’秘雾㈣撼吲爹㈣淞孙擎{髓旌砖{r4髯辘嘲—h§毒嚣莲磅$糍辫§}娥杖靴*l}￡徽《(a)29∥ 万方数据第4章SUV白车身的模态分析与刚度分析(c)4．3本章小结(d)图4．9扭转刚度应力云图本章对白车身进行了自由模态分析以及静刚度分析，由一阶模态振型看出，前纵梁与前挡板位置的刚度不足，可适当考虑修改它们的连接位置来提高局部刚度；二阶频率与发动机频率较接近，需要提高，避免发生共振现象；根据三阶局部模态发现顶盖后端刚度不足，必须增加该位置的局部刚度；弯曲刚度和扭转刚度性能良好，能够满足设计要求，为优化工作提供了参考。30 万方数据第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计5．1优化设计方法概述白车身结构有限元分析结果指出了现有的设计方案与设计目标的差距，而改进现有结构以提升整车动静态特性，就有赖于结构优化设计。在实际的设计过程中，零部件、车身或框架等总成件的设计常常存在多个可选择的设计方案，优化设计就是在这些方案之中寻求最优解的技术。优化设计是为了达到方案所需的目标，同时所需的代价最低。汽车结构设计中的参数变量是多样的，例如尺寸、形状、固有频率等。大部分的车身结构都不适合采用传统的优化设计方法，原因在于优化模型中目标函数和约束变量不能写成设计变量的数学形式，难以进行每次迭代中地数学运算。复杂车身结构在各种情况中的位移分布、应力集中、固有频率等数据可利用有限元法进行计算获得，所以将有限元法和优化方法相融合，可以处理大多数实际工程问题。其特殊性在于使用固定的优化算法可控制整个优化过程中的运算，同时使用有限元法实现迭代中的刚度、强度、动态特性的运算[351。OptiStruet是基于有限元法的一种优化设计工具。这些方法被广泛运用在汽车开发的各个阶段。利用概念设计的思路进行拓扑、尺寸、形貌优化，设计人员还需进行大量工艺考核、方案可行性分析以确定设计结果，从而实现产品的设计。由于本文所研究的SUV白车身数据已经确定，结构改动将引起与其连接部件的配合关系，以及由此带来的模具变动所产生的巨大费用，因而采用尺寸(板件厚度)优化的方法进行结构改进。优化设计包括设计变量、约束条件和目标函数。设计变量是实现优化目标的一组参数。目标函数是与设计变量有关的实现优化目标的函数。约束条件是制约系统各性能指标的限带0。优化设计的数学表达式为【36】：最小化(Minimize)：，(x)=l(x；，x：，⋯，z。)(5．1)约束条件(SubjectTo)：g，(z)≤o；_，=1,2，⋯，mhI(X)=0；女=l，2，⋯，m。x÷蔓Xtsx?U：i=1,2，．．．．n3l(5．2)(5．3)(5．4) 万方数据第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计其中，z：hk⋯，工。为自定义变量；y(x)为目标函数；g(X)和^(工)为相关约束函数；上角标￡为所设下限值；上角标U为所设上限值。在OptiSt。u。t中，j(x)、g【x)和h(x)均可通过有限元求解得出。X为～个矢量，其最终结果将会受优化类型影响。在拓扑优化中，可将变量确定为单元密度；而尺寸优化中，其相关变量则是单元属性；外形优化中，可选定引起变化的线性组合因子作为变量。5．2车身模态及刚度灵敏度分析为提高车身静、动态刚度，同时力求去除冗余材料、降低车身整体质量，需要修改结构参数，由于该suv车身结构部件已经确定，所以在不引起冲压模具及工艺改变的前提下，进行结构优化，可以对车身板件厚度进行优化，即尺寸优化。为了对尺寸进行相应优化，首先需要确定修改对象即设计变量，确保相关工作具有针对性，以减少工作时间、降低相关费用，并且其对灵敏度分析有着重要意义。灵敏度体现的是函数对其质量的敏感程度。这里的函数即体积(反映质量)、位移(反映刚度)等方面；而该变量被定义为板件厚度，经结构灵敏度分析，亦可求解出响应值为变量导数，从而得出变量对各部位的影响情况，最终获得最关心的灵敏度系数及最佳设计参数p7|。5．2．1白车身模态、刚度的灵敏度分析在车身模态灵敏度分析中所关注的重点是一阶扭转模态频率；在刚度灵敏度分析中所关注重点则为弯曲工况、扭转工况下加载点的位移。结合模态分析、静态刚度分析结果，并且考虑计算时间、实用性等因素，这里排除对车身动静态特性影响很小的零部件，最终选取了车身28个主要板件作为灵敏度分析的变量，如表5．1所示。表5．1车身参与计算部件明细变量车身部位名称变量车身部位名称l侧围外板(L)15A柱下内板(R)2侧围外板(R)16左地板3顶盖17右地板4后地板后板18C柱内板(L)5前地板19C柱内板(R)6B柱内加强板(L)20左后减震器安装加强板7B柱内加强板(R)21右后减震器安装加强板8地板后边纵梁22后座椅下横梁32 万方数据第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计9前排座椅导轨支架23左后轮罩外板10B柱内加强板(L)24右后轮罩内板llB柱内加强板(R)25前翼子板加强梁盖板12座椅横梁26前地板左边梁13c柱连接件27前地板右边梁14A柱下内板(L)28地板后边纵梁将以上车身部件的材料厚度作为设计变量，在OptiStruct模块中分别定义模态、弯曲刚度工况和扭转刚度工况，将～阶扭转模态频率、弯曲刚度加载点变形、扭转刚度加载点变形作为约束条件，车身体积最小(即质量最小)为优化目标，优化卡片中定义迭代步为l，运行OptiStruct求解器。经量化计算可求解出约束函数与目标函数对设计变量的灵敏度，即S，、S。、S。、S一以上四个参数分别为，车身一阶扭转模态频率、弯曲刚度、扭转刚度及总体积对设计变量的灵敏度。其计算结果如表5，2所示。表5．2灵敏度分析结果变量一阶扭转灵敏度Sr弯曲刚度灵敏度S。扭转刚度灵敏度S。质量灵敏度S，11．31E+002．76E．0l一9．89E．011．6IE+0621．39E+006．45E-023．56E．011．6lE+0638．13E，0I5．7IE．02．1．89E’0I1．6IE+0648．97E．021．79E—03一5．80E一032．4lE+055．】．81E—033。96E．033．76E一021．18E+0562．08E一012．37E．02—9．54E—021．16E+0673．68E．024．32E—022．95E．027．56E+0582．0lE一0l2．83E．02．7．20E—021．57E+0592．88E．024．8lE．04．1．77E．031．14E+05lO2．32E-02392E一舛—1．54ET031．78E+∞111．34E．0l6．36E．．028．15E．022．05E+06】2一8．41E．035．49E．03157E—031．55E+05134．76E一031．78E．01．6．98壬I-027．90E+05】46．52E一027．06E—02—3．55E一0l3．77E+05156．24E—026．65E，03I．93E一0l3．66E+05164．45E一022．24E一013．OOE．037．18E+05】74。27E．027．47E—03．1．69E．022．45E+0518—7-38E—033．82E．02—4．47E—031．55E+05192．94E．033．22E．03-4．29E一031．74E+0520．7．43E．024．80E．03．1．57E．025．46E+0521．7．56E．023．18E．046．18E．045．46E+0522—6．53E，03i．2089i．5．83E一。2J．64E+∞ 万方数据第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计变量一阶扭转灵敏度S，弯曲刚度灵敏度S。扭转刚度灵敏度S。质量灵敏度s，23139E-Ol5．37E—036．10E，021．42E-r05241．07E．0l1．43E-02．1，OlE一0l1．42E+0525_4．87E一032．39E—031．32E．041．57E+0526．4．40E一037．98E，036．35E一041．31E+0527—6．50E一022．14E．03—5．86E一032．70E+0628I．1lE-oI9．18￡’-∞．2．82E，029'82E十05以车身总体积最小为目标函数，各个结构动静态参数为约束函数进行灵敏度分析，计算得到的各性能指标灵敏度是相互独立的。单独考虑一阶扭转频率灵敏度时，择优选取灵敏度大的板件优化，以达到提高模态频率的目的。但是，此时未考虑该部件对其它各项指标的灵敏度，如果该部件对车身体积灵敏度也很大，那么在提升模态频率的同时，势必会带来较大的增重；或者该部件对静态扭转刚度的灵敏度为负值，那么一阶频率提升的同时会降低静态扭转刚度，这样的优化结果并不理想。因此，在优化过程中，不能仅选取对约束函数或者目标函数灵敏度大的参数作为变量，应该综合考虑目标函数和约束函数之问的关系，权衡各种参数对约束函数和目标函数的影响，从而选择更为合理的参数作为设计变量进行优化设计f矧。基于上述分析考虑，本文将计算灵敏度做进一步处理，即计算约束函数对目标函数的相对灵敏度：车身一阶扭转频率对总体积的相对灵敏度S，／s。其弯曲刚度对总体积的相对灵敏度S。／s，；其扭转刚度对总体积的相对灵敏度S，／s．。相对灵敏度反应了变量在变化中对某个约束函数和目标函数的变化所产生影响的侧重性。这样就能在优化某项性能的同时，防止车身质量的增加。相对灵敏度大于零，即约束函数与目标函数正相关，此时绝对值越大，表明刚度或模态频率值的增加，带来很小的体积变化；当相对灵敏度值小于零时，其绝对值越大，表明通过减小体积，会有助于刚度或模态频率的增加，也可以说增大体积会减小车身刚度和模态频率；当相对灵敏度绝对值较小时，表明相对于刚度和模态频率的灵敏度，体积的灵敏度与设计变量更相关。对计算得到的灵敏度数据进行处理，得到一阶模态频率对车身总体积的相对灵敏度s，／S，，如表5．3所示。对比表5r2表53，某些变量对模态灵敏度较小，但它对扭转频率／体积的灵敏度却比较高，那么减小该类部件的厚度，就可以在保证模态性能的前提下降低车身质量。这表明综合考虑了对性能和车身贡献程度，才可以确定最有效的优化对象。 万方数据第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计表5．3一阶扭转频率对体积相对灵敏度s，S，变量Sf|s，变量sf|s。变量Sf|s，18．63E．07116．54E．072l一1．38E．0728．14E．0712．5．43E．0822．3．98E一0835．05E．07136：03E一09239．79E．0743．72E一07141．73E一07247．54E．075—1．53E一08151．70E．0725．3．10E．086l。79E．07166．20E_0826．3-36E．0874．87E．08171．74E一07277．93E．1081．28E-07184．76E．08289．35E．0992．53E．07191．69E．08lO1．30E-0720—1’36E，07弯曲剐度对车身总体积的相对灵敏度s。／S，、扭转刚度对车身总体积的相对灵敏度S，／S，，计算结果如表5．4、5．5所示。表5,4弯曲冈Ⅱ度对体积相对灵敏度s。，S，变量S6／Sr变量S6／Sr变量Sa／S，14．01E—08113．10E．08215．82E．1021．71E．07123．54E-08227．32E．0733．55E．08132，25E．07233．78E．0847．43E一09141．01E．07241．87E．0753136E．08151．82E．08251．52E．0862．04E．08163．12E—07266．09E．0875．7lE．08173．05E—08277．93E一1081．80E一08182．46E．07289．35E．0994．22E．0919l-85E．08102．20E一09208．79E-0935 万方数据第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计表5．5扭转刚度对体积相对灵敏度S。／S，变量S。／SP变量S。／Sr变量S，／Srl3．81E一08113．16E．082l6．12E一102．1．98E．07122．64E．0822—1．82E．0736．55E．08133．61E一07234．08E一0848．02E—0914．3．68E．0724．5．06E．0754．53E．08152．72E-08251．65E一0861．93E一08164．12E．06265．78E．0876．18E．07172．85E．08277．73E一1083．84E．08183．86E．07289．75E．0995．12E一09192．04E．08103．40E．09207．89E—095．2．2车身结构优化设计经过前述模态分析可知，该车身一阶扭转模态频率为、一阶弯曲模态频率为，其中整车一阶扭转模态频率与同类车相比，整车一阶模态频率与发动机怠速激振频率接近；同时，根据白车身弯曲刚度、扭转刚度计算结果，车身的静态刚度水平较低。针对以上性能缺陷，需要进行结构改进，以满足设计要求。综合考虑低阶模态、静刚度等因素，应用OptiStruct模块进行车身结构的尺寸优化。定义优化该车的设计变量、约束条件和目标函数如下：1．设计变量经过结构灵敏度分析及性能对体积的相对灵敏度的求解，选择其中相对灵敏度绝对值较大的变量作为优化性能的变量以提升性能；选择相对灵敏度低的部件减薄材料厚度以降低车身质量。为保证板件厚度发生变化后不影响装配关系，需要控制变量数量，最终选择其中20个部件作为设计变量，如表5．6所示。由于求解器在计算过程中，对变量数值的求解结果是连续的，这样可能出现几位小数的情况，考虑到钢材配套体系及加工可行性的问题，在优化模型建立初期应当规避这种情况的出现，而一般做法是对计算结果进行邻近整数值圆整，这种做法的缺点是在优化步骤完成后修改了结构参数，进而引起结构性能参数的变化，失去了优化设计的严谨性和准确性。本文将变量上下变化控制在一定范围内，如表5．6所示，利用离散设计变量(DiscreteDesignVariable)功能限定求解域(0．5、O．7、0．8、1．0、1．2、1．3、1．4、1．5、1．6、1．8、2．O、36 万方数据第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计2．5)，这样，求解过程将选择现实可行的钢板厚度去满足约束条件，逼近目标函数，达到优化结果可以直接运用的目的。表5．6优化设计变量及变化范围变量／麦初熙(n-an上下限(mm)变量淼蜊艮(咖)侧围外板(L)1．00．7．1．2碧差子板加强梁1．31．0-1．5盖板侧围外板(R)1．00．7．I．2地板后边纵梁1．3i．0-1．5顶盖1．00．7．1．2前地板左边梁1．31．0-1．5前围挡板l，Oo．7．1'2前地板右边梁1．31,0—1，5B柱内加强板(L)1．21．0．1．5C柱内板(L)0．80．5—1．0B柱内加强板(R)1．21,0—1．5C柱内板(R)0．80．5．1．0A柱下内板(L)1．00．7—1．2套要孥震器安装2．o1．6-2．5加强板⋯A柱下内板(R)1．00．7—1．2妻要警震器安装2．o1．6-2．5加强板⋯门槛内板(L)1．51．2—1。8左后轮罩内板O。70．5．1。0门槛内板(R)1．51．2—1．8右后轮罩内板O．70．5—1．02．约束条件由于优化旨在提高一阶模态频率和静刚度，因而将这些性能作为同时需要满足的条件，即约束条件。白车身原始一阶扭转模态频率为31．82Hz，优化目标为不低于31．82Hz；白车身初始静弯曲刚度为8372．1N／mm，约束弯曲工况加载点位移不大于1．6rFl／-／1；白车身初始静扭转刚度为8724．8N-m／deg,约束扭转工况加载点位移不大于2mm。3．目标函数在约束条件的限制下，刚度、模态性能指标的提升必然会引起板厚的增加，所以把车身体积V最小化(即质量最小)设为目标函数。优化设计的数学模型表达如下：MinV=，(x)(5．11)s．，．：{f△f,：，_>≤31，．．。82用用l△：：兰2Ⅲ埘(5．12)x：≤z，≤r：，J=1,2，·一，n(5．13)式中，MinV为目标函数，矿为体积，x，为设计变量，‘为一阶模态频率，△z。为弯37 万方数据第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计曲工况位移响应，△z。为扭转工况位移响应，一：、z：分布为设计变量x，的下限值和上限值，。为变量数。经过8次迭代运算，优化结果收敛。设计变量优化前后对比如表5．7所示：表5．7设计变量尺寸前后值变量初(始厚mm)迭代值(锄)变量篇迭删一)侧围外板(L)1．01．2前誊i板加强1．31．2梁盖板侧围外板(R)1．01．2地板后边纵梁1．31．2顶盖1．01．1前地板左边梁1．31．2前围挡板1．01．1前地板右边梁1．31．2B柱内加强板(L)1．21．1C柱内板(L)0．81．0B柱内加强板(R)1．21．1C柱内板(R)0．81．0A柱下内板(L)1．00．9囊嘉萎差器安z．。L8A柱下内板(R)1．00．9主乒矍孽器安2．o1．8装加强板‘门槛内板(L)1．51．4左后轮罩外板O．70．8门槛内板(R)1．51．4右后轮罩内板0．70．85．2．3优化结果分析评价根据设计变量尺寸优化值，对调整后的白车身进行静动态分析计算，得到白车身优化方案的模态频率，优化前后前五阶模态频率对比见表5．8所示；一阶扭转模态频率为34．66Hz，相比优化前提高了4．9％；一阶弯曲模态频率为35．20Hz，相比优化前提高了3．7％；弯曲刚度为8968，9N／mm，相比优化前提高了7．1％；扭转剐度为9311．7，相比优化前提高了6．7％；白车身质量为552．9Kg，相比优化前质量减少9．9Kg。优化后结构性能参数与原始结构性能参数对比见表5,9所示：表5．8优化前后前五阶模态频率对比 万方数据第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计表5．9设计变量尺寸优化前后值优化前后弯曲工况应力云图如图5．1、图5．2所示：图5．1优化前弯曲工况应力云图图5．2优化后弯曲工况应力云图优化前后扭转工况应力云图如图5．3、图5．4所示嚣蠢匿￡篡匿图5．3优化前扭转工况应力云图图5．4优化后扭转工况应力云图经过优化的白车身低阶频率具有了一定提升，尤其是车身一阶扭转频率提升到设计要求，二阶频率避开发动机共振频率。从优化后的数据可以看出，车身一阶扭转模态频率提升到了预期的范围，同时静刚度水平也有了相应提高，达到了设计要求，并且实现了车身轻量化的目的。5．3本章小结本章在上一章车身结构性能分析的基础上，确定了优化目标，即在保证车身一阶扭转频率、静刚度性能不降低的前提下，降低了车身质量。通过对白车身进行结构灵39 万方数据第5章基于灵敏度分析的白车身优化设计敏度分析，并对数据处理进行相对灵敏度论证，确定有效优化设计变量，通过优化设计过程，得到了满足设计要求的白车身参数，达到了优化目的。40 万方数据第6章总结与展望6．1工作总结随着计算机技术及有限元方法的发展，利用有限元方法在汽车开发过程中预测并改善结构性能缺陷，在保证提高汽车的安全性、可靠性、舒适性和经济性的基础上，实现汽车的轻量化。本文以S108型Suv的白车身数据为研究对象，针对轻量化做了以下工作：1．应用有限元前处理软件HyperMesh建立白车身有限元模型，针对部件繁多的白车身采用批处理的方式，对自车身各个总成部分进行分批处理，根据车身装配指导书，结合各种连接体的力学性能，合理选择了连接单元，建立了包括焊接、粘胶、螺栓等连接关系，在对各部分总成分别进行模态分析、排除遗漏的焊点后完成了白车身的装配。2．对该SUV自车身进行了模态分析，并对分析结果和模态应变能的分布进行了评价，找到了车身需要改进和提升的部位，为进一步优化提出了指导建议。3．对白车身的静刚度，即弯曲刚度和扭转刚度进行了分析，并对结果进行了评价，提出了改进意见。4．在自车身结构有限元分析的基础上，提出了改进方案。确定了以车身板厚为设计变量的灵敏度分析，并通过相对灵敏度分析得到了最有效的修改对象，以这些部件的厚度为设计变量，把车身一阶模态频率、弯曲刚度和扭转刚度作为约束条件，以车身质量最轻为优化目标，通过HyperMesh的OptiStruct模块对优化方案进行求解计算，实现了车身质量的减轻，并提升了白车身的一阶扭转模态频率和一阶弯曲模态频率，静刚度得到了一定的提升，满足了设计要求。6．2展望由于没有进行实际的测试验证，分析结果可能还存在一些偏差，今后的工作还有以下几点需要深入和改进。1．本文只是采用数值计算的方法对白车身的动静态特性进行了仿真研究，还需要相应的试验分析作为对比，以此提取实际工况的边界条件来修正有限元模型，使分析结果更为合理。2．本文只是从理论的角度和采用仿真的方法对车身进行了轻量化研究，对于实际41 万方数据第6章总结与展望使用中汽车的其它性能要求，如碰撞安全、疲劳强度和NVH等性能，都需要考虑在内。3．今后需要从多结构和多学科的方向，运用有限元方法参与到汽车开发的整个阶段。 万方数据参考文献[1]【2]2[3][7】迟汉之．世界汽车轻量化及轻质材料应用趋势[J]．轻型汽车技术．2001(4)：54-56马鸣图．先进汽车用钢[M】一b京：化学工业出版社，2008王海亮，林忠钦，金先龙．基于响应面模型的薄壁构件耐撞性优化设计[J】．应用力学学报，2003，20(3)：61．66P．O．Marldund，L．Nilsson．Optimizationofacarboaycomponentsubjectedtosideimpact[J]．StructuralandMultiidisciplinaryOptimization，2001，21(5)：383-392易成辉，杨旭静，王～骏．基于多工况的车门结构多目标优化设计方法研究『J1．微计算机信息，2012，04：79．81周会锋，王光耀，李碧浩等．多目标优化设计方法在车身轻量化设计中的应用[J]．机械设计与研究，2014，04：151-155J．Sobieszezanski—Sobieski，S．Kodiyalam，R．Y．Yang．Optimizationofcarbodyunderconstraintsofnoise,vibrationandhardshness(nvH)，andcrash[M]．StructuralandMultidisciplinaryOptimization，2001，22(4)：295—306[8】郝琪，张继伟，车门结构优化设计的灵敏度分析研究[J】．汽车技术，2010，05：40-44【9】韦勇，张军，成艾国．基于灵敏度的车门下沉刚度分析及优化[J]．机械工程师，2010，03：100．102f1oJ张伟，侯文彬，胡平．基于拓扑优化的电动汽车自车身优化设计fJ]．湖南大学学报(自然科学版)，2叭4，10：42-48[11】段昀辉，史国宏，傅向阳．车身钣金件形貌设计优化[J】。上海汽车，2012，09：45-49[12]RajahR．Chakravarty．Studyoftopographyoptimizationonautomotivebodystructure[C]／／SAETechnicalPaperSeries，2009(1)：1233[13】孙凌玉．车身结构轻量化设计理论、方法与工程实例[M】一匕京：国防工业出版社，2011[14j谷正气．轿车车身[Mj．北京：人民交通出版社，2002[15]中国汽车工程学会．世界汽车技术发展跟踪研究(轻量化篇)[M]．北京：北京理工大学出版社，2013[16]谭继锦，张代生．汽车结构有限元分析[M]．北京：清华大学出版社，2009：200～201[17】陈国定，武力．轿车自车身结构的相对灵敏度分析【J】．机械设计，2007，4：22。23[18】林程，王文伟，陈潇凯．汽车车身结构与设计[M】．北京：机械工业出版社，2013(19】支4焕广．轿车白车身结构有限元及其试验分析[D】．合肥：合肥工业大学，2007：4~20[20】刘盼，夏汤忠，王萍萍等．轿车车身模态及扭转刚度灵敏度分析[c]．Altair2011HyperWorks技术大会论文集，201l43 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万方数据致谢本论文是在我的导师张瑞乾老师的悉心指导下完成的，论文从选题、具体研究方案的制定与实施以及撰写、定稿都得到了张老师的详细指导和帮助，凝聚着张老师的大量心血。两年半的研究生学习期间，张老师刻苦钻研的治学态度，勤奋忘我的工作作风，开阔的学术视野及积极的人生态度给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。在此谨向张老师表示衷心的感谢与崇高的敬意!另外，非常感谢曹国栋、王钦等同学在我论文定稿过程中出现的格式错误以及版面设计问题提出的宝贵意见。同时也感谢车辆实验室的各位同学在两年半的研究生学习期间给与的帮助和支持。感谢家人对我学业的鼓励与支持，感谢他们对我生活的无微不至的关心。在此，向他们致以最深的敬意145 万方数据个人简历个人简历：许佳斌，男，1984年05月06日生，河北省廊坊市人。2012年06月毕业于山东交通学院，车辆工程专业，获工学学士学位。2012年09月至今就读于北京信息科技大学，机械工程专业，攻读硕士学位。发表论文：[1】许佳斌，张瑞乾，曹国栋．某strv左前车门静态刚度的有限元分析[J]．机械工程师(己录用)