概念设计阶段的轿车车身结构简化建模及碰撞分析.docx

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1、概念设计阶段的轿车车身结构简化建模及碰撞分析概念设计是车身设计的前期阶段,需要在满足整车性能的前提下完成车身结构的设计和优化。车身结构详细壳单元模型建模周期长、模型修改困难,不适合应用在概念设计阶段,而多刚体模型和薄壁梁单元简化模型在建模时间、模型修改、碰撞优化等方面具有明显优势,因此,在概念设计阶段建立准确的多刚体和薄壁梁单元简化模型,进行动态碰撞特性求解,进而修改和优化模型,对缩短研发周期及快速提高车身性能具有重要意义。本文首先建立了一种用于正面仿真碰撞的假人多刚体模型,该模型定义了车身结构和假人之间的多体动力学计算模型,车身模型由整车质量和适当刚度表示,

2、通过推导多刚体模型的运动方程,编写MATLAB程序求解隐式微分方程组,从而得到该模型的正面碰撞特性。其次,推导出建立薄壁梁单元车身模型所需的梁单元截面力学特性,包括:截面面积、形心、弯曲惯性矩和扭转惯性矩,其中,根据实心任意截面梁扭转刚度的微分方程和扭转问题的弹性力学薄膜比拟解法,推导扭矩关于截面面积和剪力流的平衡方程,以及剪应力与扭转角的几何方程,从而求得任意数量腔室(开口、单室、双室、三室等)的,复杂薄壁截面扭转惯性矩的统一计算公式。采用有限元方法提取梁单元的塑性特性,结合梁单元建立轿车白车身简化模型。最后,建立了假人多刚体模型正面碰撞、轿车前纵梁简化模型

3、正面碰撞和轿车白车身简化模型正面碰撞工况仿真,对比壳单元详细模型的变形模式、变形位移、速度曲线、加速度曲线和能量曲线等的一致性,并验证计算效率。同时,对车身前纵梁(矩形薄壁截面S型梁)进行了碰撞优化研究,提出了将响应面和遗传算法相结合的优化设计,在轴向压溃位移、截面厚度和截面边长的约束下,优化前纵梁截面面积。研究结果表明:与有限元假人模型相比,多刚体假人模型在正面碰撞工况中具有较好的一致性,且该模型的修改速度较快,可以在轿车的概念设计阶段快速评估假人的损伤水平。梁单元模型较详细模型具有相当程度的计算精度,并在计算效率上具有绝对的优势,可以满足在车身概念设计阶段

4、的工程需求。优化后的前纵梁在满足约束条件下截面面积大大减小,达到了轻量化的目的。