文档介绍：1 绪 论
在现代汽车工业领域,市场竞争日趋激烈,缩短新车型开发周期、降低成本和提高乘坐舒适性成为适应市场发展趋势的必然要求[1]。在国内,用户对汽车性能的要求己不再局限在载重量、动力性或超载能力上,他们对整车的舒适性问题愈加关注和重视,对车辆的振动性能提出了较高要求[2]。
在车身设计中,预先掌握所设计产品的动态特性,使所设计的产品满足使用要求,是非常重要的。车身动态特性研究是新车型开发中有限元法应用的重要领域之一,是新产品开发中的重要研究内容,也是车身的振动分析中最重要最基本的内容[3][4][5]。车身结构的低阶模态,它不仅反映了汽车车身的整体刚度性能,而且是控制汽车常规振动的关键指标,应作为汽车新产品开发的强制性考核内容。实践证明,用有限元法对车身进行动态特性分析,可对其结构刚度、固有振型等有充分认识,尽可能避免相关设计缺陷,及时修改和优化设计,使车身结构具有足够的静刚度,以保证其装配和使用的要求,同时有合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的,使产品在设计阶段就可验证设计方案是否能满足使用要求,从而缩短设计试验周期,节省大量的试验费用,是提高产品可靠性的有效方法[6],而进行这一系列工作的前提条件就是需要建立准确的车身有限元模型。
基于此,本文采用有限元技术,对影响车身有限元模型精度的焊点进行建模研究,通过分析模态与试验模态的对比分析,找出焊点的准确模拟和快速建模方法。在此基础上,将对板件、车门、车身进行有限元建模技术研究,同样通过分析模态与试验模态的对比分析,得到建模技术对车身动态特性的影响规律,重点是车身结构的简化原则,建立起满足要求的车身有限元模型,为以后车身的动态分析打下基础。
国内外研究现状
1970 年美国宇航局有限元结构程序 NASTRAN 的引入,标志着以有限元分析为基础的结构分析的开始[7][8]。1977 年,通用汽车就率先在车身开发中应用了分析与试验验证相结合的方法,建立准确的车身有限元模型,进行动静态分析及碰撞模拟,通过试验验证了有限元建模技术的可行性。在车身有限元建模中,模型细化程度不断提高,对结构细部的研究不断深入。为获得更加准确的模拟计算结果, 目前国外用来进行静态分析及静态特性优化的轿车车身有限元模型单元高达八万多个;用于动态分析、碰撞和噪声分析的模型单元则高达十几万。福特公司于七十年代首先提出对点焊结构模拟研究,并采用 NASTRAN 通用软件,用板、梁单元进行车身的静态分析,寻找车身结构的高应力区,并改进应力分布[9]。随后通用
等其它汽车公司也相继开展对焊点模拟的研究[10]。目前世界各大汽车公司广泛使用的 FEM 分析软件有:NASTRAN、ANSYS、DYNA、ABAQUS、SAP、ADINA
等[11],在硬件方面采用超大型计算机使得运算速度高达每秒上亿次[12]。
概括起来讲,国外大型汽车公司经过数十年的发展,在车身有限元建模技术方面积累了丰富的试验数据和理论分析经验。汽车公司采用积累的有限元建模技术,能够准确建立车身有限元模型,满足汽车结构的静态、动态分析等各个方面, 包括:
①车身整体及其零部件的结构分析,包括静态强度,弯扭刚度等。
②整车及其零部件的模态分析。
③ NVH 分析。研究车身在外部激励(如发动机、车轮、空气阻力等)产生的振动与噪声。
④车辆碰撞分析。模拟车辆在正面、侧面、追尾碰撞等事故时的车身变形情况及车内车内乘客所受到的冲击力,以提高汽车的被动安全性。
⑤空气动力学分析。在风洞中对车身进行试验,计算出车身各个测点的压力分布规律、流线方向及三维空间里的力与力矩、并确定风阻系数等,为车身造型打下理论基础。
⑥优化分析。包括对结构形状与尺寸的选择与优化。进行结构重量最轻、动静特性最优等综合分析,折中和优化一些关键参数,达到降低车身质量、改善车身刚度分配及应力分布等目的。
⑦虚拟试验场耐久性分析。在各种路面下进行有限元动力学仿真,解决设计上的潜在问题。通过仿真结果获得整车、部件和焊点的疲劳寿命,从而为汽车的寿命,结构的损伤和焊点的断开评估提供理论基础。
国内从七十年代末八十年代初在高校和有关研究所开始从事有限元建模技术的研究和应用。九十年代以来,随着计算机的发展和普及以及大型有限元分析程序的问世,有限元分析方法迅速地被应用到实际汽车结构分析中去。例如,吉林工业大学的乔淑平等人采用板壳单元对某款轿车白车身进行了有限元建模,并计算了主要零部件对车身扭转和弯曲刚度的影响,提出了提高车身扭转和弯曲刚度的优化方法,并提出了简化车身有限元模型时应注意的原则[13]。近十年,关于车身有限元建模技术的研究得到了更大的重视,合肥工业大学的曹文钢教授对半承载式客车车身建模进行了研究,分别建立了纯梁模型