概念設(shè)計(jì)階段車身簡化模型的建立

崔曉

摘 要：為在概念設(shè)計(jì)階段縮減時(shí)間等設(shè)計(jì)成本，建立合適的有限元簡化模型便于設(shè)計(jì)研究，采用將車身梁結(jié)構(gòu)的有限元二維梁單元五等分的方法，逐步把二維有限元詳細(xì)模型替換成為全部一維梁單元簡化模型。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì)；簡化模型；梁單元

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.228

1 前言

在概念設(shè)計(jì)階段中，最早是由豐田對(duì)概念車身的結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行研究，提出了FOA [1]技術(shù)， 車身是由梁、板以及接頭單元組成，并對(duì)該簡化模型做了靜、動(dòng)力學(xué)分析。房立存[2]開發(fā)了一種設(shè)計(jì)工具能快速生成概念結(jié)構(gòu)的幾何有限元和幾何模型，并能優(yōu)化一維的梁單元以及進(jìn)行車身設(shè)計(jì)。李卓森[3]用FEM對(duì)概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行車身設(shè)計(jì)研究，用空間板殼單元以及薄壁梁單元建立了概念設(shè)計(jì)階段的轎車簡化力學(xué)模型，并分析了主要斷面的截面特性對(duì)汽車車身剛度的影響；左文杰[4]開發(fā)了一種簡化模型是由專用的車身結(jié)構(gòu)單元組成，使所建立的簡化模型的力學(xué)性能盡可能的接近有限元模型或?qū)嵻嚹Ｐ停瑸楹罄m(xù)的框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。蔡世民[5]建立的主要由薄板和薄壁梁構(gòu)成的車身模型，賦予梁以真實(shí)截面，并對(duì)變化較大的梁截面進(jìn)行分段處理。邢子敬[6]也將車身簡化為由梁單元和板單元組成，采用RBE2單元模擬梁和板之間的焊接，用彈簧單元模擬概念模型中的接頭。

2 梁單元特性分析

如圖2.1所示：X軸方向的位移自由度：軸拉剛度，表示單元伸縮剛度。

Y軸方向的位移自由度：剪切剛度，表示y軸方向的剪切變形。

Z軸方向的位移自由度：也是剪切剛度，表示Z軸方向的位移。

繞X軸的轉(zhuǎn)角自由度：扭轉(zhuǎn)剛度，表示它的扭轉(zhuǎn)度。

繞Y軸的轉(zhuǎn)角自由度：彎曲剛度，表示彎曲偏轉(zhuǎn)角。

繞Z軸的轉(zhuǎn)角自由度：彎曲剛度，表示彎曲偏轉(zhuǎn)角。

結(jié)構(gòu)中的一個(gè)梁單元的變形是由節(jié)點(diǎn)位移決定，對(duì)一個(gè)平衡單元，一定的節(jié)點(diǎn)位移與一定的節(jié)點(diǎn)力是相關(guān)聯(lián)的，這個(gè)關(guān)系就是單元的彈性特性，或剛度特性。

根據(jù)材料力學(xué)和單元?jiǎng)偠染仃囄锢硪饬x建立梁單元特性。

在彈性、小變形的前提下，單元保持平衡時(shí)節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)為例之間的線性關(guān)系如下：

簡記為：

上式是梁單元的剛度方程。稱為單元?jiǎng)偠染仃?，每一個(gè)元素都是常數(shù)?？梢?，梁單元?jiǎng)偠染仃嚲哂袑?duì)稱性、奇異性、主對(duì)角元素恒正的特性。

3 建立梁單元簡化模型

梁作為一種簡單常用的結(jié)構(gòu)，其截面形狀可以是任意的，但它只能模擬垂直于軸向的變形。用梁單元進(jìn)行梁的有限元模擬，通過焊接將梁的端點(diǎn)連接起來，因此不同鉸鏈，焊接可以傳遞力和力矩。實(shí)際上，車身的梁截面很多都是變化的，將變化的梁截面分段，簡化成不同截面的多段梁單元。用有限元仿真軟件hypermesh建立梁單元，bar板塊中，在截面幾何中心處建立梁單元，賦予所屬的梁截面屬性以及截面方向。

本文建立的簡化模型是基于由板單元組成的詳細(xì)有限元模型逐漸替換為全梁單元簡化模型。一維梁單元模型相對(duì)于二維有限元模型，模型簡單，計(jì)算速度快，但考慮到車身接頭在性能工況分析時(shí)對(duì)結(jié)果影響很大，所以在有些工況下直接簡化為全梁單元會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，所以采用對(duì)簡化模型進(jìn)行了逐步簡化：將車身所有梁結(jié)構(gòu)的每根梁的五分之一進(jìn)行替換為一維梁單元；然后將所有梁結(jié)構(gòu)每根梁的五分之二用一維梁單元進(jìn)行替換；同理，替換每根梁五分之三段、五分之四段，直至全部用一維梁單元替換所有梁結(jié)構(gòu)。利用在中心處節(jié)點(diǎn)合并將各段梁連接起來，最后得到車身結(jié)構(gòu)的梁單元簡化模型，全梁單元簡化模型總共有單元43個(gè)，部件49個(gè)，屬性48個(gè)，如圖3.1。

參考文獻(xiàn)：

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[3]喬淑平，李卓森，黃金陵.在概念設(shè)計(jì)階段用FEM進(jìn)行車身設(shè)計(jì)的研究.汽車技術(shù)，2000（04）：6-8.

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[5]蔡世民.概念車身智能化CAE分析—1D梁截面優(yōu)化研究[吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文].吉林：吉林大學(xué)，2007（04）：5-54.

[6]邢子敬，侯文彬，劉斌等.概念設(shè)計(jì)中梁截面對(duì)車身剛度影響的研究.汽車技術(shù)，2009（10）：20-24.