概念設計階段車身簡化模型的建立

崔曉

摘 要：為在概念設計階段縮減時間等設計成本，建立合適的有限元簡化模型便于設計研究，采用將車身梁結構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模型替換成為全部一維梁單元簡化模型。

關鍵詞：概念設計；簡化模型；梁單元

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

1 前言

在概念設計階段中，最早是由豐田對概念車身的結構框架進行研究，提出了FOA [1]技術， 車身是由梁、板以及接頭單元組成，并對該簡化模型做了靜、動力學分析。房立存[2]開發了一種設計工具能快速生成概念結構的幾何有限元和幾何模型，并能優化一維的梁單元以及進行車身設計。李卓森[3]用FEM對概念設計階段進行車身設計研究，用空間板殼單元以及薄壁梁單元建立了概念設計階段的轎車簡化力學模型，并分析了主要斷面的截面特性對汽車車身剛度的影響；左文杰[4]開發了一種簡化模型是由專用的車身結構單元組成，使所建立的簡化模型的力學性能盡可能的接近有限元模型或實車模型，為后續的框架結構優化奠定基礎。蔡世民[5]建立的主要由薄板和薄壁梁構成的車身模型，賦予梁以真實截面，并對變化較大的梁截面進行分段處理。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軸的轉角自由度：扭轉剛度，表示它的扭轉度。

繞Y軸的轉角自由度：彎曲剛度，表示彎曲偏轉角。

繞Z軸的轉角自由度：彎曲剛度，表示彎曲偏轉角。

結構中的一個梁單元的變形是由節點位移決定，對一個平衡單元，一定的節點位移與一定的節點力是相關聯的，這個關系就是單元的彈性特性，或剛度特性。

根據材料力學和單元剛度矩陣物理意義建立梁單元特性。

在彈性、小變形的前提下，單元保持平衡時節點力和節點為例之間的線性關系如下：

簡記為：

上式是梁單元的剛度方程。稱為單元剛度矩陣，每一個元素都是常數。可見，梁單元剛度矩陣具有對稱性、奇異性、主對角元素恒正的特性。

3 建立梁單元簡化模型

梁作為一種簡單常用的結構，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。用梁單元進行梁的有限元模擬，通過焊接將梁的端點連接起來，因此不同鉸鏈，焊接可以傳遞力和力矩。實際上，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于二維有限元模型，模型簡單，計算速度快，但考慮到車身接頭在性能工況分析時對結果影響很大，所以在有些工況下直接簡化為全梁單元會產生很大的誤差，所以采用對簡化模型進行了逐步簡化：將車身所有梁結構的每根梁的五分之一進行替換為一維梁單元；然后將所有梁結構每根梁的五分之二用一維梁單元進行替換；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構。利用在中心處節點合并將各段梁連接起來，最后得到車身結構的梁單元簡化模型，全梁單元簡化模型總共有單元43個，部件49個，屬性48個，如圖3.1。

參考文獻：

[1]Nishigaki H.，Amago T.，Sugiura H.，et al.First Order Analysis for Automotive Body Structure Design—Part2：Joint Analysis Considering Nonlinear Behavior[J].SAE Technical Paper Series，2004.

[2]房立存，秦世引.基于多目標遺傳算法的混合電動汽車參數優化[J].汽車工程，2007，29（12）：1036-1040.

[3]喬淑平，李卓森，黃金陵.在概念設計階段用FEM進行車身設計的研究.汽車技術，2000（04）：6-8.

[4]左文杰.簡化車身框架結構建模與快速優化研究[吉林大學博士學位論文].吉林：吉林大學，2010（06）：21-134.

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

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