基于某乘用车的简化车身建模与仿真研究

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车身结构设计包括详细设计和概念设计两个阶段。从成本上,全部车身设计成本的近70%都花费在概念设计阶段;从时间上看,缩短车身设计时间,减少重复设计工作,关键是完成好概念设计阶段的任务。然而,目前对整车性能的分析和研究还主要停留在详细设计阶段,一旦对车身结构进行修改,整个设计阶段的工作就要重新进行,这无疑造成设计成本的大大增加。因此,概念设计阶段的工作将极大地影响后续的工作。本论文以某乘用车车身详细模型为基础,对用于概念设计阶段的乘用车车身简化模型建模方法进行了研究。通过对车身构造和详细模型基本性能(扭转、弯曲刚度,开口变形,低阶模态等)的分析,利用三种方法建立了用于概念设计阶段的车身简化模型。第一种方法利用基于特性的简化参数化模型(Property Based Model,PBM)描述车身承载梁构件,本文称为PBM方法;第二种方法基于梁结构实际截面来建立其简化模型(Section Based Model,SBM),本文称这种方法为SBM方法。通过与整车详细模型的基本性能比较,验证了简化模型的有效性。通过对这两种方法的优缺点进行分析,本文提出了利用这两种方法进行混合建模的思想,并进行了计算和验证。为了能够在软件上快速实现上述简化车身建模方法,本文基于HyperMesh软件的二次开发功能对概念车身的自动化建模进行了研究。在PBM方法的研究中,本文提出并采用基于材料力学经典公式从梁构件的整体刚度出发建立等刚度梁单元的方法。利用梁单元的截面面积、两个主轴惯性矩和扭转常数四个参数,来表达截面的其它参数,进而决定梁单元的整体刚度。在梁单元截面参数的求解中,研究了梁截面主惯性矩及其方位的确定方法,采用恰当的加载方位计算了简化梁结构的截面参数。由于基于特性的简化模型着重从力学特性上表达原结构的性能,忽略了质量上的模拟,因此二者质量不相等,导致对简化模型的动态分析不够准确,为此,本文通过对各梁构件添加非结构质量的方法,使简化模型和详细模型的质量相等,通过比较二者的低阶模态发现效果比较理想。通过对PBM方法建立的简化车身模型的各项基本性能的验证表明,其扭转刚度和弯曲刚度的相对误差都不超过9%,开口部位变形的相对误差不到1%,低阶弯曲模态和扭转模态的相对误差均不到14%,这样的误差均满足概念设计阶段的要求,因此可以认为简化模型很好地模拟了原车身结构的基本性能。PBM方法建立的等效模型反映不出截面尺寸。为此,本文还研究了根据截面尺寸快速建立简化模型的方法,即SBM方法。利用SBM方法建立的等效模型简化处理了实际的车身梁构件的截面,但仍然保持着与真实截面基本相同的特性。通过对简化模型基本性能的验证,得出简化模型的弯、扭刚度均大于原结构。为此,研究了封闭腔模拟焊接截面对梁构件刚度特性的影响以及梁构件的截面数目对其刚度特性的影响,并且对壳单元模拟的梁构件和梁单元模拟的梁构件之间的差异进行了研究。为了能够将这两种方法更好地应用,本文对两种方法进行了全面的剖析,比较了二者的优缺点,并总结了各自产生误差的原因。基于在实用中尽量扬长避短,本文提出利用两种方法进行整车承载结构建模的思想。研究表明,基于混合建模方法建立的车身简化模型,整车刚度方面能得到更好的保证;扩展了PBM模型的适用范围,降低了过多SBM模型导致的误差;可以对感兴趣的部位以壁厚为参数进行优化设计;扩展了对标车型的用途,可以将力学信息充分应用在对新车型的开发中。HyperMesh软件中提供了二次开发接口,本文借助它对概念车身建模的流程自动化进行了研究。本文以提取接头详细有限元模型为例展示了流程自动化建模的详细过程。概念设计阶段,将其建模流程自动化,极大地缩短了简化模型的创建时间。总之,本文所建立的概念车身简化模型,能够较准确地预测要开发车身结构的力学性能,为概念设计阶段的概念车身建模提供了可行方法,并通过将其流程自动化,极大地简化了概念模型的创建过程,能够极大地缩短概念设计阶段的设计时间。
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