概念设计阶段车身简化模型的建立

崔晓

摘 要：为在概念设计阶段缩减时间等设计成本，建立合适的有限元简化模型便于设计研究，采用将车身梁结构的有限元二维梁单元五等分的方法，逐步把二维有限元详细模型替换成为全部一维梁单元简化模型。

关键词：概念设计；简化模型；梁单元

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

1 前言

在概念设计阶段中，最早是由丰田对概念车身的结构框架进行研究，提出了FOA [1]技术， 车身是由梁、板以及接头单元组成，并对该简化模型做了静、动力学分析。房立存[2]开发了一种设计工具能快速生成概念结构的几何有限元和几何模型，并能优化一维的梁单元以及进行车身设计。李卓森[3]用FEM对概念设计阶段进行车身设计研究，用空间板壳单元以及薄壁梁单元建立了概念设计阶段的轿车简化力学模型，并分析了主要断面的截面特性对汽车车身刚度的影响；左文杰[4]开发了一种简化模型是由专用的车身结构单元组成，使所建立的简化模型的力学性能尽可能的接近有限元模型或实车模型，为后续的框架结构优化奠定基础。蔡世民[5]建立的主要由薄板和薄壁梁构成的车身模型，赋予梁以真实截面，并对变化较大的梁截面进行分段处理。邢子敬[6]也将车身简化为由梁单元和板单元组成，采用RBE2单元模拟梁和板之间的焊接，用弹簧单元模拟概念模型中的接头。

2 梁单元特性分析

如图2.1所示：X轴方向的位移自由度：轴拉刚度，表示单元伸缩刚度。

Y轴方向的位移自由度：剪切刚度，表示y轴方向的剪切变形。

Z轴方向的位移自由度：也是剪切刚度，表示Z轴方向的位移。

绕X轴的转角自由度：扭转刚度，表示它的扭转度。

绕Y轴的转角自由度：弯曲刚度，表示弯曲偏转角。

绕Z轴的转角自由度：弯曲刚度，表示弯曲偏转角。

结构中的一个梁单元的变形是由节点位移决定，对一个平衡单元，一定的节点位移与一定的节点力是相关联的，这个关系就是单元的弹性特性，或刚度特性。

根据材料力学和单元刚度矩阵物理意义建立梁单元特性。

在弹性、小变形的前提下，单元保持平衡时节点力和节点为例之间的线性关系如下：

简记为：

上式是梁单元的刚度方程。称为单元刚度矩阵，每一个元素都是常数。可见，梁单元刚度矩阵具有对称性、奇异性、主对角元素恒正的特性。

3 建立梁单元简化模型

梁作为一种简单常用的结构，其截面形状可以是任意的，但它只能模拟垂直于轴向的变形。用梁单元进行梁的有限元模拟，通过焊接将梁的端点连接起来，因此不同铰链，焊接可以传递力和力矩。实际上，车身的梁截面很多都是变化的，将变化的梁截面分段，简化成不同截面的多段梁单元。用有限元仿真软件hypermesh建立梁单元，bar板块中，在截面几何中心处建立梁单元，赋予所属的梁截面属性以及截面方向。

本文建立的简化模型是基于由板单元组成的详细有限元模型逐渐替换为全梁单元简化模型。一维梁单元模型相对于二维有限元模型，模型简单，计算速度快，但考虑到车身接头在性能工况分析时对结果影响很大，所以在有些工况下直接简化为全梁单元会产生很大的误差，所以采用对简化模型进行了逐步简化：将车身所有梁结构的每根梁的五分之一进行替换为一维梁单元；然后将所有梁结构每根梁的五分之二用一维梁单元进行替换；同理，替换每根梁五分之三段、五分之四段，直至全部用一維梁单元替换所有梁结构。利用在中心处节点合并将各段梁连接起来，最后得到车身结构的梁单元简化模型，全梁单元简化模型总共有单元43个，部件49个，属性48个，如图3.1。

参考文献：

[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.基于多目标遗传算法的混合电动汽车参数优化[J].汽车工程，2007，29（12）：1036-1040.

[3]乔淑平，李卓森，黄金陵.在概念设计阶段用FEM进行车身设计的研究.汽车技术，2000（04）：6-8.

[4]左文杰.简化车身框架结构建模与快速优化研究[吉林大学博士学位论文].吉林：吉林大学，2010（06）：21-134.

[5]蔡世民.概念车身智能化CAE分析—1D梁截面优化研究[吉林大学硕士学位论文].吉林：吉林大学，2007（04）：5-54.

[6]邢子敬，侯文彬，刘斌等.概念设计中梁截面对车身刚度影响的研究.汽车技术，2009（10）：20-24.