轿车白车身有限元模型修正与优化设计
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摘要
随着计算机技术和数值分析理论的发展,以有限元分析技术为代表的CAE技术在现代汽车产品设计中扮演着越来越重要的角色,几乎贯穿了汽车设计的全过程;现代轿车车身广泛采用全承载车身,这种车身整体参与承受来自汽车其他各个总成的载荷,满足了结构轻量化和节能的要求,但其车身的刚度、模态等静、动态力学性能也需要满足较高的要求。采用有限元方法对车身的结构力学性能进行理论分析在现代车身设计中得到广泛的应用,越来越受到人们的关注,国内外相关研究已经取得了相当大的成果。
有限元分析计算的结果的可信度的高低,直接受分析模型和与实际工程结构力学特性符合程度的影响。因此,通过样件试验来修正有限元模型,使其更符合实际结构,是得到高精度模型的一种理想的方法。
本文以某国产轿车白车身为研究对象,将有限元的动态分析与试验数据有机地结合起来,验证白车身有限元模型。以试验结果为依据,运用最优矩阵修正方法,满足有限元模型计算结果与试验结果相吻合的原则,进行有限元模型修正。
灵敏度分析是进行结构设计和优化的很有效的方法。本文推导了固有频率对壳单元厚度的动态灵敏度分析计算公式,将灵敏度分析方法应用于复杂、大规模的整车模型分析中,进行了模态和弯曲刚度灵敏度分析,找出对车身刚度影响最大的参数。运用灵敏度分析的结果,选取灵敏部件进行白车身的优化设计。
CAE technology, representatively FEA method, plays a more and more important role in the design of modern car products along with the development of computer technology and numerical calculation theory. It almost covers the most field of car design work. The unitized car body has been widely used in modern cars, which bears the whole loads from other parts of car. It meets the demands of weight reduction and energy saving, but also has high requirements of mechanical capabilities, both statically and dynamically, such as stiffness and modal capabilities.
The precise finite element model plays a key role in dynamic structure design, and there are always errors in finite element modeling, so it is necessary to decrease the deviation between the simulation results and testing results. In this paper, the finite element model of the body-in-white of a car is established mainly using the shell element. Then the low-order modal parameter is gotten through calculation, Based on the modal testing results, the finite element model is updated through adjusting the connective stiffness between parts, to obtain a mathematics model that agrees with the actual mechanical characteristics of structure.
In this paper, on the basis of the frequency and modal shape and of static characteristics, the sensitivity analysis of both static vertical bending stiffness and dynamic modal is performed. Finally, based on the sensitivity analysis results, the sensitive parts are picked up to conduct optimization analysis of this model.
有限元分析计算的结果的可信度的高低,直接受分析模型和与实际工程结构力学特性符合程度的影响。因此,通过样件试验来修正有限元模型,使其更符合实际结构,是得到高精度模型的一种理想的方法。
本文以某国产轿车白车身为研究对象,将有限元的动态分析与试验数据有机地结合起来,验证白车身有限元模型。以试验结果为依据,运用最优矩阵修正方法,满足有限元模型计算结果与试验结果相吻合的原则,进行有限元模型修正。
灵敏度分析是进行结构设计和优化的很有效的方法。本文推导了固有频率对壳单元厚度的动态灵敏度分析计算公式,将灵敏度分析方法应用于复杂、大规模的整车模型分析中,进行了模态和弯曲刚度灵敏度分析,找出对车身刚度影响最大的参数。运用灵敏度分析的结果,选取灵敏部件进行白车身的优化设计。
CAE technology, representatively FEA method, plays a more and more important role in the design of modern car products along with the development of computer technology and numerical calculation theory. It almost covers the most field of car design work. The unitized car body has been widely used in modern cars, which bears the whole loads from other parts of car. It meets the demands of weight reduction and energy saving, but also has high requirements of mechanical capabilities, both statically and dynamically, such as stiffness and modal capabilities.
The precise finite element model plays a key role in dynamic structure design, and there are always errors in finite element modeling, so it is necessary to decrease the deviation between the simulation results and testing results. In this paper, the finite element model of the body-in-white of a car is established mainly using the shell element. Then the low-order modal parameter is gotten through calculation, Based on the modal testing results, the finite element model is updated through adjusting the connective stiffness between parts, to obtain a mathematics model that agrees with the actual mechanical characteristics of structure.
In this paper, on the basis of the frequency and modal shape and of static characteristics, the sensitivity analysis of both static vertical bending stiffness and dynamic modal is performed. Finally, based on the sensitivity analysis results, the sensitive parts are picked up to conduct optimization analysis of this model.
引文
[1]马钿英,王家林,机械工程结构强度计算有限元基础,长春:吉林科学技术出版,1990。
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[3]谷安涛,我国城市客运大客车车身结构强度研究,汽车工程,1989.1。
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[7]刘惟信编,汽车设计,北京:清华大学出版社,2000。
[8]Kim T,卢耀祖等,机械与汽车结构的有限元分析,上海:同济大学出版社,2003。
[9]谷正气,轿车车身,北京:人民交通出版社,2002,10。
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[11]Jes Fenger.Urban air quality.Atmospheric Environment,1999,33:4877-4900.
[12]李应军,车身结构静态刚度强度分析的研究及应用[硕士论文],吉林工业大学,2000,2。
[13]李少波,谢庆生,楚甲良,汽车车身设计方法探讨,贵州工业大学学报(自然科学版),Vol 28(6),1999:78-82。
[14]王勖成,邵敏主编,有限单元法基本原理和数值方法,北京:清华大学出版社,1997,3。
[15]C.T.Fiross.Finite Element Methods in Structural Mechanics.America.Ellis Horwood Limited.1985.
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[17]ANSYS5.7有限元实例分析教程,北京:机械工业出版社,2002。
[18]黄金陵,汽车车身有限单元法基础,吉林工业大学内部教材,1989。
[19]马爱军,周传月,王旭.Pantran和Nastran有限元分析,清华大学出版社2005.1。
[20]陈东平,轿车参数化分析模型的构造研究及应用[硕士论文],吉林:吉林工业大学,2002.2。
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[22]邹正刚,有限元分析中的材料性能单位,中国仿真互动http://www.Simwe.com。
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[43]现代轿车车身车身设计,吴亚良编,上海:上海科学技术出版社,1999。
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