1、汽车设计概念阶段白车身接头与梁式结构优化的简化模型摘要本文提出了一种替代汽车模型构造中的梁式结构与节点的工程方法。其最终目的是为设计人员在创建一个汽车零部件概念模型提供一种有效方法。在汽车设计的早期，利用 NVH优化方法对白车身进行优化设计。所提出的方法是基于简化梁与节点建模方法，其中涉及到梁构件截面几何分析和接点的静态分析。第一个分析旨在确定梁中心节点和计算的等效梁属性。第二个分析目的在于通过静压下的复杂有限单元模型，建立由有三个或以上的梁构件通过的接点的简化模型。为了验证所提出的方法，列举由简化模型取代梁式结构和汽车车身上部区域的接头的工业研究个案，两种静态载荷分别作用于原始模型和简化模型
2、上并比较了两种模型的全车扭矩刚度和弯矩刚度，所采用的比较方法与OEM公司使用的标准是相同的。也对两种模型的全局频率与模态震型方面做了动态性能分析比较。在高度竞争的市场中，设计工程师面临着的挑战就是遵从复杂且有可能相互矛盾的设计标准开发新产品。在汽车产业领域，为完善汽车的各项功能性，如安全，降低噪音和振动，注重环保等任务，使越来越多的困难，由推出新产品或更新现有模式。为了使复杂的设计标准与降低上市时间相适应，就需要将计算机辅助工程（CAE）设计方法用于汽车设计的早期阶段。近来，为了使汽车设计人员在汽车功能已经确定、但详细的几何数据还不明确的概念阶段利用CAE进行设计，研究人员花费了不少精力。其目
3、的是要改善初始CAD设计，从而缩短了设计周期。在NVH和碰撞安全性的预测领域，研究人员已经提出很多概念建模方法。它们可以分为三类：基于前任有限元模型方法，零开始方法，并行计算机辅助方法。我们提出的方法属于第一类，其中涉及网格变形和概念改性的方法，被用来设计一个现有车型的变量或增量改进。利用前任有限元模型，完成CAE早期预测，可以找出CAD设计所存在的问题并提出可能的对策。如果一个新的概念车已经被设计好，但前任有限元模型又不可用，可以利用“零开始方法。两种方法有明显的区分。第一类是拓扑优化设计，主要用于减少初始可接纳设计模型的材料从而降低结构重量，但又不影响功能要求。拓扑优化设计通常是优化模型的
4、形状和尺寸。“零开始方法”属于“功能布局设计”，目的在于建立由梁、接点、板构成的简单概念模型，它表示功能布局以及功能预测。CAD 与CAE并行设计方法，也可在设计过程的早期阶段。CAD 与CAE并行设计方法可以在组件级CAD模型已经建立但车辆级模型还不确定阶段提供模拟结果。在基于前任有限元建模方法中，最近Donders.等人提出“减少梁和节点建模”的方法。以改善车身的NVH基本情况。所提出的方法建立了一个在梁的中心节点减少模态模型，模型中可以添加梁构件和连结点，从而可以完成概念车身修改与动态降噪减振性能的准确预测。商业软件包LMS虚拟实验室，有“减少梁和节点建模”的方法友好界面。设计工程师可以
5、定义一个梁和节点布局，计算车身减少梁和节点模态，完成车身梁构件和节点的调整和优化设计。文中，“简化梁和节点建模”的方法目的在于替代前任有限元方法。在确定作为横截面的几何中心点的梁中心点后，利用几何分析方法可以计算等效梁特性和减少梁构件。几何方法计算薄壁梁的刚度参数，手段，必须考虑薄壁梁的局部变化和不连续性（孔，焊接，加强筋）需要。为此，可以用更新过程迭代模型方法，估算每一个梁部件的修正因子。在下一步的工作，可以通过一个静态减少详细有限元模型而获得节点。为了验证所提出的方法，列举了一案例，车身上部的梁与节点用一简单模型替代。案例中通过对在车身的原始模型和简化模型的完全有限元和在扭力与弯曲作用力下
6、的静态刚度评估，完成了静态比较。通过全局频率与模型震动比较，完成两模型的动态比较分析。Donders.等人提出“简化梁和节点建模”的方法，目的在于有效地修改车身的梁与节点。其基本思想是找出所谓的梁的中心点，并在中心点上创建一个简化模型。随后通过简化梁与节点减轻结构的质量。本文简化梁与节点模型完全取代原始有限元模型，这样，车身的优化在概念设计就可以完成，同时可以得到一个详细的车身结构。在本节中，概述了估算简化梁与节点模型的质量和刚度性能过程梁类构件，具有其纵向尺寸远远超过了横向尺的特点，是在车身的主要结构因素。是车身的固有频率重要影响因素。在车辆的有限元模型，梁状成员通常是薄壁结构，由壳单元组成
7、。为了用简化梁取代梁的细格单元，要详细考虑众多的梁截面和并计算每根梁的等效梁属性。为此目的要实施下面的过程：（1）在梁部件的交叉平面上选择一切点。（2）在轴坐标系统中定义梁的近似方向和交叉面（3）以找到在原截面梁中心节点的几何中心，对主梁上的沿平面交叉口的壳元素 进行切割和分析（4）在这里，X表示梁方向，yz平面是平面交叉，如图1所示。对于任意截面属性的计算，可实现通过计算所属的横截面每个网格单元的等效梁属性，根据区域主轴 (xi, yi, zi).。然后，从区域轴体系，转化到交叉平面（x，y，z）。最后，对所有壳单元综合计算以找到该截面的全局属性。梁中心节点通过插值关系连接周边网格中。这些关
8、系由每个梁中心节点和特定节点组确定。通常情况下，为了计算主梁部件的等效梁属性，需要确定一系列的交叉平面。整个梁部件可以用一系列的从有限元库里面提取的线性梁部件表示。图二所示的原始车身有限单元模式和简化的有限元模式。 为补充2.1节描述的简化梁模型，本节将描述一个车身梁部件连接点简化过程。评估由接点连接的梁部件的等效梁特性后，可以得到一组包括梁位于连接端面上的梁中心节点的插值元素的节点组15。如图 3所示，示例中，连接车身右柱和车顶支架的接点网格从整车身提取出来，因为这个独立接头模型，可以用Guyan简化法计算一个接点代表该模型。Guyan简化法18，也称为静态缩合法，是用来简化结构有限元刚度和
9、大矩阵的方法。对于任意结构，其静态有限元矩阵方程可以由K（刚度矩阵），F（力）和X（位移向量）得出。 (1)通过确定边界自由度，必定存在一个内部自由度的解，方程（1）可以用方程（2）分解。 (2)其中o与t分别代表内部自由度和边界自由度。 通过公式（2）内部位移量可以用以下公式表示： （3）通过将静态简化矩阵可以得到以下方程： （4 ）其中是简化载荷向量，是刚性矩阵同样的变换可以用在简化边界自由度的大矩阵上，从而可以得到一个简化系统和进行动态分析。然而，Guyan简化法是一种近似简化法，为简化大矩阵，必须假设内部力对结构的作用远远小于外部力产生的弹性形变对结构的影响，也就是部件刚度非常高或者局
10、部动态影响可以忽略，因而简化的准确度是有条件的。对于每一个孤立的接点模型，Guyan简化法把梁中心点自由度看作边界自由度，然后有限单元模型简化为一个由刚度与大矩阵组成的超级元。对于典型的汽车关节点，关节点间的刚性对车身的影响远远大于节点质量分布的影响，的最终点的刚度关系有一个比大规模的联合精确分布全球性机构的行为更强大的影响力。基于这个原因，Guyan简化法简化节点结构可以看作是一个近似选择 。图4显示了一个工业车身模型，由123块板组成，板块是由线性壳单元模拟组成。车身组合面板大概有约3000个焊接点 。在有限元模型中，用六角形固体单元表示 。为了验证前面章节所述的梁与节点简化法，图4中，B
11、1到B5块梁，用等效简支梁代替。A、B还有纵向和横向的车顶支架 总共10根梁被替换。对称排列四个节点，图4中的J1, J2, J3 和 J4，被静态简化。图 5显示了简化的白车身模型，其中壳结构梁节点梁取代。梁的数量和长度依据原始网格选定。车身上的节点有限员模型被从车身有限员模型上删除，并用静态超单元代替。为了验证所提出的方法，评估了整车性能的静态和动态的指标。评估指标从原白车身模型与简化（或概念）模型上获得。为了评估静态指标，需要计算白车身的扭转刚度和弯曲刚度。车身后悬架固定，静态垂直力作用在前悬架上（图6中A和B），由力作用点位移和可以计算出扭转和弯曲所产生的弯矩角和扭矩角，计算公式如下：
12、 （5） (6)其中L和W表示的轴距和车宽。利用扭矩角，可以确定扭转刚度： （7）其中是作用前悬架上两个方向相反作用力形成的力矩。同样的弯曲刚度计算公式如下: （8）其中作用在前悬架上的垂直力。 通过对图4和图5所示的两个模型的有限单元分析，可以得出两种白车身模型的刚度特性。表1列出了两种白车身模型的扭转刚度和弯曲刚度指标，结果显示简化白车身模型的弯曲特性非常接近原始白车身模型，但是扭转刚度方面两者误差超过10，这就表示需要一个修正参数来提高准确性，这将在第4节继续讨论。为了比较的简化模型和原始模型的动态行为，通过在0 - 50赫兹的低频率范围的有限元分析估算了白车身的频率与模态，当模态处于自
13、由条件下的时候，前六模态是刚性模态，从第7模态开始，发现了车身固有模态。原始车身模型在测定频率区域内有10个非刚性模态，其中只有5个是是白车身的全局模态，因为其它模态在结构上有局部变形。将5个全局模态的本征频率值作为评价原始模型与概念模型相关性的动态指标。表2，列出了两种模型的全局频率。动态特性比较表明，概念车模型的整体结构的刚度估算过高，车身固有频率也偏高了0.156.70%。表1概念模型和原始模型的有限元分析出的弯曲和扭转刚度。扭转 弯曲原始模型 概念模型 原始模型 概念模型刚性（牛米/弧度） 1.456E+05 1.603E+05 5.013E+04 5.036E+04 (%) 10.1
14、5 0.45N模态形状 频率（赫兹） MACii 原始模型 概念模型 (%)1 第一扭转 18.22 19.28 5.82 0.992 第二扭转 26.13 27.88 6.70 0.9683 侧 弯 39.36 40.01 1.65 0.9894 垂直弯曲 41.73 42.12 0.93 0.9895 混合扭转+弯曲 47.85 47.92 0.15 0.99为了进一步比较两种模型的模态震型采用了模态置信度准则 。V1和V2是分别为原始模型和修正模型的模态矩阵，模态矩阵V1 I与模态矩阵V2j的相关系数在文章 里有论述。显示了MAC矩阵结果，由原始模型和概念模型的所有公共模型演化而来。如表2中列出MAC对角线值，表明概念模型在模态震型方面非常接近原始模型。基于前述的静态和动态分析的结果，可以得出这样的结论：通过几何算法得出的过高的薄壁梁的刚度，造成了车辆整体刚度的高估。这样的
