有限元在车身设计中的应用现状

Theodore

　　研究了用有限元法对汽车车身刚度、强度、动态特性进行分析的方法和步骤，对复杂曲面网格剖分和边界条件的确定进行了探讨，并提出了在实际应用中解决这两个问题的途径。并且以CHxxxxx型微型车对象进行了静力和模态分析，为改进设计提供了有价值的理论依据。
　　一、引言
　　汽车由底盘、发动机及车身三大总成构成。在这三大总成中，车身总成比底盘和发动机总成要复杂得多，车身的设计过程也相对复杂，涉及到工业造型、工程材料、生产工艺、结构力学、人机工程等众多学科。车身作为一个受力结构必须有足够的强度以保证其疲劳寿命，必须有足够的刚度以保证其装配和使用的要求，同时应有合理的动态特性控制振动与噪声，还应该有足够的抗冲击强度保证撞车时乘员的安全。有限元方法能够有效地满足上述车身设计的要求。在进行车身结构设计时，通过有限元分析，观察白车身及其结构件在各种工况下的变形，得到车身的强度、刚度及振动频率等各种力学性能。将有限元分析的结果反馈到车身设计环节，修改设计中不合理的参数，经过重复的优化，提高车身设计的质量，使得产品在设计阶段就可保证满足使用要求。从而缩短设计试验周期，节省大量的试验和生产费用，这是提高车身可靠性既经济又适用的方法之一。
　　二、车身有限元分析的基本步骤
　　1.建立车身有限元模型
　　建立车身有限元模型是前置处理阶段的主要工作，包括几何建模、网格划分、载荷移置、约束增加及材料定义等。
　　2. 车身有限元分析
　　车身有限元分析可利用通用或专用有限元分析软件完成。经有限元分析后可得到若干结果文件，如:结点位移文件、单元应力文件等。这些文件是车身后置处理的基础。
　　3. 后置处理
　　车身后置处理主要是将车身有限元分析的结果以等值线图、云图的方式可视化地显示，并且进行刚度、强度、振动频率及抗冲击特性等分析，研究车身的局部变形，校验车身刚度，分析车身变形对车身正常使用的影响，校核车身强度等。
　　三、车身有限元分析中几个难点及解决方法
　　建立车身有限元模型时要如实反映车身实际结构的重要力学特性，保证较高的计算精度。有限元分析计算结果可信度的高低，直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程结构力学特性符合程度的影响，若有失误则会造成很大误差，严重时将使计算、分析失败。
　　在此就昌河CHxxxxx车型的车身分析中所进行的研究阐述如下。
　　1.复杂曲面网格剖分
　　一般而言，网格剖分需要经过以下步骤:首先在有限元分析软件中建立零部件的几何模型，而后利用有限元分析软件选取适当的单元对几何模型进行自动剖分;也可以用手工剖分的方法直接给出各个结点坐标，然后利用结点构造单元，最终形成网格。
　　汽车车身由很多大型覆盖件组成，这些覆盖件的外形一般都是比较复杂的曲面。而一般有限元分析软件所提供的几何建模功能相当有限，建立不了象汽车车身这样的复杂曲面。手工剖分的方法更是不可能形成与覆盖件外形相一致的网格。
　　值得注意的是，很多大型的三维CAD软件，如CATIA、Pro/E等，都内嵌了与大型通用有限元分析软件的接口。而且一般而言，这些大型的三维CAD软件都具有很强的曲面造型和实体造型功能。利用这些CAD软件对汽车车身进行造型并不困难。
　　首先，选用具有复杂曲面建模功能的三维CAD软件来建立车身的几何模型，然后通过CAD软件中内嵌的与有限元分析软件的专用接口将在CAD软件中已经划分的网格数据传送到有限元分析软件中，有限元分析软件获得每个单元的构成信息(构成单元的结点及结点坐标)后，进行重建，从而建立车身的分析模型。整个过程如图1所示。
      
　　当然 ， 在 三维CAD软件中对复杂曲面进行网格剖分时也要遵循网格剖分的一般原则。尽量避免选用高次单元;尽量使网格分布均匀，避免网格畸变。
　　2. 边界条件确定
　　汽车车身一般采用薄钢板焊接或铆接的整体结构，所以，在进行有限元分析时，一般而言，也是将车身作为一个整体来考虑的。非承 载 式 与半承载式车身通过车架与板簧支座相连，承载式车身直接与板簧支座相连，所以车身的边界条件就体现为板簧支座的位移。汽车 满 载 且在凸凹不平路面上行驶时，前后车轮位于不同的平面，属于弯扭联合作用工况，也是危险工况。对车身整体进行分析时，应根据路面状况统计资料确定路面最大凸凹差，而后，将该差值换算成板簧支座处的位移。对板簧等悬架系统弹性元件，可以用杆、梁单元组合来模拟。
　　在有些情况下，我们更关心车身局部的受力、变形或振动情况。例如，计算车身侧撞时中立柱的受力情况。这时，就需要确定单个零部件的边界条件。确定 单 个 零部件的边界条件大概分为两步。首先，将车身作为一个整体，选取较稀疏的网格进行计算，得到零部件处的位移;然后，将该位移施加在具体零部件的边界，作为该零部件的边界条件。也可 以 通 过实验来确定边界条件。即在实验样车的具体部位贴应变片，然后使实验样车处于指定工况，将应变片所测得的数据作为零部件的边界条件。
      
　　四、有限元分析在车身设计中的具体应用
　　1.车身结构分析
　　车身结构的有限元分析既可用于对已设计完成的车身进行强度与刚度分析，又可用于对正在设计的车身进行仿真。通过对应力与位移进行分析，找到设计的薄弱环节，达到改进设计的目的。
　　图 6是 车 身中立柱内盖板在安全带荷载作用下应力及位移分布情况。其中，内盖板材料为A3钢，厚度为0.7mm。安全带总荷载为2400N，以均布的形式施加在开口边框四周。
      
　　从图中可以看出，最大应力出现在安装安全带的开口矩形边框处。边框顶点节点号及Mises等效应力值如表1。虽然最大应力距离A3钢的屈服极限还较远，但从改进内盖板的受力情况考虑，应该在开口矩形边框处设置加强肋，以提高该部位的强度。
      
　　2.车身模态分析
　　众所周知，汽车行驶在颠簸路面上时，由于各个零部件在路面激振力的作用下会产生各种形式的振动。振动不但可能会造成汽车结构的疲劳破坏，还会产生很大的噪声。对汽车车身进行模态分析有利于掌握车身对激振力的响应，从而对车身设计方案进行合理的评价。一般而言，车身在激振力作用下，顶棚、地板、侧围、车门等部位都会发生振动。车门处的振动有可能导致车门死锁，或撞击中立柱，对车身造成破坏。图7是CHxxxxx型微型汽车车门模态分析的情况。图中只给出了一阶振型的情况。在一阶振型中，最大位移发生在车门右上角。这说明车门右边框刚度不足。为了改善车门的振动性能，应对车门右边框采取适当的加强措施。
      
　　3.碰撞分析
　　现代汽车车身设计越来越强调安全性的概念。这就要求即使在撞车情况下，车身变形也要满足一定要求，以保证乘员安全。所以，碰撞分析日益成为车身有限元分析中一个必不可少的环节。通过碰撞分析，可以模拟车身在撞车情形下的变形情况，可以对已经设计或正在设计的车身进行一个综合性的安全评估，以利于设计质量的提高。
　　五、结束语
　　依据国家，863/CIMS 主题项目一“昌河汽车并行工程”的子课题“车身设计与分析”已经进行的工作进行总结。从昌河飞机工业公司的应用实际来看，车身有限元分析在昌河汽车车身设计中起了重要的作用。我们对昌河公司在研的车型CHxxxxx的车身用上述方法进行了分析工作，找出了原设计中的某些不足，并提出了改进建议，提高了设计质量。
　　有限元法是一种用于结构分析的数值分析方法，是CAD系统的重要组成部分，在车身设计中充分应用有限元分析技术可以改善设计质量，提高了设计的一次成功率，从而可以提高汽车厂家的自主开发能力。从昌河公司应用有限元分析的实际情况来看，有限元分析在车身零部件和车身整体的结构分析、模态分析和碰撞分析等领域中都有着广阔的应用前景。



来源：CAE技术联盟