引入成形因素的车身结构分析

论文摘要

随着全球汽车保有量的与日俱增,产品的安全、节能和环保成为当今汽车工程领域的三大主题和研究热点。汽车产品的轻量化设计,不仅可以减少燃油消耗,节约能源,同时还可以降低排放,是一项一举多得且行之有效的措施。车身作为汽车三大总成之一(车身、底盘和发动机),占整车质量的40%—60%,因此,对车身结构的轻量化意义重大、有潜力且切实可行。现代CAE技术辅助车身结构设计,是实现轻量化设计的主要手段之一,其计算精度与可靠性则是实现轻量化的关键。汽车车身特别是轿车车身的结构件及表面覆盖件大都采用冷冲压成形工艺制造,成形过程会导致冲压件的厚度不均匀和卸载产生的残余应变和应力等,这些因素对车身结构的刚度、强度、振动特性以及疲劳耐久性都会带来影响,然而常规结构分析都给忽略掉了。那么,在结构分析之前,对车身结构中各冲压件进行预成形分析,并将所得的成形因素引入结构分析与疲劳寿命分析,将可以获得更加真实可靠的模拟结果,为车身结构轻量化与优化设计提供更加精确的参考数据。本文采用一步逆成形有限元法,以一步成形模拟软件系统KMAS作为预处理,基于COMX平台自行编写了引入成形因素的程序组件,实现了一步逆成性模拟与结构分析的联合仿真分析。文中以汽车白车身及前纵梁为例,采用MSC.Nastran软件分别对其进行了引入成形因素的结构分析,重点研究了单元节点厚度和单元等效塑性应变对结构仿真的影响,分析对比了引入成形因素前后车身扭转刚度与弯曲刚度、主要开口变形量以及振动特性,结果表明为提高结构分析精度,有必要采用考虑冲压成形效应的结构分析方法,尤其对于非线性问题等效塑性应变的影响特别明显。疲劳耐久性分析作为结构CAE的一个重要方面,本文以典型的车身前悬架支座为例,研究了冲压成形导致的厚度变化和残余应变对疲劳性能的影响,通过采用局部应力应变法对其进行疲劳寿命分析,并进一步对所选零件的单轴疲劳进行了二轴修正,定量分析了成形因素对车身构件疲劳裂纹形成的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 汽车车身结构分析的研究现状
• 1.2.1 车身结构分析的历史回顾
• 1.2.2 车身结构分析的国内外研究现状
• 1.2.3 冲压成形过程对结构分析影响的研究现状
• 1.3 本文的主要内容与创新点
• 1.3.1 本文的主要内容
• 1.3.2 本文的创新点
• 2 基本理论与引入成形因素的实现方法
• 2.1 一步成形逆有限元法的基本思想和基本理论
• 2.1.1 一步逆成形有限元法的基本思想
• 2.1.2 一步逆成性有限元法的基本理论
• 2.2 引入成形因素结构分析的实现方法
• 2.2.1 车身结构件的成形预分析
• 2.2.2 引入成形因素的实现方法
• 2.3 有限元法的分析过程
• 2.4 疲劳分析的基本理论与方法
• 2.4.1 疲劳破坏的特性
• 2.4.2 影响疲劳寿命的主要因素
• 2.4.3 疲劳累积损伤理论
• 2.4.4 疲劳设计准则
• 2.4.5 疲劳寿命CAE分析流程
• 2.5 本章小结
• 3 引入成形因素的车身静态特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 车身结构分析技术的评价指标
• 3.2.1 车身刚度评价指标
• 3.2.2 车身刚度与开口变形的关系
• 3.3 轿车白车身有限元模型的建立
• 3.3.1 有限元模型的简化原则
• 3.3.2 单元类型的选取
• 3.3.3 有限元模型中焊点的处理
• 3.3.4 模型质量与规模控制
• 3.3.5 车身有限元模型的描述
• 3.4 车身扭转刚度计算分析
• 3.4.1 扭转工况下采用的边界条件与载荷工况
• 3.4.2 扭转刚度
• 3.4.3 扭转工况的计算分析
• 3.5 车身弯曲刚度计算分析
• 3.5.1 弯曲工况下采用的边界条件与载荷工况
• 3.5.2 弯曲刚度
• 3.5.3 弯曲工况的计算分析
• 3.6 车身局部结构变形分析
• 3.7 本章小结
• 4 引入成形因素的车身动态特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 振动模态分析的理论基础
• 4.3 模态提取方法
• 4.4 轿车车身模态分析计算
• 4.4.1 模态分析步骤
• 4.4.2 轿车车身模态分析结果
• 4.4.3 模态分析评价
• 4.5 本章小结
• 5 成形因素对车身部件疲劳性能的影响研究
• 5.1 引言
• 5.2 局部应力-应变法
• 5.2.1 循环σ-ε曲线与迟滞回线
• 5.2.2 ε-N曲线
• 5.2.3 平均应力修正
• 5.3 疲劳载荷谱的处理-雨流循环计数
• 5.4 引入成形因素估算裂纹形成寿命流程
• 5.5 车身部件实例计算
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢