基于车身刚度及变形分析法的结构优化设计

论文摘要

提高汽车的燃油经济性和降低汽车生产的成本已成为现代轿车发展的总的趋势,国内外各大汽车公司对轻量化设计已经越来越重视。对轿车车身结构进行刚度特性的分析,汽车设计工程师们以分析的结果作为车身结构优化设计的依据。全承载式车身结构是如今轿车上采用的结构,此结构在很大程度上可以满足人们对轿车操纵稳定性、制造工艺性以及车身设计轻量化等多方面的要求。全承载式车身结构承载了轿车在使用时几乎全部的载荷,这其中包括弯曲载荷、扭转载荷以及碰撞载荷等。在这些载荷的共同作用下,轿车车身的刚度特性就显得极为重要。若轿车车身的刚度不足,轿车在日常使用过程中,轿车车身的变形就会较大,特别是立柱、门框、窗框等一些关键部位,较大的变形可能会造成整车密封性差、门锁变形、内饰脱落,甚至可能造成车门卡死、窗框玻璃被挤碎等现象；这样将会直接影响到轿车使用的可靠性、安全性、NVH性能以及燃油经济性等关键性能指标。国内外各大汽车公司对轿车白车身的结构静态刚度分析计算一直非常重视。进行轿车车身刚度及变形的分析计算以及对轿车车身进行结构优化设计,其主要目的是在保证车身刚度及变形在合理的范围的前提下,对车身结构进行优化设计。对于车身局部刚度过盈的部分,进行结构改善,使车身刚度分布合理；对车身局部刚度的薄弱部分进行合理而有效的加强,使车身整体刚度达到初始的设计要求。另外,车身结构优化可以使车身的振动特性得到改善,并且可以使得车身重量得以最大程度上的减轻,进一步解决车身轻量化的问题。本课题是在调查研究了国内外汽车刚度分析相关研究的基础上,建立了某A0轿车的有限元分析模型,之后对有限元分析模型进行了网格划分,对模型进行车身弯曲刚度和扭转刚度分析,并对有限元分析模型进行车身刚度的灵敏度计算,依据刚度灵敏度分析计算的结果,得到车身刚度的敏感构件,掌握不同构件对白车身刚度性能灵敏度,这为优化设计变量的选择提供了依据。车身结构优化设计,优化结果表明,研究表明,车身的设计开发过程中,灵敏度分析为车身结构修改提供了依据,是提升车身刚度及车身轻量化的有效途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 轿车车身发展概况
• 1.3 国内外CAE研究现状
• 1.4 本文主要研究的内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 有限元理论及其相关软件介绍
• 2.1 有限元基本概念
• 2.2 有限单元法分析过程概述
• 2.2.1 结构离散化
• 2.2.2 单元分析
• 2.2.3 整体分析
• 2.3 线弹性体静力学问题
• 2.3.1 线弹性体基本假设
• 2.3.2 关于外力、应力、形变与位移的定义
• 2.3.3 线弹性体基本方程
• 2.3.4 求解的收敛条件
• 2.4 壳体结构单元分析基本理论
• 2.4.1 板壳元的单元刚度矩阵
• 2.4.2 单元刚度矩阵由局部坐标系向整体坐标系转化
• 2.5 CATIA与ANSYS软件介绍
• 2.5.1 CATIA简介
• 2.5.2 ANSYS简介
• 2.6 本章小结
• 第3章 轿车车身有限元模型
• 3.1 轿车车身刚度有限元分析模型建立的原则
• 3.2 车身有限元建立的过程
• 3.2.1 钣金结构的简化
• 3.2.2 单元的选取及网格划分
• 3.2.3 单元数量的控制
• 3.2.4 单元质量的控制
• 3.2.5 连接方式的模拟
• 3.3 车身结构分析模型的建立
• 3.3.1 材料属性及单位
• 3.3.2 模型建立的方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 轿车车身刚度分析
• 4.1 引言
• 4.2 车身扭转刚度计算
• 4.2.1 车身扭转刚度有限元模型
• 4.2.2 白车身扭转刚度有限元计算
• 4.2.3 轿车门窗开口变形
• 4.3 车身弯曲刚度
• 4.3.1 轿车车身弯曲刚度计算
• 4.3.2 车身弯曲刚度约束与加载
• 4.4 刚度评价
• 4.5 本章小结
• 第5章 车身刚度灵敏度分析及车身结构优化
• 5.1 车身刚度灵敏度分析
• 5.1.1 灵敏度分析基本理论
• 5.1.2 车身扭转刚度灵敏度计算
• 5.2
• 5.2.2 结构优化设计基本概念
• 5.2.3 白车身的结构优化
• 5.2.4 车身结构优化
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录