基于有限元的白车身模态刚度CAE分析及其优化Word格式文档下载.docx

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备注：

因要遵循公司保密条约，本论文数据已处理。

ModalandStiffnessAnalysisandOPtimizationonBody-in-white

ofCarBasedonFiniteElementMethod

Abstract

Automobileindustrydevelopmenttoday,thebodyhasbecomethevariouspropertiesofthelargestpartofthecarbody,inparticular,itlargelydeterminesthevalueofthegoodsandthesalemarketofautomobile.Inrecentdecades,thevehiclesafety,comfort,economy,reliabilityanddurabilityoftheincreasinglyhighdemand;

becauseoftheshortageofenergyresourcesandthecarmarketwithintensecompetition,andforcedthecartolightenandreducecostsasmuchaspossible,andthusleadtomaterialsengineeringandmanufacturingindustrytremendouschanges,andmakethedesignconceptanddesignmethodofcontinuousimprovement.Thefiniteelementmethodisakindofcontinuumdiscretenumericalcalculationmethod,themechanicsmodeltoapproximatethenumericalmethod,thebody-in-whitstructureanalysisplaysanimportantrole.

Inthispaper,theuseofadvancedCAEtechnology,tobody-in-whitasthemainresearchobject,inHyperworkssoftware,establishthedetailedfiniteelementmodelofbody-in-whit,forwhitebodyfreemodalanalysisoftorsionalandbendingconditionandworkingconditionofBIWstiffnessanalysisofbody-in-whit,todetectwhethermeetthebasicmodalstiffnessdegreerequirements.AndtheuseofCAEsoftwareforwhitemainbodysheetmetalpartsoptimization,hasreachedthegoaloflighteningthebody-in-whit,improvetheeconomyandsafetyof,meetmarketdemand.

Keywords:

Body-in-whitModaHyperworksStiffnessOptimization

中文摘要Ⅰ

英文摘要.Ⅱ

目录Ⅲ

第一章绪论1

1.1引言1

1.2国内外车身CAE技术研究现状2

1.3本文的主要内容3

第二章有限元法理论4

2.1引言4

2.2有限单元法和白车身刚度的基本原理4

2.2.1有限元和模态分析基本理论4

2.2.2白车身扭转刚度基本理论5

2.2.3白车身弯曲刚度基本理论7

2.2.4白车身门窗开口变形理论8

第三章某轿车白车身有限元建模9

3.1引言9

3.2建模要求9

3.2.1网格标准的确定9

3.2.2网格质量要求9

3.3建模的基本步骤10

3.3.1建模原则10

3.3.2单元类型的选择10

3.3.3连接方式的选择10

3.3.4单位制及材料特性11

3.2.5模型的装配11

第四章轿车白车身模态分析13

4.1白车身模态分析的意义13

4.2白车身模态分析的基本设置13

4.3白车身模态分析结果分析13

4.4本章小结.16

第五章轿车白车身刚度分析17

5.1引言17

5.2白车身扭转工况分析17

5.2.1加载及约束条件17

5.2.2白车身扭转刚度结果表达及评价标准18

5.2.3轿车白车身扭转刚度数据处理及分析结果18

5.3白车身弯曲工况分析22

5.3.1加载及约束条件22

5.3.2白车身弯曲刚度结果表达及评价标准22

5.3.3轿车白车身弯曲刚度数据处理及分析结果23

5.4本章小结25

第六章轿车白车身优化分析26

6.1引言.26

6.2优化分析的基本原理26

6.3优化分析的基本步骤27

6.3.1在Hypermesh中完成相关设置27

6.3.2提交Nastran完成计算28

6.3.3提取灵敏度信息28

6.3.4确定优化方案28

6.4白车身优化结果分析28

第七章结论与展望29

7.1本文结论29

7.2工作展望.29

参考文献30

致谢32

第一章.绪论

1.1引言

近几年，我国汽车工业快速而稳步发展，打造我国自主品牌、开发核心技术是我国汽车工业的必然选择。

在吸收国际汽车先进研发技术的同时，我国汽车产业正在逐步提高自主开发设计能力[1]。

现在，人们对汽车品质和外观的要求越来越高，车身结构的合理与美观对汽车的品质和外观有着决定性作用。

在整车开发过程中，车身开发占很大比例的时间、人力和费用，所以车身开发的速度对于整车迅速占领市场起着关键作用。

缩短设计周期、提高设计质量、降低开发成本和白车身成本是汽车车身开发的发展方向。

在现代轿车的设计开发过程中，轿车白车身大多数采用承载式结构，这样的结构可以很大程度上实现整车结构的轻量化设计，满足轿车的操纵稳定性和制造工艺性等多方面因素的要求[2]。

汽车市场竞争日趋激烈，缩短新车型开发周期和降低成本成为适应市场发展趋势的必然要求。

承载式车身几乎承载了轿车使用过程中的所有各种载荷，主要包括扭转、弯曲和碰撞载荷等。

在这些载荷的作用下，轿车白车身的刚度特性具有举足轻重的作用。

白车身刚度不合理，将直接影响轿车的可靠性、安全性、操纵稳定性、动力响应特性、NVH性能、燃油经济性等关键性指标。

因而，轿车白车身结构的主要静态工况分析一直为国内外汽车界所重视。

如果刚度不足，会引起车身的门框、窗框、行李箱开口和发动机舱口等处变形过大，导致车门卡死、玻璃破碎、密封不严以至渗雨、漏雨以及内饰脱落等，还会造成车身振动频率低，易发生结构共振，削弱结构接头的连接强度，最终直接或间接地影响汽车行驶平顺性、操纵性、舒适性等各种性能[3]。

此外，还会影响安装在车身上总成的相对位置。

白车身结构的低阶模态振型，不仅反映了汽车白车身的整体刚度性能，而且是控制汽车振动的关键指标。

因此，现代轿车的设计都是在汽车质量尽量小的前提下，最大限度地提高汽车的刚度，改善振动性能，避免产生结构共振。

可见，通过对轿车白车身刚度和模态的研究，来改进结构的设计是十分重要的[3-8]。

CAE技术现在已成为各汽车公司车身开发的重要手段。

轿车白车身的刚度特性反应了白车身在整体上抵抗扭转和弯曲载荷的能力，反应了轿车车身的整体性能。

用有限元法对白车身结构进行刚度和模态分析，可对其结构刚度、频率、固有振型等有充分认识。

修改相关设计缺陷和优化设计，使白车身结构具有足够的静刚度，以保证其装配和使用的要求，同时达到控制振动与降低噪声的目的，使产品在设计开发阶段验证设计方案是否满足性能要求，从而缩短开发周期，节省大量的试验费用，这是提高产品可靠性的有效方法。

因而，轿车白车身结构的刚度特性分析和优化设计有着十分重要的意义[4]。

随着全球石油能源的日益紧缺和生态环境的恶化，设计和生产油耗低、污染小、燃油效率高的汽车成为各国的战略性决策。

研究数据表明，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；

若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%；

若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%。

由此可见，轻量化的突出优点就是油耗显著降低。

汽车车身约占汽车总质量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身重量上，因此车身的轻量化对减轻汽车自重，提高整车燃料经济性至关重要。

车辆行驶时颠簸会因底盘重量减轻而减轻，整个车身会更加稳定；

轻量化材料对冲撞能量的吸收，又可以有效提高碰撞安全性。

因此汽车轻量化已成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题[20]。

目前，汽车轻量化实现的手段主要有：

结构设计、轻量化材料应用和制造技术。

结构设计主要有零部件数量、厚度减小和创新结构、材料的应用等，轻量化材料应用主要有铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢、塑料、粉末冶金、生态复合材料及陶瓷等新型材料的应用，制造技术主要有成形技术、连接技术、表面处理技术等新型技术的应用[20]。

1.2国内外车身CAE技术研究现状

早在上世纪80年代初期，PaulF.Chenen先生就极有预见性地对汽车车身结构必须满足一定约束和应达到的目标作了详细的阐述，即白车身应满足刚度、强度、耐久性、NVH性能、安全性、舒适性、轻量化设计、制造性、环保及成本要求等。

随着科技的进步，汽车市场竞争的加剧，车身结构设计应同时满足的要求越来越多，而同时车身开发的周期却在不断缩短。

计算机辅助工程分析技术被国内外各大汽车公司重视起来，经过不断的积累和研究，国内外各大汽车公司已经建立了高性能的计算机辅助工程分析系统（CAE），主要应用领域有[4]：

1．车身壳体及其零部件的结构分析，如车身静态刚度、强度分析、疲劳寿命分析、抗凹分析、塑性成型模拟技术、复合材料分析；

2．整车及零部件的模态分析；

3．NVH分析，研究车身因发动机、车轮、空气阻力等激励产生的振动与噪声、摩擦噪声、风噪声等；

4．车辆仿真碰撞分析，模拟碰撞分析已经成为车身开发过程中一个必不可少的关键性环节。

分析计算各