复杂车身骨架有限元模型快速构建及其在轻量化设计中的应用

摘要

复杂车身骨架有限元模型的构建要求缩短周期并提高准确性，针对建模过程中焊接关系构建效率低和空气弹簧悬架边界条件难以模拟等问题，本文对型材接头焊接关系的快速构建和使用等效载荷法对空气弹簧悬架边界条件模拟等进行了研究，提出了基于点云配准的接头焊接关系快速构建方法，并应用于车架的轻量化设计。
　　第一章综述了复杂车身骨架结构性能分析和轻量化设计的国内外研究现状，包括车身骨架型材接头的结构分析及焊接关系的构建研究、基于空气弹簧悬架承载性能的边界条件模拟研究和复杂车身骨架的轻量化设计等技术，讨论了上述技术目前存在的不足，介绍了本文的研究内容与组织结构。
　　第二章提出了基于接头集合的型材焊接关系快速构建方法，针对各分总成中存在数量较多的同种焊接接头建立相应的接头集合。提出了基于点云配准和对应节点替代的接头焊接关系快速构建方法，实现了焊接关系的快速构建，解决了车身骨架中焊接关系构建效率低和相互之间存在差异的问题。
　　第三章研究了基于等效载荷法的空气弹簧悬架边界条件设置。构建好焊接关系后需要设置边界条件，建立空气弹簧悬架的多体动力学模型，计算多工况下车架与空气弹簧悬架连接位置处的受力，将其作为等效载荷施加到有限元模型中，避免了空气弹簧悬架与骨架连接位置处的应力集中，使得车架的应力分布更加准确。
　　第四章分析了车身骨架在多工况下的应力分布，对比了各个工况下的最大应力并结合开口形变确定了危险工况;计算了车身骨架的前六阶自由模态，分析了各阶模态的频率和振型，结合发动机振动激励和路面不平度激励分析了客车在行驶过程中的振动情况。
　　第五章对客车车身骨架轻量化设计进行了研究。基于前面几章结构性能分析的结果，选取安全裕度较大的型材作为优化对象，基于对称性对这些型材尺寸进行相应的约束以便减小计算量，构建代理模型并使用遗传算法进行求解，最后将优化前后的方案进行对比以验证方案的可行性。
　　第六章总结本文的研究成果，并对今后的研究工作进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外相关技术的研究现状

1．2．1 车身骨架型材接头结构分析及焊接关系构建研究

1．2．2 基于空气弹簧悬架承载性能的边界条件模拟研究

1．2．3 复杂车身骨架轻量化设计方法研究

1．3 研究内容与组织框架

1．4 本章小结

第2章 基于型材接头集合的车架焊接关系快速构建研究

2．1 引言

2．2 基于车身骨架有限元网格重用的型材焊接接头集合建立

2．2．1 基于模型对称性的车身骨架网格划分

2．2．2 车身骨架型材焊接接头的类别划分

2．2．3 型材焊接接头有限元网格的提取

2．2．4 型材焊接接头参数化等效模型及接头集合的建立

2．3 基于点云配准的车身骨架焊接关系快速构建

2．3．1 基于ICP算法的接头点云精确配准

2．3．2 基于对应节点替代的焊接关系快速构建

2．4 基于型材接头集合的焊接关系快速构建实例

2．5 本章小结

第3章 基于等效载荷法的空气弹簧悬架边界条件模拟

3．1 引言

3．2 空气弹簧的非线性刚度及双横臂独立悬架的机构分析

3．3 空气悬架系统多体动力学建模及等效载荷求解

3．3．1 前后悬架多体动力学建模

3．3．2 多工况下空气弹簧悬架的等效载荷求解

3．4 基于空气弹簧悬架承载力计算的边界条件确定

3．5 本章小结

第4章 多工况下车架强度危险状态确定与振动分析

4．1 引言

4．2 车身骨架有效载荷及惯性力的施加

4．3 多工况下车架静态结构性能分析与危险状态确定

4．3．1 多工况下结构性能分析与结果对比

4．3．2 基于车架强度和重要结构开口形变的危险状态确定

4．4 车身骨架的模态分析及其在常见激励下的响应判断

4．4．1 客车车身骨架的低频自由模态分析

4．4．2 基于模态计算结果的客车行驶振动分析

4．5 本章小结

第5章 在全承载车身骨架轻量化设计中的应用研究

5．1 引言

5．2 客车车身骨架轻量化设计模型的建立

5．2．1 基于骨架模型对称性的设计变量选取和分组处理

5．2．2 约束条件和优化目标的设置

5．3 基于径向基函数代理模型的多目标优化求解

5．3．1 基于Hammersley采样的径向基函数代理模型构建

5．3．2 基于NSGA-Ⅱ遗传算法的多目标优化求解

5．4 车身骨架优化前后的综合比较

5．4．1 型材截面尺寸优化的结果

5．4．2 危险工况强度分析对比

5．4．3 模态分析对比

5．4．4 重要结构开口形变对比

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简介