一种基于CAE的车身刚度分析方法

摘要

本发明涉及计算机辅助工程(CAE)技术领域，具体涉及一种基于CAE的车身刚度分析方法，用于分析车身的前纵梁、门槛和后纵梁的弯曲刚度和扭转刚度，包括：建立车身有限元网格模型和坐标系，通过施加加载和约束进行模拟测试，获得处理结果，并生成曲线，然后判断处理结果是否满足要求，如果满足要求则保存处理结果，否则重新建立车身有限元网格模型以便重新进行模拟测试。在本发明中，通过车身有限元网格模型分析节点的位移和扭转角度以进行刚度分析，而不必靠经验选取节点进行计算，结果更加精确；自动获得分析结果，减轻了工程师的工作量，节约项目开发时间；可以对结果进行归零，使结果规范化，结果兼容性强、便于对比分析。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机辅助工程(CAE)技术领域，具体涉及一种基于CAE的车身刚度分 析方法，用于分析车身的前纵梁、门槛和后纵梁的弯曲刚度和扭转刚度。

背景技术

乘用车车身的弯曲刚度和扭转刚度是车身在静态受载时表现出的抵抗弯曲和扭转变 形的能力，用来衡量车辆在正常行驶时的许可变形。现代乘用车绝大多数采用承载式车 身结构，要承受使用过程中的各种载荷，如扭转、弯曲和碰撞载荷等。在这些载荷的作 用下，车身的刚度特性具有非常重要的作用。如果车身刚度不足，会引起门框、窗框、 发动机罩口和行李箱开口等变形大，导致车门卡死、玻璃破碎、密封不严等现象。因此， 在设计过程中必须考虑车身整体刚度和关键部位的变形。由于在项目前期无法进行车身 刚度特性试验时，所以必须通过CAE模拟手段来进行模拟分析，以保证车身的刚度性能。

传统的车身刚度CAE线性分析方法的过程是：基于CAE建立车身模型；将建模完成 后的车身模型进行加载与约束，以便模拟车身模型在整车中的真实状态；根据经验选取 节点；对车身模型施加加载，分析节点的位移和扭转角度；然后为了获得节点的最大位 移值、变形程度以及考察车身模型左右结构是否对称，要求建立左右两侧的曲线，包括 针对弯曲刚度建立位移曲线，针对扭转刚度建立扭转角度曲线。

这种方法存在如下问题：如果选取较少节点，会使曲线精度降低，存在尖点，同时 可能漏掉最大位移点，造成刚度计算结果不准确；如果选取较多节点，则需要选取车身 纵向的一排节点，节点数量大约在800至1000个左右，需要工程师根据经验手动选取并 逐一计算，不仅增加项目开发时间，而且浪费人力成本；每次操作选取的加载点位置不 同，操作时记录的信息和操作后记录的结果不规范。这些问题导致成本高、处理结果兼 容性差、不便于同一车身数次测量结果以及不同车型测量结果之间对比。

发明内容

本发明解决现有基于CAE的车身刚度分析方法成本高、处理结果兼容性差、不便于 同一车身数次测量结果以及不同车型测量结果之间对比的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：

一种基于CAE的车身刚度分析方法，用于分析车身的弯曲刚度和扭转刚度，包括：

步骤101：建立车身有限元网格模型，建立三维坐标系，使得三维坐标系的X轴平行 于车身有限元网格模型纵向延伸方向，Y轴平行于车身有限元网格模型横向延伸方向；

步骤102：从车身有限元网格模型中选取对称的两条网格线，每条网格线均从前纵梁 起，经过门槛后到达后纵梁，并且将所选取的两条网格线上的各个节点作为测试点；

步骤103：向车身有限元网格模型中的各个座椅安装点施加加载，同时向车身有限元 网格模型中的四个减震器安装点施加自由度约束，然后记录各个测试点的X坐标和Z轴 方向位移作为第一处理结果；

步骤104：向车身有限元网格模型中的两个前减震器安装点施加扭矩，同时向车身有 限元网格模型中的前横梁上Y坐标为零节点、两个后减震器安装点施加自由度约束，然 后记录各个测试点的X坐标、Y坐标l_y、Z轴方向位移d_z和扭转角度α作为第二处理结 果，其中，α＝tan^-1(d_z/l_y)；

步骤105：根据第一处理结果建立X坐标-Z轴方向位移曲线；根据第二处理结果建 立X坐标-扭转角度曲线；

步骤106：判断第一处理结果是否满足要求，判断第二处理结果是否满足要求；如果 均满足,则执行步骤107，否则输出X坐标-Z轴方向位移曲线和X坐标-扭转角度曲线， 以便进行问题的查找；

步骤107：保存第一处理结果和第二处理结果。

在优选的方案中，步骤105中建立X坐标-Z轴方向位移曲线具体包括：

进行一次归零操作，使得测试点i具有新位移值Z_ni，新位移值Z_ni、测试点i归零 前Z轴方向位移Z_i以及前减震器对应测试点的Z轴方向位移Z₀之间的关系为： Z_ni＝Z_i-Z₀，其中，前减震器对应测试点的X坐标与前减震器安装点的X坐标相同，处 于两条网格线中的一条网格线上；

然后，对所有测试点进行二次归零操作，使得测试点i的X坐标为P_mi，Z轴方向位 移为Z_mi，满足Z_mi＝Z_nicosα₁-P_xisinα₁和P_mi＝P_xicosα₁+Z_nisinα₁；其中α₁＝tan^-1(d_r/P_r)， d_r为后减震器对应测试点的Z轴方向位移，后减震器对应测试点的X坐标P_r与后减震器 安装点的X坐标相同，处于两条网格线中的一条网格线上，P_xi为测试点i在一次归零操 作前的X坐标；前减震器对应测试点和后减震器对应测试点在提同一条网格线上；

然后，根据二次归零操作的结果以X坐标和Z轴方向位移分别作为坐标轴，绘制X 坐标-Z轴方向位移曲线。

在优选的方案中，步骤106中判断第一处理结果是否满足要求具体包括：

根据二次归零操作的结果计算当前测试点i的弯曲刚度BS_i，然后判断当前弯曲刚度 BS_i是否满足容许弯曲刚度要求，其中，BS_i＝F/(f_i+f_j)，F为加载的大小，f_i为测试点 i的Z轴方向最大位移；f_j为与测试点i关于X轴对称的测试点j的Z轴方向最大位移。

在优选的方案中，步骤105中建立X坐标-扭转角度曲线具体包括：

对第二处理结果中的扭转角度进行归零处理，使得归零处理后的测试点i的扭转角 度α_mi为α_mi＝α_ni-α_r，其中，α_ni为归零处理前的扭转角度，α_r为后减震器对应测试点的 归零处理前的扭转角度，在第二处理结果中后减震器对应测试点的X坐标与后减震器安 装点的X坐标相同，并且处于两条网格线中的一条网格线上。

在优选的方案中，步骤106中第二处理结果是否满足要求具体包括：

根据扭转角度归零处理的结果计算当前测试点i的扭转刚度TS_i，然后判断当前扭转 刚度是否满足容许扭转刚度要求，其中，TS_i＝T/(α_i1+α_j2)，T为施加的扭矩大小，α_i1为测试点i的扭转角度，α_j2为与测试点i关于X轴对称的测试点j的扭转角度。

本发明提供了基于CAE的车身刚度分析方法，对车身有限元网格模型进行加载和约 束，分析节点的位移和扭转角度，而不必靠经验选取节点进行计算，结果更加精确；自 动获得分析结果，减轻了工程师的工作量，节约项目开发时间；可以对结果进行归零， 使结果规范化，结果兼容性强、便于同一车身数次测量结果以及不同车型测量结果之间 对比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附 图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。

图1为本发明实施例基于CAE的车身刚度分析方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1所示流程图，本实施例借助于MSC/NASTRAN软件和HyperWorks软件提供的 二次开发接口，基于TCL(工具命令语言)语言，提供一种基于CAE的车身刚度分析方法， 用于分析车身的弯曲刚度和扭转刚度，包括：

步骤101：建立车身有限元网格模型，建立三维坐标系，使得三维坐标系的X轴平行 于车身有限元网格模型纵向延伸方向，Y轴平行于车身有限元网格模型横向延伸方向；

步骤102：从车身有限元网格模型中选取对称的两条网格线，每条网格线均从前纵梁 起，经过门槛后到达后纵梁，并且将所选取的两条网格线上的各个节点作为测试点；两 条网格线上的节点关于X轴对称；

步骤103：向车身有限元网格模型中的各个座椅安装点施加加载，同时向车身有限元 网格模型中的四个减震器安装点施加自由度约束，然后记录各个测试点的X坐标和Z轴 方向位移作为第一处理结果；例如，每个座椅安装点均施加大小为1000N的加载；两个 前减震器安装点关于X轴对称，两个后减震器安装点关于X轴对称；

步骤104：向车身有限元网格模型中的两个前减震器安装点施加扭矩，同时向车身有 限元网格模型中的前横梁上Y坐标为零节点、两个后减震器安装点施加自由度约束，然 后记录各个测试点的X坐标、Y坐标l_y、Z轴方向位移d_z和扭转角度α作为第二处理结 果，其中，α＝tan^-1(d_z/l_y)；步骤103中的加载和约束独立于步骤104中的加载和约束， 互不影响；例如，向每个前减震器均施加大小为1500N/m的扭矩；

步骤105：根据第一处理结果建立X坐标-Z轴方向位移曲线；根据第二处理结果建 立X坐标-扭转角度曲线；即：以X坐标和Z轴方向位移作为坐标轴建立曲线，或以X坐 标和扭转角度作为坐标轴建立曲线；

步骤106：判断第一处理结果是否满足要求，判断第二处理结果是否满足要求；如果 均满足,则执行步骤107，否则输出X坐标-Z轴方向位移曲线和X坐标-扭转角度曲线， 以便进行问题的查找；即：判断Z轴方向位移和扭转角度α是否在规定的位移范围和扭 转角度范围内，或者如下文所述计算出弯曲刚度和扭转刚度后进行判断；

步骤107：保存第一处理结果和第二处理结果。

优选的，步骤105中建立X坐标-Z轴方向位移曲线具体包括：

进行一次归零操作，使得测试点i具有新位移值Z_ni，新位移值Z_ni、测试点i一次 归零操作前Z轴方向位移Z_i以及前减震器对应测试点的Z轴方向位移Z₀之间的关系为： Z_ni＝Z_i-Z₀，其中，前减震器对应测试点的X坐标与前减震器安装点的X坐标相同，处 于两条网格线中的一条网格线上；在上下文中，i、j为测试点编号，可以是自然数；与 前减震器安装点对应的测试点有两个，这里选择其中一个作为前减震器对应测试点进行 计算，同样从与后减震器安装点对应的测试点中选择一个作为后减震器对应测试点；一 次操作位平移操作；

然后，对所有测试点进行二次归零操作，使得测试点i的X坐标为P_mi，Z轴方向位 移为Z_mi，满足Z_mi＝Z_nicosα₁-P_xisinα₁和P_mi＝P_xicosα₁+Z_nisinα₁；其中α₁＝tan^-1(d_r/P_r)， d_r为后减震器对应测试点的Z轴方向位移，后减震器对应测试点的X坐标P_r与后减震器 安装点的X坐标相同，处于两条网格线中的一条网格线上，P_xi为测试点i在一次归零操 作前的X坐标；前减震器对应测试点和后减震器对应测试点在提同一条网格线上；二次 操归零操作位旋转操作；

然后，根据二次归零操作的结果以X坐标和Z轴方向位移分别作为坐标轴，绘制X 坐标-Z轴方向位移曲线。

优选的，步骤106中判断第一处理结果是否满足要求具体包括：

根据二次归零操作的结果计算当前测试点i的弯曲刚度BS_i，然后判断当前弯曲刚度 BS_i是否满足容许弯曲刚度要求，其中，BS_i＝F/(f_i+f_j)，F为加载的大小，f_i为测试点 i的Z轴方向最大位移；f_j为与测试点i关于X轴对称的测试点j的Z轴方向最大位移。

优选的，步骤105中建立X坐标-扭转角度曲线具体包括：

对第二处理结果中的扭转角度进行归零处理，使得归零处理后的测试点i的扭转角 度α_mi为α_mi＝α_ni-α_r，其中，α_ni为归零处理前的扭转角度，α_r为后减震器对应测试点的 归零处理前的扭转角度，在第二处理结果中后减震器对应测试点的X坐标与后减震器安 装点的X坐标相同，并且处于两条网格线中的一条网格线上。

优选的，步骤106中第二处理结果是否满足要求具体包括：

根据扭转角度归零处理的结果计算当前测试点i的扭转刚度TS_i，然后判断当前扭转 刚度是否满足容许扭转刚度要求，其中，TS_i＝T/(α_i1+α_j2)，T为施加的扭矩大小，α_i1为 测试点i的扭转角度，α_j2为与测试点i关于X轴对称的测试点j的扭转角度。

综上所述，本发明可高效便捷地实现车身弯曲刚度、扭转刚度的自动分析，缩短了 项目开发周期，为项目初期评价车身刚度性能提供了重要的依据，杜绝了由于车身刚度 不足，引起的门框、窗框、发动机罩口和行李箱开口等变形大，导致车门卡死、玻璃破 碎、密封不严的现象。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应 涵盖在本发明的保护范围之内。