某轿车白车身的有限元仿真分析及结构优化研究

论文摘要

随着数值分析理论和计算机技术的飞速发展,CAE分析技术,其中以有限元分析技术为代表,几乎贯穿于汽车设计的全过程,在现代汽车产品设计中发挥着越来越重要的作用。现代轿车的车身普遍采用承载式结构,这种车身整体能够承受来自整车其它总成的载荷,充分满足了结构轻量化和节能的要求,难点是车身的静态力学性能与动态力学性能都需要满足较高的要求。现代车身设计中广泛的运用有限元方法对车身结构力学的性能进行理论分析,在此领域,国内外的研究人员的研究工作已经取得了相当大的成果。本文在充分调研国内外的有关研究成果的基础上,基于本公司的一个整车开发项目,建立了该车的白车身有限元模型,并且进行了静态刚度和自由模态分析。同时,测试了实际样车的静态刚度,进行了模态试验。对理论计算和试验得出的结果进行了详细的对比分析,得出白车身的结构力学特性,因此验证了有限元模型的可信度。在此基础上,指出了该白车身结构的静态和动态力学性能上的不足之处,作为后期优化设计的着眼点。本文探讨的另一个方面是结构优化设计。本文通过借鉴相关研究成果,利用基于灵敏度分析方法,辨识出白车身需要加强的部位。在兼顾考虑车身性能、整车重量和生产成本等要素的前提下,对白车身结构进行优化与改进,很好地满足了设计要求,为白车身研发过程中的灵敏度分析和结构优化提供了经验。全文共分六章:第一章首先介绍本文研究的背景和意义,然后介绍了国内外轿车车身模态和刚度研究的发展现状,最后阐述本论文的主要研究内容。第二章介绍了有限元分析的发展现状、分析的基本方法和基本流程。对W121白车身进行网格划分,建立了W121白车身的有限元模型,为后续的刚度分析、模态分析和车身结构优化奠定了基础。第三章通过有限元法对W121白车身刚度进行了计算,结果表明W121白车身刚度满足设计要求。通过W121白车身刚度试验验证了有限元计算结果和有限元模型的正确性,为后期的车身结构优化工作铺平了道路。第四章对W121车型的白车身采用有限元法对其进行固有振动模态分析,通过观察识别出结构的整体模态。通过试验得出的模态结果与有限元模型的模态结果(在前11阶模态)除了第9阶模态频率相差5.9%以外,其余模态频率相差在3.2%以内,验证了建立的有限元模型的正确性。同时发现了W121车身的试验结果中一扭模态频率为30.654Hz,频率相对较低,不够理想,需要对车身结构进行优化,以提高车身的一扭模态频率。第五章利用灵敏度分析方法辨识出W121车型中白车身需要加强的部位。在兼顾考虑车身性能、整车重量和生产成本等要素的前提下对白车身结构进行优化与改进,以增加白车身重量0.8kg的代价,将白车身的第一阶扭转模态频率提高了约2.84Hz,很好地满足了设计目标要求。第六章是全文的总结与展望,主要阐述了本文的研究工作、得出的结论和今后继续研究的内容和方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究的背景及意义
• 1.1.1 本文研究的背景
• 1.1.2 本文研究的意义
• 1.2 国内外汽车白车身刚度和模态分析的研究概况
• 1.2.1 国内外汽车白车身刚度分析的研究概况
• 1.2.2 国内外汽车白车身模态分析的研究概况
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 轿车车身有限元模型的建立
• 2.1 有限元分析概述
• 2.1.1 有限元分析方法的发展与现状
• 2.1.2 有限元分析方法的基本思想
• 2.1.3 有限元分析的基本流程
• 2.2 相关软件介绍
• 2.2.1 CATIA 的介绍
• 2.2.2 Altair HyperMesh 介绍
• 2.2.3 OptiStruct 介绍
• 2.3 W121 白车身结构的有限元模型建立
• 2.3.1 W121 白车身结构的简化
• 2.3.2 网格的划分
• 2.3.3 网格质量的控制
• 2.3.4 构建连接关系
• 2.4 本章小结
• 第3章 白车身刚度仿真计算和试验
• 3.1 W121 白车身扭转刚度计算
• 3.1.1 整体扭转刚度
• 3.1.2 白车身底板纵向相对扭转角分布
• 3.1.3 主要开口尺寸变形情况
• 3.1.4 扭转工况变形与应力云图
• 3.2 弯曲刚度计算
• 3.2.1 白车身底板纵向垂直挠度分布
• 3.2.2 开口尺寸变形情况
• 3.2.3 弯曲工况变形与应力分布云图
• 3.3 刚度试验
• 3.3.1 弯曲刚度试验
• 3.3.2 扭转刚度试验
• 3.4 计算与试验结果对比
• 3.5 本章小结
• 第4章 白车身模态仿真计算和试验
• 4.1 W121 白车身有限元模态计算
• 4.2 W121 白车身模态试验
• 4.3 本章小结
• 第5章 结构优化研究
• 5.1 优化设计简介
• 5.1.1 灵敏度分析的意义
• 5.1.2 灵敏度计算基础理论
• 5.2 W121 白车身结构优化
• 5.2.1 白车身模态应变能分布计算
• 5.2.2 W121 灵敏度计算结果与分析
• 5.2.3 W121 结构优化
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢