译文-汽车设计概念阶段白车身接头与梁式结构优化的简化模型

译文-汽车设计概念阶段白车身接头与梁式结构优化的简化模型

号：

毕业设计(论文)外文翻译

（译文）

题目：新型微型拖拉机外观

及主要部件结构设计

院（系）：机电工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：副教授

题目类型：☐理论研究☐实验研究☑工程设计☐工程技术研究

☐软件开发

2010年5月23日

汽车设计概念阶段白车身接头与梁式结构优化的简化模型

摘要

本文提出了一种替代汽车模型构造中的梁式结构与节点的工程方法。其最终目的是为设计人员在创建一个汽车零部件概念模型提供一种有效方法。在汽车设计的早期，利用NVH优化方法对白车身进行优化设计。所提出的方法是基于简化梁与节点建模方法，其中涉及到梁构件截面几何分析和接点的静态分析。第一个分析旨在确定梁中心节点和计算的等效梁属性。第二个分析目的在于通过静压下的复杂有限单元模型，建立由有三个或以上的梁构件通过的接点的简化模型。

为了验证所提出的方法，列举由简化模型取代梁式结构和汽车车身上部区域的接头的工业研究个案，两种静态载荷分别作用于原始模型和简化模型上并比较了两种模型的全车扭矩刚度和弯矩刚度，所采用的比较方法与OEM公司使用的标准是相同的。也对两种模型的全局频率与模态震型方面做了动态性能分析比较。

在高度竞争的市场中，设计工程师面临着的挑战就是遵从复杂且有可能相互矛盾的设计标准开发新产品。在汽车产业领域，为完善汽车的各项功能性，如安全，降低噪音和振动，注重环保等任务，使越来越多的困难，由推出新产品或更新现有模式。为了使复杂的设计标准与降低上市时间相适应，就需要将计算机辅助工程（CAE）设计方法用于汽车设计的早期阶段。

近来，为了使汽车设计人员在汽车功能已经确定、但详细的几何数据还不明确的概念阶段利用CAE进行设计，研究人员花费了不少精力。其目的是要改善初始CAD设计，从而缩短了设计周期。

在NVH和碰撞安全性的预测领域，研究人员已经提出很多概念建模方法。它们可以分为三类：基于前任有限元模型方法，零开始方法，并行计算机辅助方法。

我们提出的方法属于第一类，其中涉及网格变形和概念改性的方法，被用来设计一个现有车型的变量或增量改进。利用前任有限元模型，完成CAE早期预测，可以找出CAD设计所存在的问题并提出可能的对策。

如果一个新的概念车已经被设计好，但前任有限元模型又不可用，可以利用“零开始方法。两种方法有明显的区分。第一类是拓扑优化设计，主要用于减少初始可接纳设计模型的材料从而降低结构重量，但又不影响功能要求。拓扑优化设计通常是优化模型的形状和尺寸。“零开始方法”属于“功能布局设计”，目的在于建立由梁、接点、板构成的简单概念模型，它表示功能布局以及功能预测。

CAD 与CAE并行设计方法，也可在设计过程的早期阶段。CAD 与CAE并行设计方法可以在组件级CAD模型已经建立但车辆级模型还不确定阶段提供模拟结果。

在基于前任有限元建模方法中，最近Donders.等人提出“减少梁和节点建模”的方法。以改善车身的NVH基本情况。所提出的方法建立了一个在梁的中心节点减少模态

模型，模型中可以添加梁构件和连结点，从而可以完成概念车身修改与动态降噪减振性能的准确预测。商业软件包LMS虚拟实验室，有“减少梁和节点建模”的方法友好界面。设计工程师可以定义一个梁和节点布局，计算车身减少梁和节点模态，完成车身梁构件和节点的调整和优化设计。

文中，“简化梁和节点建模”的方法目的在于替代前任有限元方法。在确定作为横截面的几何中心点的梁中心点后，利用几何分析方法可以计算等效梁特性和减少梁构件。几何方法计算薄壁梁的刚度参数，手段，必须考虑薄壁梁的局部变化和不连续性（孔，焊接，加强筋）需要。为此，可以用更新过程迭代模型方法，估算每一个梁部件的修正因子。在下一步的工作，可以通过一个静态减少详细有限元模型而获得节点。

为了验证所提出的方法，列举了一案例，车身上部的梁与节点用一简单模型替代。案例中通过对在车身的原始模型和简化模型的完全有限元和在扭力与弯曲作用力下的静态刚度评估，完成了静态比较。通过全局频率与模型震动比较，完成两模型的动态比较分析。

Donders.等人提出“简化梁和节点建模”的方法，目的在于有效地修改车身的梁与节点。其基本思想是找出所谓的梁的中心点，并在中心点上创建一个简化模型。随后通过简化梁与节点减轻结构的质量。本文简化梁与节点模型完全取代原始有限元模型，这样，车身的优化在概念设计就可以完成，同时可以得到一个详细的车身结构。

在本节中，概述了估算简化梁与节点模型的质量和刚度性能过程

梁类构件，具有其纵向尺寸远远超过了横向尺的特点，是在车身的主要结构因素。是车身的固有频率重要影响因素。

在车辆的有限元模型，梁状成员通常是薄壁结构，由壳单元组成。

为了用简化梁取代梁的细格单元，要详细考虑众多的梁截面和并计算每根梁的等效梁属性。为此目的要实施下面的过程：

（1）在梁部件的交叉平面上选择一切点。

（2）在轴坐标系统中定义梁的近似方向和交叉面

（3）以找到在原截面梁中心节点的几何中心，对主梁上的沿平面交叉口的壳元素进行切割和分析

（4）在这里，X表示梁方向，y–z平面是平面交叉，如图1所示。对于任意截面属性的计算，可实现通过计算所属的横截面每个网格单元的等效梁属性，根据区域主轴(xi, yi, zi).。然后，从区域轴体系，转化到交叉平面（x，y，z）。最后，对所有壳单元综合计算以找到该截面的全局属性。

梁中心节点通过插值关系连接周边网格中。这些关系由每个梁中心节点和特定节点组确定。

通常情况下，为了计算主梁部件的等效梁属性，需要确定一系列的交叉平面。整个梁部件可以用一系列的从有限元库里面提取的线性梁部件表示。图二所示的原始车身有