汽 车 车身设计第八章 汽车车身结构的有限元计算方法
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1)如图8-15b所示，由自由扭转力矩Mk引起的切应力τk为 2) 如图8-15c所示，由剪力FQ引起的是附加应力τw，也称扇性切应 力。
3)图8-15d所示为由弯矩Mw引起的正应力σw。
2. 开口截面薄壁杆件约束扭转时杆件上的内 力与应力状态
图8-15 开口截面薄壁杆件扭转时杆件上的内力与应力
3. 弯曲扭转双力矩和弯曲扭矩
3. 弯曲扭转双力矩和弯曲扭矩
图8-16 翼板中心的微小平面
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
图8-17 薄壁空间梁单元
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
图8-18 x
≠0、θ ′ =0
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
2.TIF
(3)开口薄壁梁翘曲约束扭转计算
图8-19 受扭开口薄壁构件
(3)开口薄壁梁翘曲约束扭转计算
图8-20 复杂截面的简化
(4)截面的几何特性参数计算
(4)截面的几何特性参数计算
第二节 车身结构分析和模型建立
图8-8 蒙皮与骨架的连接方式
第二节 车身结构分析和模型建立
图8-9 客车车身有限元计算模型
第二节 车身结构分析和模型建立
图8-10 边梁式车架的有限元计算模型
第三节 单元刚度矩阵的建立
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵 二、空间刚架的单元刚度矩阵 三、开口薄壁空间梁单元约束扭转的刚度矩阵
(4)截面的几何特性参数计算
图8-21 折线的计算简图
(4)截面的几何特性参数计算
图8-22 计算简图
(5)汽车车架的单元刚度矩阵
图8-23 空间梁单元
(5)汽车车架的单元刚度矩阵
B.TIF
第四节 坐标变换
在用有限元方法解弹性结构的问题时，经常 出现单元的局部坐标系Oxyz和整体坐标系Ox y z不一致。为了使以单元为基础进行计算的 位移和力能统一到整个结构系统上去，必须 把用单元的局部坐标系Oxyz定义的位移和力 转换成用整个结构系统的整体坐标系Ox y z来 定义的位移和力，这就是坐标变换的任务。
(1)约束扭转微分方程 (2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵 (3)开口薄壁梁翘曲约束扭转计算 (4)截面的几何特性参数计算 计算单元刚度矩阵时，经常使用的 截面几何特性参数有Jy、Jz(弯曲惯性矩)；J(或J′，极惯性矩)；F (截面面积)；Jw(扇性惯性矩)等。 (5)汽车车架的单元刚度矩阵 一般情况下可将车架视为同一平面 上杆系的组合体，并认为每一杆单元中截面几何参数不变。
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
图8-11 平面刚架单元
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
二、空间刚架的单元刚度矩阵
二、空间刚架的单元刚度矩阵
图8-12 梁单元
二、空间刚架的单元刚度矩阵
a.TIF
三、开口薄壁空间梁单元约束扭转的刚度矩 阵
第八章 汽车车身结构的有限元计算方法
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
车身所受载荷 车身结构分析和模型建立 单元刚度矩阵的建立 坐标变换 结构的整体分析和整体刚度矩阵 内力与应力计算
第一节 车身所受载荷
一、静载荷 二、动载荷
一、静载荷
静载荷包括悬架上的空车载荷Gn和车身的有效 载荷Ge。Gn=mng，mn是指由悬架的弹性元件所 承受的那些部件，如车身、车架及固定在车身或 车架上的所有总成和设备的质量。Ge＝meg，对 于客车，me是指乘客及行李的质量；对于货车， 是指货物和乘员的质量。
1. 非圆截面薄壁杆件的扭转特点 2. 开口截面薄壁杆件约束扭转时杆件上的内力与应力状态 3. 弯曲扭转双力矩和弯曲扭矩
1. 非圆截面薄壁杆件的扭转特点
图8-13 薄壁杆件的约束扭转
1. 非圆截面薄壁杆件的扭转特点
图8-14 非圆截面杆件受扭状况
2. 开口截面薄壁杆件约束扭转时杆件上的内 力与应力状态
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
图8-24 线段ij的方向余弦
第四节 坐标变换
图8-25 局部坐标系与整体坐标系
第四节 坐标变换
图8-26 坐标间的相互转换
第四节 坐标变换
8-27.TIF
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
图8-28 x轴与z轴平行时的坐标变换
4. 侧向动载荷
5. 局部的集中载荷
在车身上还作用有由于各总成和部件工作时所产 生的附加载荷(如发动机、传动系的反转矩，转 向器及减振器传来的力等)以及由于集中载荷作 用线不通过杆件的弯曲中心(如悬架或车身附件 的载荷)而使结构产生的局部扭转。
6. 安全系数n
安全系数的选取应该使车身结构在上述组合载荷 作用下不产生永久变形或损坏。车身结构的许用 应力应以材料的屈服点σs为依据，一般取n=1.4~ 1.6。在靠近悬架装置点和发动机变速器安装点 等载荷集中区域，n=1.5~2.0。
图8-4 单个轮胎遇到高度为h的凸起
2. 斜对称垂直动载荷
表8-1 各类汽车所能克服的道路不平度的最大高度
2. 斜对称垂直动载荷
3. 纵向动载荷
3. 纵向动载荷
图8-5 由于汽车制动引起的载荷
3. 纵向动载荷
图8-6 车轮遇到障碍物时所受的力
3. 纵向动载荷
图8-7 汽车转弯时产生的侧向力
二、动载荷
1. 对称垂直动载荷 2. 斜对称垂直动载荷 3. 纵向动载荷 4. 侧向动载荷 5. 局部的集中载荷 6. 安全系数n
二、动载荷
二、动载荷
图8-1 作用在车身上的力和力矩
二、动载荷
1. 对称垂直动载荷
图8-2 对称垂直载荷
2. 斜对称垂直动载荷
图8-3 斜对称垂直动载荷2. ຫໍສະໝຸດ 对称垂直动载荷第四节 坐标变换
图8-29 平面变换情况
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第五节 结构的整体分析和整体刚度矩阵
一、结构的整体平衡方程式 二、整体刚度矩阵在程序设计中的形成 三、整体刚度矩阵的特点 四、按边界条件修改整体平衡方程式 五、非节点载荷(或称中间载荷)的移置
一、结构的整体平衡方程式
3)图8-15d所示为由弯矩Mw引起的正应力σw。
2. 开口截面薄壁杆件约束扭转时杆件上的内 力与应力状态
图8-15 开口截面薄壁杆件扭转时杆件上的内力与应力
3. 弯曲扭转双力矩和弯曲扭矩
3. 弯曲扭转双力矩和弯曲扭矩
图8-16 翼板中心的微小平面
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
图8-17 薄壁空间梁单元
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
图8-18 x
≠0、θ ′ =0
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
(2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵
2.TIF
(3)开口薄壁梁翘曲约束扭转计算
图8-19 受扭开口薄壁构件
(3)开口薄壁梁翘曲约束扭转计算
图8-20 复杂截面的简化
(4)截面的几何特性参数计算
(4)截面的几何特性参数计算
第二节 车身结构分析和模型建立
图8-8 蒙皮与骨架的连接方式
第二节 车身结构分析和模型建立
图8-9 客车车身有限元计算模型
第二节 车身结构分析和模型建立
图8-10 边梁式车架的有限元计算模型
第三节 单元刚度矩阵的建立
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵 二、空间刚架的单元刚度矩阵 三、开口薄壁空间梁单元约束扭转的刚度矩阵
(4)截面的几何特性参数计算
图8-21 折线的计算简图
(4)截面的几何特性参数计算
图8-22 计算简图
(5)汽车车架的单元刚度矩阵
图8-23 空间梁单元
(5)汽车车架的单元刚度矩阵
B.TIF
第四节 坐标变换
在用有限元方法解弹性结构的问题时，经常 出现单元的局部坐标系Oxyz和整体坐标系Ox y z不一致。为了使以单元为基础进行计算的 位移和力能统一到整个结构系统上去，必须 把用单元的局部坐标系Oxyz定义的位移和力 转换成用整个结构系统的整体坐标系Ox y z来 定义的位移和力，这就是坐标变换的任务。
(1)约束扭转微分方程 (2)开口薄壁梁单元约束扭转刚度矩阵 (3)开口薄壁梁翘曲约束扭转计算 (4)截面的几何特性参数计算 计算单元刚度矩阵时，经常使用的 截面几何特性参数有Jy、Jz(弯曲惯性矩)；J(或J′，极惯性矩)；F (截面面积)；Jw(扇性惯性矩)等。 (5)汽车车架的单元刚度矩阵 一般情况下可将车架视为同一平面 上杆系的组合体，并认为每一杆单元中截面几何参数不变。
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
图8-11 平面刚架单元
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
一、平面刚架单元的单元刚度矩阵
二、空间刚架的单元刚度矩阵
二、空间刚架的单元刚度矩阵
图8-12 梁单元
二、空间刚架的单元刚度矩阵
a.TIF
三、开口薄壁空间梁单元约束扭转的刚度矩 阵
第八章 汽车车身结构的有限元计算方法
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
车身所受载荷 车身结构分析和模型建立 单元刚度矩阵的建立 坐标变换 结构的整体分析和整体刚度矩阵 内力与应力计算
第一节 车身所受载荷
一、静载荷 二、动载荷
一、静载荷
静载荷包括悬架上的空车载荷Gn和车身的有效 载荷Ge。Gn=mng，mn是指由悬架的弹性元件所 承受的那些部件，如车身、车架及固定在车身或 车架上的所有总成和设备的质量。Ge＝meg，对 于客车，me是指乘客及行李的质量；对于货车， 是指货物和乘员的质量。
1. 非圆截面薄壁杆件的扭转特点 2. 开口截面薄壁杆件约束扭转时杆件上的内力与应力状态 3. 弯曲扭转双力矩和弯曲扭矩
1. 非圆截面薄壁杆件的扭转特点
图8-13 薄壁杆件的约束扭转
1. 非圆截面薄壁杆件的扭转特点
图8-14 非圆截面杆件受扭状况
2. 开口截面薄壁杆件约束扭转时杆件上的内 力与应力状态
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
图8-24 线段ij的方向余弦
第四节 坐标变换
图8-25 局部坐标系与整体坐标系
第四节 坐标变换
图8-26 坐标间的相互转换
第四节 坐标变换
8-27.TIF
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
图8-28 x轴与z轴平行时的坐标变换
4. 侧向动载荷
5. 局部的集中载荷
在车身上还作用有由于各总成和部件工作时所产 生的附加载荷(如发动机、传动系的反转矩，转 向器及减振器传来的力等)以及由于集中载荷作 用线不通过杆件的弯曲中心(如悬架或车身附件 的载荷)而使结构产生的局部扭转。
6. 安全系数n
安全系数的选取应该使车身结构在上述组合载荷 作用下不产生永久变形或损坏。车身结构的许用 应力应以材料的屈服点σs为依据，一般取n=1.4~ 1.6。在靠近悬架装置点和发动机变速器安装点 等载荷集中区域，n=1.5~2.0。
图8-4 单个轮胎遇到高度为h的凸起
2. 斜对称垂直动载荷
表8-1 各类汽车所能克服的道路不平度的最大高度
2. 斜对称垂直动载荷
3. 纵向动载荷
3. 纵向动载荷
图8-5 由于汽车制动引起的载荷
3. 纵向动载荷
图8-6 车轮遇到障碍物时所受的力
3. 纵向动载荷
图8-7 汽车转弯时产生的侧向力
二、动载荷
1. 对称垂直动载荷 2. 斜对称垂直动载荷 3. 纵向动载荷 4. 侧向动载荷 5. 局部的集中载荷 6. 安全系数n
二、动载荷
二、动载荷
图8-1 作用在车身上的力和力矩
二、动载荷
1. 对称垂直动载荷
图8-2 对称垂直载荷
2. 斜对称垂直动载荷
图8-3 斜对称垂直动载荷2. ຫໍສະໝຸດ 对称垂直动载荷第四节 坐标变换
图8-29 平面变换情况
第四节 坐标变换
第四节 坐标变换
第五节 结构的整体分析和整体刚度矩阵
一、结构的整体平衡方程式 二、整体刚度矩阵在程序设计中的形成 三、整体刚度矩阵的特点 四、按边界条件修改整体平衡方程式 五、非节点载荷(或称中间载荷)的移置
一、结构的整体平衡方程式