基于概念設(shè)計(jì)的車(chē)身接頭等效簡(jiǎn)化方法

楊萬(wàn)慶 趙永宏 陳東 耿富榮 汪芳勝

摘 要：為了在概念設(shè)計(jì)階段構(gòu)建更為精準(zhǔn)有效的車(chē)身框架模型，文章提出一種以梁、剛性單元和扭轉(zhuǎn)彈簧組合的車(chē)身接頭等效簡(jiǎn)化方法，并提出了一種計(jì)算接頭剛度的新方法。并驗(yàn)證了該方法的正確性。使用該方法簡(jiǎn)化的車(chē)身接頭，車(chē)身框架的靜態(tài)剛度偏差在2%左右。這種車(chē)身接頭的等效簡(jiǎn)化方法，具有計(jì)算效率高、等效精度高以及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地運(yùn)用到車(chē)身前期概念設(shè)計(jì)工作中。

關(guān)鍵詞：車(chē)身設(shè)計(jì);框架車(chē)身;簡(jiǎn)化接頭;等效簡(jiǎn)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-56-04

Abstract： In order to build more accurate and effective body frame model in concept design phase， a body joint equivalent simplification method is proposed in this paper which include beam， RBE2 and spring mesh elements. This paper presents a relevant method to compute the joint properties， and verify the correctness of the proposed method. The static stiffness deviation of the simply joint body is about 2%. It can be applied to the conceptual design of the car body in the early stage.

Keywords： Body design; Frame body; Simply joint; Equivalent simplification

CLC NO.： U463.8? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-56-04

前言

白車(chē)身結(jié)構(gòu)總成是由承載構(gòu)件、接頭和板殼連接組成。構(gòu)件的截面特性、接頭的剛度和板殼的形狀、板厚都影響車(chē)身的剛度，而接頭在很大程度上決定整個(gè)車(chē)身的剛度和振動(dòng)模態(tài)，因而影響車(chē)身的振動(dòng)、噪聲性能和耐久性[1]。研究車(chē)身接頭部位對(duì)白車(chē)身剛度的影響，對(duì)于改進(jìn)車(chē)身結(jié)構(gòu)，改善車(chē)輛的強(qiáng)度剛度狀況，提高車(chē)輛的安全性和可靠性具有十分重要的實(shí)際意義[2]。車(chē)身接頭由梁與梁之間的連接形成，研究發(fā)現(xiàn)，將接頭視為剛性的計(jì)算結(jié)果會(huì)使整車(chē)剛度提高50%—70%[3]，所以在計(jì)算時(shí)必須考慮接頭的柔性，以保證計(jì)算結(jié)果能正確反映實(shí)際的力學(xué)性能。

為了建立更為準(zhǔn)確的接頭計(jì)算模型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在接頭結(jié)構(gòu)的等效簡(jiǎn)化方面開(kāi)展了許多研究工作。目前，接頭結(jié)構(gòu)的等效簡(jiǎn)化可劃分為兩條技術(shù)路線：一條是超單元縮減矩陣簡(jiǎn)化，即根據(jù)接頭詳細(xì)模型，利用Guyan縮減法消去從自由度得到含有主自由度信息的超單元縮減矩陣;另一條技術(shù)路線是等效模型簡(jiǎn)化，即采用梁?jiǎn)卧?、剛性單元RBE2、彈簧等組合形式，模擬接頭的剛度性能建立等效簡(jiǎn)化模型。

Chon利用扭簧模擬接頭，并指出在一些極端情況下，可忽略某些參數(shù)，將接頭視為剛性連接[4]。Nikolaidis等在接頭等效簡(jiǎn)化模型方面做了一系列的工作[5-9]，在[5]中建立了兩種面向設(shè)計(jì)的三維模型，兩個(gè)模型均由扭簧組成，區(qū)別在于角位移是否耦合，作者還提出了一種基于結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)推測(cè)模型參數(shù)的方法，并將這種方法應(yīng)用到一個(gè)簡(jiǎn)單的立方體框架和車(chē)身中，比較了兩種模型預(yù)測(cè)靜態(tài)響應(yīng)的能力。在[6]中提出了一種識(shí)別車(chē)輛柔性接頭的方法。該方法通過(guò)測(cè)量整體結(jié)構(gòu)的位移，確定接頭模型中最重要的參數(shù)，并估計(jì)這個(gè)參數(shù)的值。這種方法可以用于開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的、面向設(shè)計(jì)的初步接頭模型，作者在文中驗(yàn)證了該方法的可行性。在[7][8]中作者建立了一種簡(jiǎn)單、面向設(shè)計(jì)的車(chē)輛接頭模型，該模型考慮了接頭的柔度、接頭幾何中心到接頭分支旋轉(zhuǎn)中心的偏移量，前者還研究了車(chē)輛結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)對(duì)接頭模型參數(shù)的敏感性，以此確定最重要的參數(shù)。后者還介紹了一種識(shí)別重要參數(shù)的統(tǒng)計(jì)工具，并將其應(yīng)用于B柱接頭參數(shù)的估計(jì)。在[9]中作者研究了接頭分支長(zhǎng)度對(duì)接頭性能的影響，并將該方法應(yīng)用到了由簡(jiǎn)單箱梁構(gòu)成的T型接頭和真實(shí)的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)接頭中。

國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)接頭模型也開(kāi)展了許多研究。黃金陵等在文中提出了“接頭單元”的概念，以車(chē)身A柱上接頭為例，計(jì)算了接頭柔度，分析了接頭柔度對(duì)整車(chē)剛度的影響[10]。鞠偉建立了汽車(chē)B柱下接頭的彈簧—?jiǎng)偭汉?jiǎn)化模型，驗(yàn)證了該模型的有效性，并實(shí)現(xiàn)了接頭簡(jiǎn)化模型建立的流程自動(dòng)化[11]。遲瑞豐等利用扭轉(zhuǎn)彈簧單元和剛性連接單元模擬車(chē)身的接頭，計(jì)算了不同接頭對(duì)彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的影響[12]。

以上專(zhuān)家學(xué)者對(duì)接頭的研究采取了多種方法，取得了很好的效果，但是這些方法計(jì)算復(fù)雜，尤其是在有限元仿真計(jì)算中，沒(méi)有相應(yīng)的單元類(lèi)型模擬接頭，工程應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)，尤其在車(chē)身概念設(shè)計(jì)中，詳細(xì)接頭很難分析接頭的受力特征，用簡(jiǎn)化的接頭形式，在車(chē)身框架的設(shè)計(jì)中有重要的意義。

鑒于此種原因，本文提出一種以梁、剛性單元RBE2和彈簧組合為等效模型的車(chē)身接頭等效簡(jiǎn)化方法，建立了通用的車(chē)身接頭剛度計(jì)算方法，并用一個(gè)車(chē)身實(shí)例驗(yàn)證了該方法的正確性。

1 接頭定義

車(chē)身接頭是梁與梁之間的連接結(jié)構(gòu)，轎車(chē)主要接頭分布于側(cè)圍區(qū)域，如圖1三廂將車(chē)所示。并將接頭依次命名為JA、JB、JC、JD、JE、JF、JH.接頭的數(shù)量根據(jù)車(chē)型而定。

根據(jù)接頭端點(diǎn)的數(shù)量和形狀，車(chē)身結(jié)構(gòu)典型接頭主要分為L(zhǎng)型和T型。為便于區(qū)分接頭各分支，將接頭的分支劃分為主梁和支梁，在車(chē)身系統(tǒng)坐標(biāo)中，沿車(chē)身縱向的梁為主梁，其余方向的梁為支梁。在車(chē)身上截取接頭時(shí)，應(yīng)根據(jù)接頭的類(lèi)型，在接頭過(guò)渡圓弧切點(diǎn)外的直邊區(qū)域進(jìn)行截?cái)啵捎诮宇^分支長(zhǎng)度、各分支之間的圓弧過(guò)渡區(qū)域?qū)宇^剛度的影響不容忽略，為保證接頭模型的準(zhǔn)確性，可根據(jù)以下推薦尺寸確定主、支梁的直邊尺寸，L型接頭主、支梁提取的直邊推薦尺寸均為30mm;T型接頭主梁提取的直邊推薦尺寸為30mm，支梁則為50mm。如圖2所示。

（a）L型接頭??????????? （b）T型接頭

2 接頭等效簡(jiǎn)化方法

2.1 接頭簡(jiǎn)化方法

車(chē)身的接頭是薄殼梁連接構(gòu)成的，接頭的簡(jiǎn)化是將復(fù)雜的薄殼梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成一維梁?jiǎn)卧蛷椈蓡卧Ｐ停阌诮宇^的受力分析和剛度優(yōu)化。接頭的簡(jiǎn)化工作主要分為梁?jiǎn)卧暮?jiǎn)化和接頭的連接。

梁?jiǎn)卧暮?jiǎn)化是將薄殼構(gòu)成的接頭模型劃分成主、支梁區(qū)域，各區(qū)域按照截取母線簡(jiǎn)化成一維梁?jiǎn)卧?，T型接頭主梁截取成兩段，支梁截取成一段，L型接頭主梁和支梁都截取成一段，如圖3所示。

接頭簡(jiǎn)化得到的梁?jiǎn)卧?，端點(diǎn)P1、P2、P3的坐標(biāo)應(yīng)與殼單元模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)保持一致。根據(jù)梁截面定義梁?jiǎn)卧膸缀螀?shù)，圖4為L(zhǎng)接頭主梁截面，根據(jù)截面尺寸計(jì)算其截面面積A，慣性矩Ix、Iy和扭轉(zhuǎn)常數(shù)J，作為梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算參數(shù)。

接頭的連接主要用剛性單元RBE2和彈簧單元。接頭的平動(dòng)自由度1，2，3用剛性單元 RBE2連接，轉(zhuǎn)動(dòng)自由度4、5、6用三個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧單元連接。見(jiàn)圖5。

2.2 接頭剛度等效計(jì)算

等效簡(jiǎn)化接頭模型的主梁、支梁的剛度由梁截面和長(zhǎng)度定義，連接兩個(gè)梁的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度決定接頭的剛度，所以簡(jiǎn)化接頭的剛度計(jì)算就是求解接頭中連接彈簧的剛度。等效簡(jiǎn)化接頭模型可視為在剛性模型的基礎(chǔ)上串聯(lián)扭轉(zhuǎn)彈簧，如圖6所示。

簡(jiǎn)化接頭模型??????? ?剛性連接模型?????????? 彈簧連接模型

令剛性連接模型剛度為Kr，等效簡(jiǎn)化模型剛度為Kj，連接彈簧的剛度為KS，根據(jù)彈簧的串聯(lián)公式可得簡(jiǎn)化接頭剛度為：

要保證簡(jiǎn)化接頭模型剛度Kj與原薄殼單元模型剛度K0相等，有：

從而可求解得彈簧的剛度為：

將彈簧剛度Ks代入公式（1）即可計(jì)算的簡(jiǎn)化接頭的剛度。

2.3 簡(jiǎn)化接頭剛度計(jì)算實(shí)例

下面以三廂將車(chē)白車(chē)身為例，驗(yàn)證車(chē)身接頭簡(jiǎn)化計(jì)算方法和模型精度?，F(xiàn)以車(chē)身A柱下接頭JF為例說(shuō)明簡(jiǎn)化接頭剛度計(jì)算過(guò)程，計(jì)算模型包括殼單元接頭模型，剛性連接簡(jiǎn)化模型和彈簧連接簡(jiǎn)化模型。加載方式見(jiàn)圖7，在主梁節(jié)點(diǎn)P2點(diǎn)約束，在支梁節(jié)點(diǎn)P1點(diǎn)施加彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。計(jì)算布置如下：

1）殼單元模型???? 2）剛性連接模型???? 3）彈簧連接模型

（1）計(jì)算殼單元模型剛度K0。約束主梁節(jié)點(diǎn)P2點(diǎn)，在支梁節(jié)點(diǎn)P1點(diǎn)加載X向彎矩Mx=10000 N?mm，求得轉(zhuǎn)動(dòng)剛度K0= 401083245.63 N?mm/rad;

（2）計(jì)算剛性連接模型剛度Kr。約束P2點(diǎn)，在P1點(diǎn)加載X軸向的轉(zhuǎn)矩Mx=10000 N?mm，求得轉(zhuǎn)動(dòng)剛度Kr= 828820406.22 N?mm/rad;

（3）計(jì)算連接扭轉(zhuǎn)彈簧剛度Ks。根據(jù)公式（4）可求得這一方向上的連接扭轉(zhuǎn)彈簧剛度Ks為：

（4）同理可以可分別求出其他接頭扭轉(zhuǎn)彈簧剛度，見(jiàn)表1。

a.詳細(xì)接頭車(chē)身框架?????????? b.簡(jiǎn)化接頭車(chē)身框架

將簡(jiǎn)化接頭模型替換詳細(xì)接頭，計(jì)算車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，計(jì)算結(jié)果如表2所示，車(chē)身框架扭轉(zhuǎn)剛度降低-2.38%，彎曲剛度降低-1.89%，這是因?yàn)楹?jiǎn)化接頭彈簧剛度與梁的連接減弱所致，也有一些操作的誤差。雖然接頭簡(jiǎn)化后車(chē)身靜態(tài)剛度稍微降低一些，但是偏差在2%左右。完全滿足概念設(shè)計(jì)車(chē)身框架設(shè)計(jì)精度要求。

3 結(jié)論

為了建立穩(wěn)定可靠、滿足較高精度要求的接頭等效簡(jiǎn)化模型以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的參數(shù)化框架車(chē)身概念模型，本文基于對(duì)多款車(chē)型車(chē)身接頭結(jié)構(gòu)的等效方法和模擬精度的研究，提出了一種車(chē)身接頭等效簡(jiǎn)化方法，為車(chē)身接頭的設(shè)計(jì)與理論分析提供新的實(shí)用方法。

本文提出的車(chē)身接頭等效簡(jiǎn)化方法具有以下特點(diǎn)：

（1）可提高計(jì)算車(chē)身的力學(xué)特性的計(jì)算效率，同時(shí)，接頭等效簡(jiǎn)化模型在主自由度方向上具有與殼單元模型相同的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，極大程度地提高了接頭的等效精度;

（2）操作簡(jiǎn)單，只需提取少量參數(shù)便可得到參數(shù)化接頭模型，將各個(gè)接頭等效后更利于車(chē)身模型的參數(shù)化處理;

（3）利用這種等效簡(jiǎn)化方法獲得的接頭等效模型的結(jié)構(gòu)與殼單元模型較為一致，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值對(duì)等效簡(jiǎn)化模型的一維梁?jiǎn)卧蛷椈蓜偠戎颠M(jìn)行優(yōu)化，便可得到接頭分支的界面特性和連接強(qiáng)度等，從而可指導(dǎo)接頭的設(shè)計(jì)工作。

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