CN105844039A - 一种车身结构各局部刚度贡献度的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及车身结构设计领域，发明一种车身结构各局部刚度贡献度的评价方法。首先建立车身结构的整体仿真模型，并根据车身结构性能设计的需要，将车身结构整体分解成若干个局部模块。通过给各局部模块的刚度一个适当的改变量，考察整车结构的刚度变化，以获得各局部模块对整车刚度的贡献情况。通过分别计算并评价各局部模块对整车弯曲刚度及扭转刚度的贡献度，并建立对应的刚度贡献度矩阵。将该评价方法应用于车身结构的设计过程中，可以使设计人员有针对性地对各局部模块进行适当的优化调整，有效地将碳纤维、高强钢等新材料应用于车身结构的设计之中。

Description

一种车身结构各局部刚度贡献度的评价方法

技术领域

本发明涉及车身结构设计领域，发明一种车身结构各局部刚度贡献度的评价方法。

背景技术

近年来，随着国民经济的蓬勃发展，汽车已一跃成为当前极为重要的交通运输工具。在扩大汽车的服务领域和满足各方面多样化要求的前提下，作为汽车三大总成之一的车身已后来居上越来越处于主导地位。

随着车身新材料的应用以及模块化进程的发展，在进行车身结构的优化设计时，需要对车身各局部模块中的杆件规格与结构布置进行独立设计。考虑到车身是一个大型空间超静定结构，其各局部模块中的构件存在相互的耦合关系，因而在进行模块化设计时，面临的设计变量往往是多元而非单一的。

刚度作为评价车身承载性能的重要指标决定了车身结构的布置形式。然而在进行车身结构的优化设计时，现有的刚度评价方法只能考察整车结构的刚度值，无法对车身各局部模块的刚度进行评价。现有的灵敏度分析等仿真方法也只能考察某些构件中的某几个设计变量对整车刚度的影响，且操作流程复杂繁琐，无法快速有效地应用到车身结构的设计之中。因而设计人员由于缺少设计指导，只能依靠经验在整车结构中对各局部模块结构进行耦合迭代设计。这样的设计模式往往导致车身结构的设计周期过长，且某些局部模块的材料利用率过低，不利于提高车身的性能与轻量化程度。

发明内容

本发明针对现有车身结构设计方法中存在的不足，发明一种车身结构各局部刚度贡献度的评价方法。该方法通过对车身各分总成及局部模块的刚度贡献度进行评价，可以使设计人员有针对性地对各局部模块进行适当的优化调整，使车身结构整体性能的分配更加合理，达到减轻结构重量且改善车身结构性能的目标。

一种车身结构各局部刚度贡献度的评价方法，主要包括以下步骤：

(1)、建立车身整体仿真模型，并分别计算获得整车的弯曲刚度K₁与扭转刚度K₂；

(2)、将车身整体按照车身的各分总成分解为若干个局部模块；

(3)、依次给各局部模块的刚度K⁽ⁱ⁾一个微小改变量ΔK⁽ⁱ⁾＝λK⁽ⁱ⁾，其中λ为刚度的改变比例，并分别计算改变后的整车弯曲刚度K_1i与扭转刚度K_2i(i＝1、2...n)；

(4)、令R_1i＝(K_1i-K₁)/λK₁×100％，R_2i＝(K_2i-K₂)/λK₂×100％，R_1i即为局部模块i对整车弯曲刚度的贡献度，R_2i即为局部模块i对整车扭转刚度的贡献度。

(5)、建立对应的局部刚度贡献度矩阵A_k

$A_k=\left[\begin{array}{cccccc}{R}_{11}& R_{12}& \mathrm{...}& R_{1i}& \mathrm{...}& R_{1n}\\ R_{21}& R_{22}& \mathrm{...}& R_{2i}& \mathrm{...}& R_{2n}\end{array}\right]$

所述步骤(2)中的各分总成模块，根据主要质量安装点及各功能模块的设计要求还可进一步进行细化分解，并进行刚度贡献的评价。

实现所述步骤(3)中的给各局部模块i(i＝1、2...n)的刚度K⁽ⁱ⁾一个微小改变量λK⁽ⁱ⁾，根据有限元计算中结构刚度与材料杨氏模量的正比关系，可以通过给杨氏模量一个微小改变量ΔE的方式，ΔE＝λE，使局部模块的刚度产生相同比例的改变ΔK⁽ⁱ)，ΔK⁽ⁱ⁾＝λK⁽ⁱ⁾，由于在进行刚度的数值计算时存在舍入误差，因此改变比例λ的绝对值不能过小，经反复推敲验证，|λ|应设定在区间[0.005,0.02]之内。

有益效果

本发明的车身结构各局部刚度贡献度评价方法，可以完成车身各局部模块对整车各项刚度性能参数的贡献度评价，解决了现有的刚度灵敏度分析方法只能考察单个设计变量对刚度的影响，无法评价车身各分总成或局部模块整体的刚度及其对车身刚度的贡献程度的问题。

将该评价方法应用于车身的新材料应用与结构优化设计过程中，可以使设计人员有针对性地对各局部模块进行适当的优化调整，在保证车身各项整体性能参数的同时，使车身整体成为一个均匀承载的空间超静定框架结构，大大提高了各局部模块材料的利用率，对车身结构的轻量化设计具有重要意义。

此外，通过对各局部模块的刚度贡献度进行评价，还可以实现各分总成及局部模块的独立设计，有利于汽车平台化、模块化设计的发展趋势，并大大缩短了研发周期，对实际的项目开发具有重要意义。

附图说明

图1是实施例中所采用的某12米公路客车的整车结构示意图；

图2是整车结构各分总成的分解示意图；

图3是车身底架的局部模块分解示意图；

图4是本发明车身结构各局部刚度贡献度评价方法各步骤的示意图。

其中，1为车身前围、2为车身后围、3为车身左侧围、4为车身右侧围、5为车身顶盖、6为车身底架、7为底架局部模块一、8为底架局部模块二、9为底架局部模块三。

具体实施方式

发明人首先针对车身各局部模块对整车刚度的贡献度进行定义：根据有限元计算方法中结构整体刚度矩阵与单元刚度矩阵的叠加公式可知：车身整体刚度与各局部模块刚度之间存在一定的耦合叠加关系，即：其中K为车身整体刚度，K⁽ⁱ⁾为车身各局部模块刚度。

当车身各局部模块的刚度均发生相同比例λ的微小改变时，ΔK⁽ⁱ⁾＝λK⁽ⁱ⁾(i＝1、2...n)，此时车身整体刚度的改变量当仅将局部模块j的刚度改变ΔK^(j)(令ΔK^(j)＝λK^(j))时，此时车身整体刚度的改变量为ΔK_j；当λ→0时，则有ΔK_j→ΔK^(j)，此时令R_j＝ΔK_j/ΔK，则有R_j→ΔK^(j)/ΔK＝λK^(j)/λK＝K^(j)/K，发明人将λ→0时的R_j定义为车身局部模块j对整车刚度的贡献度。

基于上述车身各局部模块对车身整体刚度的贡献度定义，发明一种车身结构各局部刚度贡献度的评价方法，主要包括以下步骤：

(1)、建立车身整体仿真模型，并分别计算获得整车的弯曲刚度K₁与扭转刚度K₂；

(2)、将车身整体按照车身的各分总成分解为若干个局部模块；

(3)、依次给各局部模块i(i＝1、2...)n的刚度K⁽ⁱ⁾一个微小改变量ΔK⁽ⁱ⁾＝λK⁽ⁱ⁾，其中λ为刚度的改变比例，并分别计算改变后的整车弯曲刚度K_1i与扭转刚度K_2i(i＝1、2...n)；

(4)、令R_1i＝(K_1i-K₁)/λK₁×100％，R_2i＝(K_2i-K₂)/λK₂×100％，R_1i即为局部模块i对整车弯曲刚度的贡献度，R_2i即为局部模块i对整车扭转刚度的贡献度；

(5)、建立对应的局部刚度贡献度矩阵A_k

$A_k=\left[\begin{array}{cccccc}{R}_{11}& R_{12}& \mathrm{...}& R_{1i}& \mathrm{...}& R_{1n}\\ R_{21}& R_{22}& \mathrm{...}& R_{2i}& \mathrm{...}& R_{2n}\end{array}\right]$

所述步骤(2)中的各分总成模块，根据主要质量安装点及各功能模块的设计要求还可进一步进行细化分解，并进行刚度贡献的评价。

实现所述步骤(3)中的给各局部模块i(i＝1、2...n)的刚度K⁽ⁱ⁾一个微小改变量λK⁽ⁱ⁾，根据有限元计算中结构刚度与材料杨氏模量的正比关系，可以通过给杨氏模量一个微小改变量ΔE(ΔE＝λE)，使局部模块的刚度产生相同比例的改变量ΔK⁽ⁱ⁾(ΔK⁽ⁱ⁾＝λK⁽ⁱ))。由于有限元仿真方法中所采用的数值计算存在舍入误差，因此改变比例λ的绝对值不能过小，经反复推敲验证，|λ|应设定在区间[0.005,0.02]之内。

结合附图，以一项12米公路客车车身结构方案为例，对本发明的车身结构各局部刚度贡献度评价方法作进一步详细说明：

(1)参见附图1，对整车结构进行建模分析，获得车身结构的垂向弯曲刚度K₁＝1.136×10⁷N·m，纵向扭转刚度K₂＝4.962×10⁴N·m/deg。

(2)参见附图2，将车身结构整体分解为六大分总成，包括：1、车身前围、2、车身后围、3、车身左侧围、4、车身右侧围、5、车身顶盖、6、车身底架；再依次将各分总成的杆件杨氏模量E增加1％，并对更改后的整车刚度进行计算；将调整前围后整车的弯曲刚度记为K₁₁、扭转刚度记为K₂₁；将调整后围后整车的弯曲刚度记为K₁₂、扭转刚度记为K₂₂；将调整左侧围后整车的弯曲刚度记为K₁₃、扭转刚度记为K₂₃；将调整右侧围后整车的弯曲刚度记为K₁₄、扭转刚度记为K₂₄；将调整顶盖后整车的弯曲刚度记为K₁₅、扭转刚度记为K₂₅；将调整底架后整车的弯曲刚度记为K₁₆、扭转刚度记为K₂₆。

(3)令R_1i＝(K_1i-K₁)/λK₁×100％，R_2i＝(K_2i-K₂)/λK₂×100％，计算获得：R₁₁＝1.42％、R₂₁＝5.84％、R₁₂＝0.09％、R₂₂＝0.40％、R₁₃＝24.06％、R₂₃＝17.74％、R₁₄＝13.74％、R₂₄＝17.94％、R₁₅＝2.19％、R₂₅＝12.70％、R₁₆＝57.95％、R₂₆＝44.74％；建立各分总成对整车弯曲刚度与扭转刚度的贡献度矩阵A_k：

$A_k=\left[\begin{array}{cccccc}1.42\%& 0.09\%& 24.06\%& 13.74\%& 2.19\%& 57.95\%\\ 5.84\%& 0.40\%& 17.74\%& 17.94\%& 12.70\%& 44.74\%\end{array}\right]$

(4)参见附图3，对刚度贡献度高的底架结构进行细化分解，包括底架局部模块一、底架局部模块二、底架局部模块三；再进一步考察底架各局部模块对整车刚度的贡献情况。分别将各局部模块的杆件杨氏模量E增加1％，并对更改后的整车刚度进行计算。将调整局部模块一后整车的弯曲刚度记为ΔK′₁₁、扭转刚度记为ΔK′₂₁；将调整局部模块二后整车的弯曲刚度记为ΔK′₁₂、扭转刚度记为ΔK′₂₂；将调整局部模块三后整车的弯曲刚度记为ΔK′₁₃、扭转刚度记为ΔK′₂₃。

(5)令R′_1i＝(K′_1i-K₁)/λK₁×100％，R′_2i＝(K′_2i-K₂)/λK₂×100％，计算获得：R′₁₁＝20.97％、R′₂₁＝17.33％、R′₁₂＝32.52％、R′₂₂＝19.55％、R′₁₃＝4.30％、R′₂₃＝7.66％。建立底架各局部模块对整车弯曲刚度与扭转刚度的贡献度矩阵：

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种车身结构各局部刚度贡献度的评价方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

(1)、建立车身整体仿真模型，并分别计算获得整车的弯曲刚度K₁与扭转刚度K₂；

(2)、将车身整体按照车身的各分总成分解为若干个局部模块；

(3)、依次给各局部模块的刚度K⁽ⁱ⁾一个微小改变量ΔK⁽ⁱ⁾＝λK⁽ⁱ⁾，其中λ为刚度的改变比例，并分别计算改变后的整车弯曲刚度K_1i与扭转刚度K_2i(i＝1、2...n)；

(4)、令R_1i＝(K_1i-K₁)/λK₁×100％，R_2i＝(K_2i-K₂)/λK₂×100％，R_1i即为局部模块i对整车弯曲刚度的贡献度，R_2i即为局部模块i对整车扭转刚度的贡献度。

(5)、建立对应的局部刚度贡献度矩阵A_k

$A_k=\left[\begin{array}{cccccc}{R}_{11}& R_{12}& ...& R_{1i}& ...& R_{1n}\\ R_{21}& R_{22}& ...& R_{2i}& ...& R_{2n}\end{array}\right]$

2.根据权利要求1中所述的一种车身结构各局部刚度贡献度的评价方法，其特征在于：

所述步骤(2)中的各分总成模块，根据主要质量安装点及各功能模块的设计要求还可进一步进行细化分解，并进行刚度贡献的评价。

3.根据权利要求1中所述的车身结构各局部刚度贡献度的评价方法，其特征在于：

实现所述步骤(3)中的给各局部模块i(i＝1、2...n)的刚度K⁽ⁱ⁾一个微小改变量λK⁽ⁱ⁾，根据有限元计算中结构刚度与材料杨氏模量的正比关系，可以通过给杨氏模量一个微小改变量ΔE的方式，ΔE＝λE，使局部模块的刚度产生相同比例的改变ΔK⁽ⁱ⁾，ΔK⁽ⁱ⁾＝λK⁽ⁱ⁾，由于在进行刚度的数值计算时存在舍入误差，因此改变比例λ的绝对值不能过小，经反复推敲验证，|λ|应设定在区间[0.005,0.02]之内。