CN110147650A - 变强度材料的有限元建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了变强度材料的有限元建模方法，包括：有限元建模步骤，对变强度材料的零件进行整体有限元建模，其中的网格使用可变形壳单元。材料强度变化方向确定步骤，在三维坐标中确定材料强度的变化方向。屈服强度计算步骤，在三维坐标中，根据材料强度的变化方向计算屈服强度，屈服强度在三维坐标中，依据空间位置而连续变化。本发明的变强度材料的有限元建模方法能有效简化变强度零件的建模流程，建模时间可节省80％。另外对比于传统拆分方法的台阶曲线，本发明在过渡区的屈服强度使用连续曲线，准确度可提高30％。
Description
技术领域
本发明涉及汽车研发制造领域，更具体地说，涉及变强度材料零部件的建模方法。
背景技术
目前，国内汽车行业蓬勃发展，汽车安全相关的各项法规和评价***也日趋精细和严格。为了节约整车开发成本，在车型研发初期大量使用计算机辅助仿真运算来对设计进行验证和优化。计算机仿真实现成本低、节奏快，能够很好地满足行业的需求。在计算机仿真的应用中，利用有限元计算进行仿真得到了广泛运用，尤其在碰撞仿真验证及优化方面，主要采用有限元建模进行模拟仿真。
随着各项安全标准和环保要求的提升，各种新型材料在实车中的应用也越来越广泛。其中一种重要的新型材料就是变强度材料，主要用于A柱、B柱等重要的车身结构件。
变强度材料是指，同一个零件在不同区域具有不同的强度属性。将常温下的22MnB5钢板加热到880℃～950℃，使之均匀奥氏体化，通过控制不同位置的冷却速度来影响奥氏体转化为马氏体的程度，从而实现不同部位强度差异化，获得变强度零件。
由于变强度材料的零件上不同位置的屈服强度是不同的，因此在进行建模时比较麻烦，需要对不同位置的屈服强度分别进行运算。
图1、图2a和图2b揭示了现有技术中对变强度材料的零件进行有限元建模并计算屈服强度的过程。其中图1揭示了变强度材料的B柱零件的有限元模型。图2a和图2b揭示了现有技术中对变强度材料的B柱零件进行屈服强度计算的过程。
参考图1所示，变强度材料的B柱零件包括三个区域：软驱、过渡区和硬区。软区102的屈服强度固定为σ1，硬区106的屈服强度固定为σ2，过渡区104的屈服强度是逐渐变化的，过渡区104与软区102相接的部分的屈服强度与软区102相同，为σ1，过渡区104与硬区106相接的屈服强度与硬区106相同，为σ2。在过渡区104内部，屈服强度逐步从σ1变化至σ2。B柱零件主要是沿Z向延伸，因此变强度材料的B柱零件的材料强度变化是沿着Z向变化，是一维变化。就Z向的空间位置而言，l1为过渡区靠近软区一端的空间位置，l2为过渡区靠近硬区一端的空间位置。或者说，l1以下为软区102，l1与l2之间为过渡区104，l2以上为硬区106。
结合图1所示，假设变强度材料的B柱零件的参数如下：长度单位为毫米，在全局坐标中，B柱Z方向小于180mm范围内为软区，屈服强度为400MPa。Z方向180-410mm范围内为过渡区，屈服强度为400MPa-1200MPa，从下到上，线性变化。Z方向大于410mm的范围为硬区，屈服强度为1200MPa。具体材料性能由钢材供应商提供。
参考图2a和图2b所示，在现有技术中对B柱零件进行屈服强度计算的过程和结果如下：
首先把变强度零件B柱根据强度的变化，拆分为硬区、过渡区和软区。
将硬区划分网格，网格使用可变形壳单元。
给硬区赋予材料，定义材料屈服强度为1200Mpa。
将软区划分网格，网格使用可变形壳单元。
给软区赋予材料，定义屈服强度为400MPa。
将过渡区尽可能平均地拆分为5个区域，每两个相邻区域网格共节点。拆分后的结构如图2a所示。
从软至硬，给过渡区每一部分赋予材料，材料的屈服强度依次为540MPa、670MPa、800MPa、930MPa、1060MPa。计算后的屈服强度的曲线如图2b所示。
硬区与过渡区、过渡区与软区之间，网格共节点。
与其他零件如B柱内板、侧围外板通过螺栓、焊点等连接时，也要将B柱加强版上述七个部分分别连接。
现有技术的建模方法和屈服强度的计算过程存在如下的缺陷：
1)现有技术的建模过程中，实际是将零件拆分为软区、过渡区和硬区三个部分分别进行有限元建模。当涉及到过渡区范围的调整时，需要重新对软区、过渡区和硬区分别进行建模，过程十分复杂，计算量大。并且在与诸如B柱内板、侧围外板通过螺栓、焊点等其他部件进行连接时，需要分别对三个有限元建模的模型进行计算，计算量很大。由于在新车研发阶段过渡区和所连接的零部件进行调整的频率很高，因此现有技术的建模过程非常复杂，需要很大的计算量。
2)现有技术的屈服强度计算过程的到的屈服强度曲线并不是连续的，而是阶梯状的，在每一个阶梯内屈服强度是固定的。现有技术在过渡区内用一系列的阶梯来模拟过渡区的屈服强度变化。但实际的零部件在过渡区中的屈服强度变化是连续线性的。现有技术并不能准确反应实际的屈服强度变化。虽然可以通过增加阶梯密度的方式来模拟线性变化，但增加阶梯密度意味着对过渡区进行更加细密的划分，需要更大的计算量，使得整体建模过程更加复杂。
发明内容
本发明旨在提出一种新的变强度材料的有限元建模方法，对零件进行整体建模，并且以连续的方式计算屈服强度。
根据本发明的一实施例，提出一种变强度材料的有限元建模方法，包括：
有限元建模步骤，对变强度材料的零件进行整体有限元建模，其中的网格使用可变形壳单元；
材料强度变化方向确定步骤，在三维坐标中确定材料强度的变化方向；
屈服强度计算步骤，在三维坐标中，根据材料强度的变化方向计算屈服强度，所述屈服强度在三维坐标中，依据空间位置而连续变化。
在一个实施例中，变强度材料的零件的材料强度在一维方向上变化，屈服强度是沿该维度方向变化的连续的曲线。
在一个实施例中，变强度材料的零件在一维方向上形成软区、硬区和过渡区，过渡区位于软区和硬区之间，硬区的屈服强度大于软区的屈服强度，过渡区的屈服强度逐渐变化，由软区的屈服强度逐渐变化至硬区的屈服强度。
在一个实施例中，变强度材料的零件的软区、硬区和过渡区的屈服强度计算如下：
其中，σ1为软区的屈服强度，σ2为硬区的屈服强度，l1为过渡区靠近软区一端的空间位置，l2为过渡区靠近硬区一端的空间位置，x为过渡区中指定点的空间位置，σ为过渡区中指定点的屈服强度。
在一个实施例中，该变强度材料的有限元建模方法，还包括：力学性能参数设置步骤，设置变强度材料的零件的力学性能参数。
在一个实施例中，力学性能参数值设置如下：弹性模量E＝206Mpa、泊松比为0.3、密度为7.85E-6kg/mm3。
本发明的变强度材料的有限元建模方法能有效简化变强度零件的建模流程，建模时间可节省80％。另外对比于传统拆分方法的台阶曲线，本发明在过渡区的屈服强度使用连续曲线，准确度可提高30％。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示了变强度材料的B柱零件的有限元模型。
图2a和图2b揭示了现有技术中对变强度材料的B柱零件进行屈服强度计算的过程。
图3a和图3b揭示了根据本发明的一实施例有限元建模方法中对变强度材料的B柱零件进行屈服强度计算的过程。
图4揭示了变强度材料的A柱零件的有限元模型。
图5揭示了根据本发明的一实施例有限元建模方法中对变强度材料的A柱零件进行屈服强度计算的过程。
具体实施方式
本发明的变强度材料的有限元建模方法包括如下的步骤：
有限元建模步骤，对变强度材料的零件进行有限元建模，其中的网格使用可变形壳单元；
材料强度变化方向确定步骤，在三维坐标中确定材料强度的变化方向；
屈服强度计算步骤，在三维坐标中，根据材料强度的变化方向计算屈服强度，所述屈服强度在三维坐标中，依据空间位置而连续变化。
在一个实施例中，该方法还包括：
力学性能参数设置步骤，设置变强度材料的零件的力学性能参数。
比如，力学性能参数值设置如下：弹性模量E＝206Mpa、泊松比为0.3、密度为7.85E-6kg/mm3。
目前阶段，变强度材料的零件主要是A柱和B柱，A柱的主体结构是沿X向一维延伸，B柱的主体结构是沿Z向一维延伸。因此，变强度材料的零件的材料强度主要是在一维方向上变化，比如对于A柱是沿X向变化，对于B柱是沿Z向变化。于是，本发明在很多的应用中简化为材料强度的变化是沿一维方向的，相应的，屈服强度的曲线是沿该维度方向变化的连续的曲线。
对于材料强度变化是沿一维方向的零件，变强度材料的零件在一维方向上形成软区、硬区和过渡区，过渡区位于软区和硬区之间，硬区的屈服强度大于软区的屈服强度，过渡区的屈服强度逐渐变化，由软区的屈服强度逐渐变化至硬区的屈服强度。
下面以变强度材料的A柱和B柱为例，说明本发明的有限元建模方法的具体过程。
参考图3a所示，图3a所示的变强度材料的B柱零件与图1所示的零件相同，但两者的建模过程不同。图1的现有技术是分割后分别建模，而图3a所示的本发明的方法是整体建模。假设变强度材料的B柱零件的参数如下：长度单位为毫米，在全局坐标中，B柱Z方向小于180mm范围内为软区，屈服强度为400MPa。Z方向180-410mm范围内为过渡区，屈服强度为400MPa-1200MPa，从下到上，线性变化。Z方向大于410mm的范围为硬区，屈服强度为1200MPa。具体材料性能由钢材供应商提供。
根据本发明的有限元建模方法，包括如下的步骤：
有限元建模步骤，对变强度材料的零件进行整体有限元建模。对B柱的零件整体进行网格划分，其中的网格使用可变形壳单元。与现有技术不同的是，现有技术中是将软区、过渡区和硬区分别进行建模，然后再在相交处进行网格的连接。而本发明是对零件整体进行有限元建模，对整个零件进行网格划分。
材料强度变化方向确定步骤，在三维坐标中确定材料强度的变化方向。对于B柱来说，零件主要是在Z向延伸，材料强度也是沿Z向变化。因此材料强度变化方向确定为(0，0，1)。
屈服强度计算步骤，在三维坐标中，根据材料强度的变化方向计算屈服强度。屈服强度在三维坐标中，依据空间位置而连续变化，形成沿相应维度的连续曲线。
具体而言，变强度材料的零件的软区、硬区和过渡区的屈服强度计算如下：
其中，σ1为软区的屈服强度，σ2为硬区的屈服强度，l1为过渡区靠近软区一端的空间位置，l2为过渡区靠近硬区一端的空间位置，x为过渡区中指定点的空间位置，σ为过渡区中指定点的屈服强度。
对于图1所示的B柱零件，将实际数值代入公式，σ1＝400MPa，σ2＝1200MPa，l1＝180，l2＝410，所以此B柱的屈服强度曲线的函数如下：
图3b是对变强度材料的B柱零件进行屈服强度计算后获得的屈服强度曲线。如图3b所示，该屈服强度曲线在过渡区内是连续的曲线，屈服强度随空间位置连续线性变化，与实际零部件的屈服强度变化相符。
如果需要调整过渡区位置，只需要更新上述曲线中的l1和l2的代入值即可。
图4揭示了变强度材料的A柱零件的有限元模型。假设变强度材料的A柱零件的参数如下：长度单位为毫米，在全局坐标中，A柱加强板X方向大于810mm范围内为软区102，屈服强度为400MPa。X方向650-810mm范围内为过渡区104，屈服强度为400MPa-1200MPa，从左到右，线性变化。X方向小于650mm的范围为硬区106，屈服强度为1200MPa。具体材料性能由钢材供应商提供。
根据本发明的有限元建模方法，包括如下的步骤：
有限元建模步骤，对变强度材料的零件进行整体有限元建模。对A柱的零件整体进行网格划分，其中的网格使用可变形壳单元。与现有技术不同的是，现有技术中是将软区、过渡区和硬区分别进行建模，然后再在相交处进行网格的连接。而本发明是对零件整体进行有限元建模，对整个零件进行网格划分。
材料强度变化方向确定步骤，在三维坐标中确定材料强度的变化方向。对于A柱来说，零件主要是在X向延伸，材料强度也是沿X向变化。因此材料强度变化方向确定为(1，0，0)。
屈服强度计算步骤，在三维坐标中，根据材料强度的变化方向计算屈服强度。屈服强度在三维坐标中，依据空间位置而连续变化，形成沿相应维度的连续曲线。
具体而言，变强度材料的零件的软区、硬区和过渡区的屈服强度计算如下：
其中，σ1为软区的屈服强度，σ2为硬区的屈服强度，l1为过渡区靠近软区一端的空间位置，l2为过渡区靠近硬区一端的空间位置，x为过渡区中指定点的空间位置，σ为过渡区中指定点的屈服强度。
对于图4所示的A柱零件，将实际数值代入公式，σ1＝400MPa，σ2＝1200MPa，l1＝810，l2＝650，所以此A柱的加强板的屈服强度曲线的函数如下：
图5是对变强度材料的A柱零件进行屈服强度计算后获得的屈服强度曲线。如图5所示，该屈服强度曲线在过渡区内是连续的曲线，屈服强度随空间位置连续线性变化，与实际零部件的屈服强度变化相符。
如果需要调整过渡区位置，只需要更新上述曲线中的l1和l2的代入值即可。
本发明的变强度材料的有限元建模方法能有效简化变强度零件的建模流程，建模时间可节省80％。另外对比于传统拆分方法的台阶曲线，本发明在过渡区的屈服强度使用连续曲线，准确度可提高30％。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
Claims (6)
1.一种变强度材料的有限元建模方法，其特征在于，包括：
有限元建模步骤，对变强度材料的零件进行整体有限元建模，其中的网格使用可变形壳单元；
材料强度变化方向确定步骤，在三维坐标中确定材料强度的变化方向；
屈服强度计算步骤，在三维坐标中，根据材料强度的变化方向计算屈服强度，所述屈服强度在三维坐标中，依据空间位置而连续变化。
2.如权利要求1所述的变强度材料的有限元建模方法，其特征在于，变强度材料的零件的材料强度在一维方向上变化，所述屈服强度是沿该维度方向变化的连续的曲线。
3.如权利要求2所述的变强度材料的有限元建模方法，其特征在于，变强度材料的零件在一维方向上形成软区、硬区和过渡区，过渡区位于软区和硬区之间，硬区的屈服强度大于软区的屈服强度，过渡区的屈服强度逐渐变化，由软区的屈服强度逐渐变化至硬区的屈服强度。
4.如权利要求3所述的变强度材料的有限元建模方法，其特征在于，变强度材料的零件的软区、硬区和过渡区的屈服强度计算如下：
其中，σ1为软区的屈服强度，σ2为硬区的屈服强度，l1为过渡区靠近软区一端的空间位置，l2为过渡区靠近硬区一端的空间位置，x为过渡区中指定点的空间位置，σ为过渡区中指定点的屈服强度。
5.如权利要求1所述的变强度材料的有限元建模方法，其特征在于，还包括：
力学性能参数设置步骤，设置变强度材料的零件的力学性能参数。
6.如权利要求5所述的变强度材料的有限元建模方法，其特征在于，所述力学性能参数值设置如下：弹性模量E＝206Mpa、泊松比为0.3、密度为7.85E-6kg/mm3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190820 |