汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲的簡化分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用梁單元，非線性轉動彈簧單元，阻尼單元和柱鉸單元建立汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲的簡化模型的方法，屬于汽車車身設計領域，主要用于汽車概念設計階段抗撞性的研究。本發(fā)明將薄壁梁彎曲過程中的彎矩與轉角（M(θ)-θ）曲線賦值給非線性轉動彈簧單元，以此來模擬薄壁梁在彎曲過程中塑性鉸的轉動特性。并在非線性轉動彈簧單元的節(jié)點處建立阻尼單元和柱鉸單元，以保證模型在分析過程中有正確的運動關系。本發(fā)明提出的汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲的簡化分析方法可以很好地滿足汽車概念設計階段對抗撞性研究的需要，并且大大縮短了汽車碰撞分析中有限元模型計算的時間，提高了工作效率。
【專利說明】汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲的簡化分析方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車車身設計領域，主要用于汽車概念設計階段的抗撞性分析研究。具體涉及一種汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲的簡化分析方法。通過建立薄壁曲梁的簡化模型，來快速分析薄壁曲梁在碰撞過程表現(xiàn)出的彎曲變形特性，指導汽車車身的概念設計。
【背景技術】
[0002]根據(jù)汽車車身的抗撞性分析理論，薄壁梁彎曲是車身碰撞分析中重要的變形形式之一。薄壁曲梁在碰撞時破壞區(qū)域集中在拐角處一個相對狹窄的區(qū)域，并在此區(qū)域形成塑性鉸。Kecman, YuCheng Liu,徐濤等人針對規(guī)則截面形狀薄壁梁的彎曲特性做了大量的研究，并給出了箱型、槽型等規(guī)則截面薄壁梁塑性鉸彎矩與轉角(Μ( Θ ) - Θ )關系曲線的計算方法。但是在實際車身結構中薄壁梁多為不規(guī)則截面，規(guī)則截面薄壁梁塑性鉸彎矩與轉角(Μ(θ)-Θ )關系曲線的計算方法并不適用。
[0003]本發(fā)明采用仿真分析的方法，可以得到任意截面薄壁梁塑性鉸彎矩與轉角(Μ(θ)-Θ )關系曲線，并應用梁單元，非線性轉動彈簧單元，阻尼單元和柱鉸單元建立車身薄壁曲梁塑性鉸的簡化模型。將塑性鉸彎矩與轉角(Μ(θ)-Θ )關系曲線賦值給非線性轉動彈簧單元來模擬塑性鉸的變形特性，構建出車身薄壁曲梁的簡化模型，類似針對汽車車身薄壁曲梁塑性鉸簡化分析方法并未出現(xiàn)在汽車車身設計領域中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的關鍵問題是提出一種應用于汽車概念設計階段的，建立汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲時的簡化模型的方法。通過此方法建立的薄壁曲梁簡化模型，可以大大減少汽車在碰撞有限元分析所需的計算時間，并能夠很好的滿足汽車概念設計階段的精度要求，對汽車車身概念設計提供指導。
[0005]本發(fā)明通過以下方案來實現(xiàn):
[0006]第一步，提取彎矩和轉角(Μ(θ)-Θ )關系曲線:首先在catia中建立3維模型；其次將模型導入hypermesh中進行模型處理，網(wǎng)格劃分，并施加載荷和邊界條件。為了測出薄壁曲梁在彎曲時所承受的彎矩，需在薄壁曲梁轉角處建立XSectionPlane類型的截面；然后將模型導入LS-dyna中進行碰撞仿真模擬；最后將結果文件導入hypergraph中，提取薄壁梁彎曲時塑性鉸彎矩和轉角(Μ( Θ )- Θ )關系曲線，曲線需導出為DAT格式文件備用；
[0007]第二步，簡化模型的建立:首先在hypermesh中采用elytschko-Schwerresultant梁單元代替詳細模型的殼單元,建立簡化薄壁曲梁模型的主體,相鄰的梁單元在拐角處的端點為空間坐標相同的兩個節(jié)點；其次在空間坐標相同的兩個節(jié)點之間建立非線性轉動彈簧單元，并將第一步中得到的DAT格式彎矩和轉角(Μ( Θ ) - Θ )關系曲線作為加載曲線賦值給非線性轉動彈簧。為了更好地模擬模型碰撞分析過程中的正確運動關系，在非線性轉動彈簧單元節(jié)點處建立柱鉸單元，以此來約束相鄰梁單元空間坐標相同的兩個節(jié)點之間只能發(fā)生相對轉動，不能發(fā)生相對移動；然后在非線性轉動彈簧單元節(jié)點處建立阻尼單元，使得簡化模型在碰撞過程中表現(xiàn)出的變形和吸能特性更加準確；最后對簡化模型施加與詳細模型相同的載荷和邊界條件。
[0008]第三步，將第二步建立的簡化模型導入dyna進行計算，并將詳細模型與簡化模型結果曲線的對比，通過在hypergraph中比較薄壁曲梁詳細模型和簡化模型內(nèi)能隨時間變化情況，塑性鉸I和塑性鉸2處轉角隨時間變化情況來驗證簡化模型的正確性。
[0009]本發(fā)明的有益效果為:通過該汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲的簡化分析方法，能夠很好地預測碰撞過程中汽車車身薄壁曲梁的彎曲變形特性。并可以將其應用到概念設計階段車身簡化模型中，提高概念模型的仿真精度和計算效率，對初步設計方案的性能做出更準確的評估，縮短設計周期。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是單帽形截面尺寸圖，圖中a為焊點。
[0011]圖2是圖1所示尺寸單帽形截面薄壁梁彎矩與轉角(Μ(θ)-Θ )關系曲線。
[0012]圖3是單帽形截面薄壁曲梁詳細有限元模型圖。
[0013]圖4是薄壁曲梁簡化模型示意圖。
[0014]圖5為薄壁曲梁詳細模型和簡化模型的直觀對比變形圖。
[0015]圖6為薄壁曲梁詳細模型和簡化模型內(nèi)能隨時間變化對比圖，圖中實線為詳細模型內(nèi)能隨時間變化曲線，虛線為簡化模型內(nèi)能隨時間變化曲線。
[0016]圖7為薄壁曲梁詳細模型和簡化模型塑性鉸I處的轉角隨時間變化對比圖，圖中實線為詳細模型塑性鉸I處角度隨時間變化曲線，虛線為簡化模型塑性鉸I處角度隨時間變化曲線。
[0017]圖8為薄壁曲梁詳細模型和簡化模型塑性鉸2處的轉角隨時間變化對比圖，圖中實線為詳細模型塑性鉸2處角度隨時間變化曲線，虛線為簡化模型塑性鉸2處角度隨時間變化曲線。
[0018]圖9中的(a)、(b)、(c)分別為某車型的前縱梁、A柱、B柱的詳細模型圖。
具體實施方案
[0019]下面結合附圖并以圖1中所示單帽形截面參數(shù)和表I中材料參數(shù)為例對本發(fā)明進行進一步的介紹。參閱圖1中所示單帽形截面參數(shù)在catia中建立3維模型，然后將模型導入hypermesh中進行模型處理，網(wǎng)格劃分,添加焊點等前處理工作,參閱表I中材料參數(shù)，賦予材料屬性。詳細有限元模型的邊界條件和載荷情況參閱圖3所示，即模型左端全約束，右端附加500KG的質量點，質量點以15m/s的初速度沿X軸的負方向運動。在hypermesh中建立控制卡片，如控制碰撞時間、載荷步長、輸出參數(shù)、沙漏控制、接觸控制等，使其碰撞結果和實驗數(shù)據(jù)相吻合。在詳細模型形成塑性鉸處(塑性鉸位置參閱圖5中所示)建立測量塑性鉸處所承受彎矩的XSectionPlane類型截面。將hypermesh文件導出為K文件,然后提交LS-dyna計算。將計算結果文件導入hypergraph中，提取彎矩時間(Μ( Θ )-t)關系曲線和轉角時間(θ-t)關系曲線。然后將兩個曲線合成，以塑性鉸轉角為橫坐標，彎矩為縱坐標繪制出彎矩轉角Μ( Θ ) - Θ關系曲線XSectionPlane參閱圖2所示，以備后用。
[0020]表I
【權利要求】
1.一種汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲的簡化分析方法，包括以下步驟: 第一步，提取彎矩和轉角(Μ(θ)-Θ )關系曲線: 首先在catia中建立3維模型； 其次將模型導入hypermesh中進行模型處理，網(wǎng)格劃分,并施加載荷和邊界條件； 第二步，簡化模型的建立: 首先在hypermesh中米用elytschko-Schwer resultant梁單兀代替詳細模型的殼單元，建立簡化薄壁曲梁模型的主體，相鄰的梁單元在拐角處的端點為空間坐標相同的兩個節(jié)點； 其次在空間坐標相同的兩個節(jié)點之間建立非線性轉動彈簧單元，并將第一步中得到的DAT格式彎矩和轉角(Μ( Θ ) - Θ )關系曲線作為加載曲線賦值給非線性轉動彈簧； 第三步，將第二步建立的簡化模型導入dyna進行計算，并將詳細模型與簡化模型結果曲線的對比，通過在hypergraph中比較薄壁曲梁詳細模型和簡化模型內(nèi)能隨時間變化情況，塑性鉸I和塑性鉸2處轉角隨時間變化情況來驗證簡化模型的正確性。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲的簡化分析方法，其特征在于: 在第一步中，為了測出薄壁曲梁在彎曲時所承受的彎矩，需在薄壁曲梁轉角處建立XSectionPlane類型的截面； 然后將模型導入LS-dyna中進行碰撞仿真模擬； 最后將結果文件導入hypergraph中，提取薄壁梁彎曲時塑性鉸彎矩和轉角(Μ(θ)-Θ )關系曲線，曲線需導出為DAT格式文件備用。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲的簡化分析方法，其特征在于: 在第二步中，為了更好地模擬模型碰撞分析過程中的正確運動關系，在非線性轉動彈簧單元節(jié)點處建立柱鉸單元，以此來約束相鄰梁單元空間坐標相同的兩個節(jié)點之間只能發(fā)生相對轉動，不能發(fā)生相對移動； 然后在非線性轉動彈簧單元節(jié)點處建立阻尼單元，使得簡化模型在碰撞過程中表現(xiàn)出的變形和吸能特性更加準確； 最后對簡化模型施加與詳細模型相同的載荷和邊界條件。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種汽車車身薄壁曲梁碰撞彎曲的簡化分析方法，其特征在于: 所述非線性轉動彈簧單元的彎矩與轉角(Μ(θ)-Θ )曲線用相應截面的彎矩與轉角(Μ(θ)-Θ )曲線替換，以適用于任何截面形式的薄壁曲梁塑性鉸簡化分析方法，包括:車身中的前縱梁結構、A柱折彎結構或B柱折彎結構。
【文檔編號】G06F17/50GK103559354SQ201310552054
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月8日 優(yōu)先權日:2013年11月8日
【發(fā)明者】徐濤, 郭桂凱, 黃貴龍, 邵晴, 李賓, 陳煒 申請人:吉林大學