专利名称：箱型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法
技术领域：
本发明属于汽车车身设计领域，主要用于汽车的概念设计阶段的抗撞性研究。具体涉及一种箱型截面(Box section)薄壁梁弯曲特性的简化分析方法，作为概念车身有限元模型中，对箱型截面薄壁梁在车身碰撞中的弯曲变形进行分析。
背景技术：
箱型截面薄壁梁是车身承载部件中较常见的结构，例如车身前、后纵梁。掌握箱型截面薄壁梁的弯曲特性是车身产品在概念设计阶段达到抗撞性能指标的基础。在汽车车身概念设计中，首先要建立汽车的概念模型，它是对详细模型的高度简化，由于概念车身有限元模型中用壳单元模拟薄壁梁是不现实的，因此构成车身的吸能部件均被缩减为简化的梁单元。Belgrade大学的Kecman通过大量的试验，总结并推导了箱型薄壁梁的弯曲特性简化计算方法，但此方法中的某些关键参数来源于半经验公式的推导。麻省理工(MIT)的 T. Wierzbicki等人提出了满足运动学容许条件的箱型薄壁梁轴向压溃特性的简化计算方法。Louisville大学的Y. C. Liu等人忽略了面内的延展变形，分别推导了六边型、槽型和圆型截面薄壁梁的弯曲特性计算方法。目前尚无满足运动学容许条件的箱型薄壁梁弯曲特性的数值计算方法相关的研究成果。在发生弯曲变形时，出现的塑性铰线被视为薄壁梁结构变形能量耗散的唯一途径。本发明通过大量试验以及数值模拟，针对箱型截面薄壁梁提出简化分析方法，此方法满足运动学容许条件，能够在缩减建模之前，预测结构的抗弯性能，从而避开了非线性问题繁琐的建模及分析过程。通过国内外相关文献检索，在汽车车身概念设计领域中，未发现有类似的针对箱型截面薄壁梁结构弯曲特性的简化分析方法。
发明内容
针对现有汽车车身概念设计技术中建模及分析过程十分繁琐的问题，本发明的目的在于提出一种箱型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法，即利用箱型截面薄壁梁结构在受到非轴向载荷作用下的弯曲变形机理，提出了一种改进的、满足运动学容许条件的弯曲特性分析方法。利用此方法，可以得到弯曲过程中不同的塑性铰线及其产生的相对转角，以及塑性铰区域耗散能量的表达形式。在仅需要箱型截面薄壁梁结构的截面几何参数和材料屈服极限的条件下，即可通过得到的解析表达式求得近似的整体结构在弯曲过程中弯矩与塑性转角之间的关系曲线(Μ(θ)-Θ曲线)。本发明提供的简化模型能够更准确模拟箱型截面薄壁梁，可应用于概念设计阶段对车身结构中类似薄壁梁部件弯曲吸能变形的模拟。本发明主要通过以下步骤实现(1)将各条塑性铰线按其长度是否变化进行分类；
(2)计算沿各条塑性铰线耗散的能量率；(3)计算由凸起的环形表面耗散的能量率；(4)计算整体结构的弯曲特性。其中，步骤(1)中将塑性铰线分为①长度固定的铰线，包括凹陷平面边界、拉伸平面边界、膨胀平面边界；②滚动的铰线；③环形表面。结合附图中的实例，将塑性铰线分为(为简化计算，并考虑到整体结构的几何对称性，仅列出了一半体积)①长度固定的铰线包括凹陷平面边界GH、EF、AC ；拉伸平面边界KN、LM ；膨胀平面边界GK、EL、KL。②滚动的铰线GA、EA、KA、LA。③环形表面点A区域。设简化模型的截面几何参数为Ifl―和1_，厚度为t，在弯曲过程中，塑性转角为 θ，弯曲区域长度为池，且其值等于Iflange和Iweb中的较小者。步骤( 包括计算塑性铰线长度、计算塑性铰线的相对转角、计算各条塑性铰线耗散的能量率，具体为沿任意塑性铰线耗散的能量率Ei可表示为Ei = Ii · M0 · COi式中，i为塑性铰线条数，Ii为塑性铰线的长度，Mtl为发生塑性弯曲时的单位弯矩， 它是由结构几何尺寸和材料属性决定的，Mtl= σ 0t2/4, 流变应力，t是薄壁梁的壁厚， Qi为沿对应的塑性铰线产生的相对转角。需要注意的是，步骤O)中所述的“塑性铰线”仅包括步骤(1)所述的第一类和第二类塑性铰线，即①长度固定的铰线，包括凹陷平面边界、拉伸平面边界、膨胀平面边界； ②滚动的铰线。步骤( 考虑运动学容许的连续速度场，计算环形表面耗散的能量率，即Etor = S 5(ΜΦΦ κ ΦΦ+ΝΦΦ ε )dS式中，κ 和ε 分别表示转动速率张量和拉伸速率张量，弯矩11 和薄膜力 Ν 均由柯西应力张量定义，S为板壳的中性面面积，Φ为环的圆周角。需要注意的是，步骤(3)中所述的“环形表面”为步骤(1)所述的第三类塑性铰线， 即③环形表面。步骤(4)将步骤⑵中得到的各条塑性铰线耗散的总能量率与步骤(3)得到的环形表面耗散的能量率相加，得到整体结构的弯曲特性表达形式，具体为在塑性转角为θ时，各条塑性铰线及环形表面耗散的总体能量率为Ebox(O) = YjE人 θ) +Et。r{6)
i在塑性转角为θ时，弯矩Μ(θ)与塑性转角θ之间的关系，即整体结构的弯曲特性的表达形式为式中，Δ θ表示塑性转角θ的微小增量。本发明的有益效果为通过该箱型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法，能够很好地满足汽车概念设计阶段中对车身简化框架结构建模及抗撞性分析的需要，并能够辅助设计人员快速提取此类薄壁梁结构的抗弯特性，避免了传统有限元分析及试验的繁琐工作，从而实现了对初步设计方案的性能快速评估和快速修改，缩短了设计周期。
图1箱型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法流程2箱型截面薄壁梁弯曲变形的褶皱模型(一半体积)图3箱型直梁纵向截面的弯曲示意4点A在yz平面内的坐标图5面KAG与面GKLE的相对转角η ( 一半体积)图6环形面的俯视7截面1的弯矩和塑性转角的关系曲线对比图8截面2的弯矩和塑性转角的关系曲线对比图9截面3的弯矩和塑性转角的关系曲线对比图10截面4的弯矩和塑性转角的关系曲线对比图11截面5的弯矩和塑性转角的关系曲线对比
具体实施方案下面，将结合附图对本发明做进一步的介绍。图1为本发明的箱型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法流程图，由图可知，本发明将整体技术路线概括为四个步骤(1)将各条塑性铰线按其长度是否变化进行分类；(2)计算沿各条塑性铰线耗散的能量率；(3)计算由凸起的环形表面耗散的能量率；(4)计算整体结构的弯曲特性。在发生弯曲变形时，出现的塑性铰线被视为薄壁梁结构变形能量耗散的唯一途径。因此，本发明通过对弯曲变形区域内的每段塑性铰线进行标识，计算每段所耗散的能量率，为满足运动学容许条件，计算了由凸起的环形表面耗散的能量率，最终得到箱型薄壁梁整体结构所耗散的能量率。图2为本发明的箱型截面薄壁梁弯曲变形的褶皱模型，下面具体介绍步骤O)中计算沿各条塑性铰线耗散的能量率的计算方法及步骤(3)中环形表面耗散的能量率的计算方法
步骤O)中计算各条塑性铰线耗散的能量率主要包括以下两步计算沿固定铰线耗散的能量率和沿滚动铰线耗散的能量率。结合图2、图3、图4和图5做具体介绍设所有的塑性变形都发生在塑性铰线上，且塑性铰线可分为两种类型固定塑性铰线和移动塑性铰线，固定塑性铰线包括GH、EF、AC、KN、LM、GK、EL、KL ；移动塑性铰线包括 GA、EA、KA、LA。点B的坐标可以表示为xB = h
权利要求
1 一种箱型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法，包括以下步骤1)将各条塑性铰线按其长度是否变化进行分类，包括长度固定的铰线，滚动的铰线， 环形表面，长度固定的铰线，包括凹陷平面边界、拉伸平面边界、膨胀平面边界；2)计算沿各条塑性铰线耗散的能量率，包括计算塑性铰线长度、计算塑性铰线的相对转角、计算各条塑性铰线耗散的能量率；3)计算由凸起的环形表面耗散的能量率，考虑运动学容许的连续速度场，计算环形表面耗散的能量率；4)计算整体结构的弯曲特性，将步骤2)中得到的各条塑性铰线耗散的总能量率与步骤3)得到的环形表面耗散的能量率相加，得到整体结构的弯曲特性表达形式。
2.根据权利要求1所述的箱型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法，其特征在于，所述的步骤2、中，沿任意塑性铰线耗散的能量率Ei可表示为Ei = Ii · M0 · Coi式中，i为塑性铰线条数，Ii为塑性铰线的长度，Mtl为发生塑性弯曲时的单位弯矩，它是由结构几何尺寸和材料属性决定的，Mtl = σ 0t2/4, c^为流变应力，t是薄壁梁的壁厚，Coi 为沿对应的塑性铰线产生的相对转角。
3.根据权利要求1所述的箱型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法，其特征在于，所述的步骤幻计算环形表面耗散的能量率，即Etor _ f 3(ΜφφΚφ φ +N φ φ ε φ φ) dS式中，和￡ 分别表示转动速率张量和拉伸速率张量，弯矩11 和薄膜均由柯西应力张量定义，S为板壳的中性面面积，Φ为环的圆周角。
4.根据权利要求1所述的箱型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法，其特征在于，所述的步骤4)整体结构的弯曲特性表达形式为在塑性转角为θ时，各条塑性铰线及环形表面耗散的总体能量率为i在塑性转角为θ时，弯矩Μ(θ)与塑性转角θ之间的关系，即整体结构的弯曲特性的表达形式为式中，Δ θ表示塑性转角θ的微小增量。
全文摘要
本发明公开了一种箱型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法，属于汽车车身设计领域，主要用于汽车的概念设计阶段的抗撞性研究，作为概念车身有限元模型中，对箱型截面薄壁梁在车身碰撞中的弯曲变形进行分析。本发明主要由四个步骤组成，即将各条塑性铰线按其长度是否变化进行分类、计算沿各条塑性铰线耗散的能量率、计算由凸起的环形表面耗散的能量率、计算整体结构的弯曲特性。本发明能够很好地满足汽车概念设计阶段中对车身简化框架结构建模及抗撞性分析的需要，并能够辅助设计人员快速提取此类薄壁梁结构的抗弯特性，避免了传统有限元分析及试验的繁琐工作，从而实现了对初步设计方案的性能快速评估和快速修改，缩短了设计周期。
文档编号G01B21/32GK102322842SQ201110136359
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月25日 优先权日2011年5月25日
发明者左文杰, 徐涛, 李亦文, 李恒, 李行, 程鹏 申请人:吉林大学