汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲的简化分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种采用梁单元，非线性转动弹簧单元，阻尼单元和柱铰单元建立汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲的简化模型的方法，属于汽车车身设计领域，主要用于汽车概念设计阶段抗撞性的研究。本发明将薄壁梁弯曲过程中的弯矩与转角（M(θ)-θ）曲线赋值给非线性转动弹簧单元，以此来模拟薄壁梁在弯曲过程中塑性铰的转动特性。并在非线性转动弹簧单元的节点处建立阻尼单元和柱铰单元，以保证模型在分析过程中有正确的运动关系。本发明提出的汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲的简化分析方法可以很好地满足汽车概念设计阶段对抗撞性研究的需要，并且大大缩短了汽车碰撞分析中有限元模型计算的时间，提高了工作效率。
【专利说明】汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲的简化分析方法【技术领域】
[0001]本发明属于汽车车身设计领域，主要用于汽车概念设计阶段的抗撞性分析研究。具体涉及一种汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲的简化分析方法。通过建立薄壁曲梁的简化模型，来快速分析薄壁曲梁在碰撞过程表现出的弯曲变形特性，指导汽车车身的概念设计。
【背景技术】
[0002]根据汽车车身的抗撞性分析理论，薄壁梁弯曲是车身碰撞分析中重要的变形形式之一。薄壁曲梁在碰撞时破坏区域集中在拐角处一个相对狭窄的区域，并在此区域形成塑性铰。Kecman, YuCheng Liu,徐涛等人针对规则截面形状薄壁梁的弯曲特性做了大量的研究，并给出了箱型、槽型等规则截面薄壁梁塑性铰弯矩与转角(Μ( Θ ) - Θ )关系曲线的计算方法。但是在实际车身结构中薄壁梁多为不规则截面，规则截面薄壁梁塑性铰弯矩与转角(Μ(θ)-Θ )关系曲线的计算方法并不适用。
[0003]本发明采用仿真分析的方法，可以得到任意截面薄壁梁塑性铰弯矩与转角(Μ(θ)-Θ )关系曲线，并应用梁单元，非线性转动弹簧单元，阻尼单元和柱铰单元建立车身薄壁曲梁塑性铰的简化模型。将塑性铰弯矩与转角(Μ(θ)-Θ )关系曲线赋值给非线性转动弹簧单元来模拟塑性铰的变形特性，构建出车身薄壁曲梁的简化模型，类似针对汽车车身薄壁曲梁塑性铰简化分析方法并未出现在汽车车身设计领域中。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的关键问题是提出一种应用于汽车概念设计阶段的，建立汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲时的简化模型的方法。通过此方法建立的薄壁曲梁简化模型，可以大大减少汽车在碰撞有限元分析所需的计算时间，并能够很好的满足汽车概念设计阶段的精度要求，对汽车车身概念设计提供指导。
[0005]本发明通过以下方案来实现:
[0006]第一步，提取弯矩和转角(Μ(θ)-Θ )关系曲线:首先在catia中建立3维模型；其次将模型导入hypermesh中进行模型处理，网格划分，并施加载荷和边界条件。为了测出薄壁曲梁在弯曲时所承受的弯矩，需在薄壁曲梁转角处建立XSectionPlane类型的截面；然后将模型导入LS-dyna中进行碰撞仿真模拟；最后将结果文件导入hypergraph中，提取薄壁梁弯曲时塑性铰弯矩和转角(Μ( Θ )- Θ )关系曲线，曲线需导出为DAT格式文件备用；
[0007]第二步，简化模型的建立:首先在hypermesh中采用elytschko-Schwerresultant梁单元代替详细模型的壳单元,建立简化薄壁曲梁模型的主体,相邻的梁单元在拐角处的端点为空间坐标相同的两个节点；其次在空间坐标相同的两个节点之间建立非线性转动弹簧单元，并将第一步中得到的DAT格式弯矩和转角(Μ( Θ ) - Θ )关系曲线作为加载曲线赋值给非线性转动弹簧。为了更好地模拟模型碰撞分析过程中的正确运动关系，在非线性转动弹簧单元节点处建立柱铰单元，以此来约束相邻梁单元空间坐标相同的两个节点之间只能发生相对转动，不能发生相对移动；然后在非线性转动弹簧单元节点处建立阻尼单元，使得简化模型在碰撞过程中表现出的变形和吸能特性更加准确；最后对简化模型施加与详细模型相同的载荷和边界条件。
[0008]第三步，将第二步建立的简化模型导入dyna进行计算，并将详细模型与简化模型结果曲线的对比，通过在hypergraph中比较薄壁曲梁详细模型和简化模型内能随时间变化情况，塑性铰I和塑性铰2处转角随时间变化情况来验证简化模型的正确性。
[0009]本发明的有益效果为:通过该汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲的简化分析方法，能够很好地预测碰撞过程中汽车车身薄壁曲梁的弯曲变形特性。并可以将其应用到概念设计阶段车身简化模型中，提高概念模型的仿真精度和计算效率，对初步设计方案的性能做出更准确的评估，缩短设计周期。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是单帽形截面尺寸图，图中a为焊点。
[0011]图2是图1所示尺寸单帽形截面薄壁梁弯矩与转角(Μ(θ)-Θ )关系曲线。
[0012]图3是单帽形截面薄壁曲梁详细有限元模型图。
[0013]图4是薄壁曲梁简化模型示意图。
[0014]图5为薄壁曲梁详细模型和简化模型的直观对比变形图。
[0015]图6为薄壁曲梁详细模型和简化模型内能随时间变化对比图，图中实线为详细模型内能随时间变化曲线，虚线为简化模型内能随时间变化曲线。
[0016]图7为薄壁曲梁详细模型和简化模型塑性铰I处的转角随时间变化对比图，图中实线为详细模型塑性铰I处角度随时间变化曲线，虚线为简化模型塑性铰I处角度随时间变化曲线。
[0017]图8为薄壁曲梁详细模型和简化模型塑性铰2处的转角随时间变化对比图，图中实线为详细模型塑性铰2处角度随时间变化曲线，虚线为简化模型塑性铰2处角度随时间变化曲线。
[0018]图9中的(a)、(b)、(c)分别为某车型的前纵梁、A柱、B柱的详细模型图。
具体实施方案
[0019]下面结合附图并以图1中所示单帽形截面参数和表I中材料参数为例对本发明进行进一步的介绍。参阅图1中所示单帽形截面参数在catia中建立3维模型，然后将模型导入hypermesh中进行模型处理，网格划分,添加焊点等前处理工作,参阅表I中材料参数，赋予材料属性。详细有限元模型的边界条件和载荷情况参阅图3所示，即模型左端全约束，右端附加500KG的质量点，质量点以15m/s的初速度沿X轴的负方向运动。在hypermesh中建立控制卡片，如控制碰撞时间、载荷步长、输出参数、沙漏控制、接触控制等，使其碰撞结果和实验数据相吻合。在详细模型形成塑性铰处(塑性铰位置参阅图5中所示)建立测量塑性铰处所承受弯矩的XSectionPlane类型截面。将hypermesh文件导出为K文件,然后提交LS-dyna计算。将计算结果文件导入hypergraph中，提取弯矩时间(Μ( Θ )-t)关系曲线和转角时间(θ-t)关系曲线。然后将两个曲线合成，以塑性铰转角为横坐标，弯矩为纵坐标绘制出弯矩转角Μ( Θ ) - Θ关系曲线XSectionPlane参阅图2所示，以备后用。
[0020]表I
【权利要求】
1.一种汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲的简化分析方法，包括以下步骤: 第一步，提取弯矩和转角(Μ(θ)-Θ )关系曲线: 首先在catia中建立3维模型； 其次将模型导入hypermesh中进行模型处理，网格划分,并施加载荷和边界条件； 第二步，简化模型的建立: 首先在hypermesh中米用elytschko-Schwer resultant梁单兀代替详细模型的壳单元，建立简化薄壁曲梁模型的主体，相邻的梁单元在拐角处的端点为空间坐标相同的两个节点； 其次在空间坐标相同的两个节点之间建立非线性转动弹簧单元，并将第一步中得到的DAT格式弯矩和转角(Μ( Θ ) - Θ )关系曲线作为加载曲线赋值给非线性转动弹簧； 第三步，将第二步建立的简化模型导入dyna进行计算，并将详细模型与简化模型结果曲线的对比，通过在hypergraph中比较薄壁曲梁详细模型和简化模型内能随时间变化情况，塑性铰I和塑性铰2处转角随时间变化情况来验证简化模型的正确性。
2.根据权利要求1所述的一种汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲的简化分析方法，其特征在于: 在第一步中，为了测出薄壁曲梁在弯曲时所承受的弯矩，需在薄壁曲梁转角处建立XSectionPlane类型的截面； 然后将模型导入LS-dyna中进行碰撞仿真模拟； 最后将结果文件导入hypergraph中，提取薄壁梁弯曲时塑性铰弯矩和转角(Μ(θ)-Θ )关系曲线，曲线需导出为DAT格式文件备用。
3.根据权利要求1所述的一种汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲的简化分析方法，其特征在于: 在第二步中，为了更好地模拟模型碰撞分析过程中的正确运动关系，在非线性转动弹簧单元节点处建立柱铰单元，以此来约束相邻梁单元空间坐标相同的两个节点之间只能发生相对转动，不能发生相对移动； 然后在非线性转动弹簧单元节点处建立阻尼单元，使得简化模型在碰撞过程中表现出的变形和吸能特性更加准确； 最后对简化模型施加与详细模型相同的载荷和边界条件。
4.根据权利要求1所述的一种汽车车身薄壁曲梁碰撞弯曲的简化分析方法，其特征在于: 所述非线性转动弹簧单元的弯矩与转角(Μ(θ)-Θ )曲线用相应截面的弯矩与转角(Μ(θ)-Θ )曲线替换，以适用于任何截面形式的薄壁曲梁塑性铰简化分析方法，包括:车身中的前纵梁结构、A柱折弯结构或B柱折弯结构。
【文档编号】G06F17/50GK103559354SQ201310552054
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】徐涛, 郭桂凯, 黄贵龙, 邵晴, 李宾, 陈炜 申请人:吉林大学