考虑塑性铰特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种考虑塑性铰特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法，属于汽车车身设计领域。首先求解轿车车身梁骨架复杂形状断面的横截面积、弯扭惯性矩特性，其次创建轿车车身梁骨架模型，然后生成薄壁梁单元的塑性铰模型特性，赋值给Belytschko?Schwer（BS）梁单元的材料特性，该材料特性选取LS?DYNA软件的MAT 29号材料类型；最后生成LS?DYNA软件可以求解的关键字文本文件，调用LS?DYNA软件进行碰撞求解。采用梁单元搭建车身骨架模型，塑性铰模型模拟梁的弯曲、扭转以及压溃变形，进行碰撞分析，求解结果可靠，方便用户操作，极大缩减了建模周期，将会对轿车车身设计有重要的指导作用。
【专利说明】
考虑塑性絞特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法
技术领域
[0001] 本发明设及汽车车身设计领域，设及一种轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法， 尤指一种考虑塑性较特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法。主要用于快速求解薄壁 梁单元的断面静态力学特性与动态塑性较力学特性，从而实现轿车车身梁骨架的快速建模 与求解。
【背景技术】
[0002] 汽车车身结构碰撞设计是汽车行业的核屯、技术之一。为了缩短设计周期与试验成 本，计算机辅助设计与分析技术已经广泛应用到汽车行业中。汽车碰撞的计算机仿真模拟 通常采用有限元分析方法。汽车车身结构由薄板冲压，经点焊而成。在有限元仿真分析时， 先将薄板结构划分成平面四边形板单元，然后施加边界条件，由商业软件LS-DYNA或者 ABAQUS进行求解。由于四边形板单元的数量众多，结构自由度在100万左右，从而求解计算 量大，严重影响设计周期。目前只有梁单元创建的车身结构的线性有限元分析，即静态弯扭 刚度计算、频率动刚度计算，未有动态非线性有限元分析来模拟车身结构的碰撞。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种考虑塑性较特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析 方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明解决上述轿车车身梁骨架碰撞分析的难题， 采用梁单元来创建车身结构，结构自由度数量大约在1000 W内，计算时间短，从而加速轿车 车身的碰撞设计。
[0004] 本发明的上述目的通过W下技术方案实现：
[0005] 考虑塑性较特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法，包括W下步骤：
[0006] 1)首先绘制复杂断面的几何形状，包含开口断面、闭口单室断面、闭口双室断面、 闭口=室断面、W及W上=种闭口断面带有翻边的情况，也就是闭口 +开口的情形，共屯种 类型断面形状;然后求解W上屯种断面的静态力学特性和动态塑性较特性，静态力学特性 包括:静态弯曲惯性矩、静态扭转惯性矩W及静态断面面积;动态塑性较特性包括:动态塑 性圧溃特性、动态塑性弯曲特性W及动态塑性扭转特性；
[0007] 2)创建轿车车身梁骨架模型，采用Belytschko-Schwer(BS)梁搭建车身骨架模型， 该BS梁采用LS-DYNA软件的Belytschko-Schwer梁单元；
[000引3)生成薄壁梁单元的塑性较模型特性，赋值给BS梁单元的材料特性，该材料特性 选取LS-DYNA的MT 29号材料类型；
[0009] 4)生成LS-DYNA软件可W求解的关键字文本文件，调用LS-DYNA软件进行碰撞求 解。
[0010] 所述的步骤1)中，闭口 =室断面形状的静态扭转惯性矩的求解方法是：
[0011]
[001 ^ 其中qi，Q2 W及q巧W通过下面方程组进行求解：
[0013]
[0014] Fi，F2和F3分别为断面的第一 室、第二室和第S室所围成的面积;Lu, Li,..和心分别为上板、下板、中板W及加强板的长 度;1/ U和1/ m分别为上板和中板部分长度;tu，tl，tm和tr分别为上板、下板、中板W及加强板 的厚度。
[0015] 步骤1)中所述的动态塑性压溃特性的定义W及求解方法:对每个薄壁梁划分有限 元板单元网格，将薄壁梁碰撞刚性墙，从而得到的碰撞支反力与压溃量的关系，也即塑性压 溃特性；
[0016] 动态塑性弯曲特性的定义W及求解方法:对每个薄壁梁划分有限元板单元网格， 将薄壁梁一端固定，绕Y轴或Z轴弯曲另一端，从而得到弯矩与弯曲角度的关系，也即塑性弯 曲特性；
[0017] 动态塑性扭转特性的定义W及求解方法:对每个薄壁梁划分有限元板单元网格， 将薄壁梁一端固定，绕X轴扭转另一端，从而得到扭矩与扭转角度的关系，也即塑性扭转特 性。
[0018] 所述的步骤3)中塑性较模型的创建方法W及塑性较模型的构成，塑性较模型是由 4种弹黃组成，包括1种压缩弹黃，2种分别为Y方向和Z方向的弯曲弹黃，1种绕X方向的扭转 弹黃;将该塑形较模型赋值给LS-DYNA的MAT 29号材料类型，然后再将该材料赋值给BS梁单 元，从而可W采用BS梁单元创建车身骨架;该方法塑形较弹黃单元与BS梁单元通过自由度 凝聚，缩减为一个超单元，内部自由度被隐藏，外部自由度对用户开发，用户只需要针对外 部自由度建模，不必关注塑性较单元与BS梁单元的关系，从而可W加速车身骨架的建模过 程。
[0019] 本发明的有益效果在于:梁单元与塑性较单元组合可W真实的模拟轿车车身碰撞 过程。梁单元模拟了结构的弹性变形，塑性较单元模拟了结构的塑性变形。采用本发明方法 可在2-3天内创建轿车车身骨架模型，分析时间只需10分钟左右，极大地提高了轿车碰撞设 计的效率，缩短了设计周期，尤其解决了困扰轿车车身结构概念阶段耐撞性分析领域的难 题。
[0020] 本发明的方法区别于其他轿车车身结构耐撞性分析方法:采用梁单元搭建车身骨 架模型，用塑性较模型模拟梁的弯曲、扭转W及压溃变形，进行碰撞分析、建模W及求解的 速度快，后处理方便，求解结果可靠;传统设计方法是集中质量弹黃(LMSKKamal ,1970)模 型，模型太简化，无法观察重要部件变形，精度不够;现有的方法是利用板壳单元划分的详 细的车身结构，有上100万自由度(20世纪80年代），碰撞计算量大，结构不便修改优化。非常 方便用户的操作，极大缩减了建模周期，根据用户的需求添加相应的功能，从而方便地进行 轿车车身的耐撞性分析，将会对轿车车身设计技术有重要的指导作用。
【附图说明】
[0021] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0022] 图1为构成轿车车身骨架梁单元的复杂断面形状；
[0023] 图2为屯种类型断面形状；
[0024] 图3为塑性较模型示意图；
[0025] 图4为塑性压溃变形定义及特性曲线；
[0026] 图5为塑性弯曲变形定义及特性曲线；
[0027] 图6为塑性扭转变形定义及特性曲线；
[0028] 图7为轿车车身骨架模型；
[0029] 图8为轿车车身骨架组件爆炸视图；
[0030] 图9为轿车车身骨架组件梁单元的16种断面形状；
[0031 ]图10为车身骨架不同时刻变形示意图；
[0032] 图11为能量随时间变化曲线；
[0033] 图12为刚性墙支反力随时间变化曲线；
[0034] 图13为结点位移随时间变化曲线；
[0035] 图14为能量随关键节点位移变化曲线；
[0036] 图15为碰撞力随关键节点位移变化曲线。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其【具体实施方式】。
[0038] 本发明的考虑塑性较特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法，包括W下步 骤：
[0039] 1)首先绘制复杂断面的几何形状，包含开口断面、闭口单室断面、闭口双室断面、 闭口=室断面、W及W上=种闭口断面带有翻边的情况，也就是闭口 +开口的情形，共屯种 类型断面形状;然后求解W上屯种断面的静态力学特性和动态塑性较特性，静态力学特性 包括:静态弯曲惯性矩、静态扭转惯性矩W及静态断面面积;动态塑性较特性包括:动态塑 性圧溃特性、动态塑性弯曲特性W及动态塑性扭转特性；
[0040] 2)创建轿车车身梁骨架模型，采用Belytschko-Schwer(BS)梁搭建车身骨架模型， 该BS梁采用LS-DYNA软件的Belytschko-Schwer梁单元；
[0041] 3)生成薄壁梁单元的塑性较模型特性，赋值给BS梁单元的材料特性，该材料特性 选取LS-DYNA的MT 29号材料类型；
[0042] 4)生成LS-DYNA软件可W求解的关键字文本文件，调用LS-DYNA软件进行碰撞求 解。
[0043] 所述的步骤1)中，闭口 =室断面形状的扭转惯性矩的求解方法是：
[0044]
[0045] 其中qi，q2W及Q3可W通过下面方程组进行求解：
[0046]
[0047] ;Fi，F2和F3分别为断面的第一 室、第二室和第=室所围成的面积;L U，L1，..和k分别为上板、下板、中板W及加强板的长 度;1/ U和1/ m分别为上板和中板部分长度;tu，tl，tm和tr分别为上板、下板、中板W及加强板 的厚度。
[004引步骤1)中所述的动态塑性压溃特性的定义W及求解方法:对每个薄壁梁划分有限 元板单元网格，将薄壁梁碰撞刚性墙，从而得到的碰撞支反力与压溃量的关系，也即塑性压 溃特性；
[0049] 动态塑性弯曲特性的定义W及求解方法:对每个薄壁梁划分有限元板单元网格， 将薄壁梁一端固定，绕Y轴或Z轴弯曲另一端，从而得到弯矩与弯曲角度的关系，也即塑性弯 曲特性；
[0050] 动态塑性扭转特性的定义W及求解方法:对每个薄壁梁划分有限元板单元网格， 将薄壁梁一端固定，绕X轴扭转另一端，从而得到扭矩与扭转角度的关系，也即塑性扭转特 性。所述的步骤3)中塑性较模型的创建方法W及塑性较模型的构成，塑性较模型是由4种弹 黃组成，包括1种压缩弹黃，2种分别为Y方向和Z方向的弯曲弹黃，1种绕X方向的扭转弹黃； 将该塑性较模型赋值给LS-DYNA的MAT 29号材料类型，然后再将该材料赋值给BS梁单元，从 而可W采用BS梁单元创建车身骨架;该方法塑性较弹黃单元与BS梁单元通过自由度凝聚， 缩减为一个超单元，内部自由度被隐藏，外部自由度对用户开发，用户只需要针对外部自由 度建模，不必关注塑性较单元与BS梁单元的关系，从而可W加速车身骨架的建模过程。
[0化1 ] 实施案例：
[0052] (1)梁单元断面静态力学特性的计算
[0053] 图1为=室+开口断面形状，该类型断面是屯种断面形状中最为复杂的，W其为例 进行计算推导。断面形状由节点坐标(X，Y)与饭金件厚度t来描述。车身设计过程中，断面上 的节点有的可W移动;另外由于设计空间有限，有的节点不可移动，是固定点，图1中的可移 动点和固定点仅做示例。沿着梁的轴向，闭口断面的冲压饭金件由点焊而成，采用六面体实 体有限元单元模拟焊点。每一个金属薄板都可W近似的认为由小的矩形片段组成。因此断 面面积A可W表示为
[0054]
(1)
[0055] 其中，n、m分别为金属薄板的数量和每一个金属薄板的矩形片段数量，Al和ti分别 为第i个金属薄板的面积和厚度，Iu为第i个金属薄板第j个矩形片段的长度。
[0056] 断面对X轴和y轴的惯性矩及惯性积可W分别被定义为
[0057] 傑
[0058] 巧
[0化9] (4)
[0060]其中，（XiJ，yij)为第i个金属薄板第j个矩形片段的中屯、，01功第i个金属薄板第j 个矩形片段与X轴的夹角。
[00W] 通过Ix Jy和Ixy可W推导断面的主惯性矩公式，即
[0062]
[0063] ^6)
[0064] 薄壁断面的扭转惯性矩的计算公式取决于断面形状类型，如图2所示，其中开口部 分的扭转惯性矩Jd公式可W表示为
[00化]
(7)
[0066] 单室扭转惯性矩乃、双室扭转惯性矩巧W及=室扭转惯性矩分别为
[0067] (8)
[006引 巧）
[0069] 口0)
[0070] 其中qi、Q2 W及Q3可W通过方程组（11)进行求解。
[0071] 1)
[0072] ，Fi、F2和F3分别为断面的第一 室、第二室和第=室所围成的面积;L U、L1、L m和k分别为上板、下板、中板W及加强板的长 度;I/ U和I/ m分别为上板和中板部分长度;tu、11、tm和tr分别为上板、下板、中板W及加强板 的厚度。
[0073] 当闭口断面带有翻边时，如图2的（C)、（e)、（g)所示，也称为开口 +闭口的组合断面 时，扭转刚度可^1吿父为
[0074]
：(12)：
[0075] 其中k为断面室的数量。
[0076] 因此，弯曲惯性矩公式1、和^对于屯种断面形状是相同的。然而，扭转惯性矩公式J 对于屯种断面形状是不同的。
[0077] (2)梁单元压溃、弯曲W及扭转特性的计算
[0078] 当轿车发生碰撞时轿车车身骨架梁单元会发生压溃、弯曲W及扭转变形，为了很 好的模拟梁单元的变形，在梁单元连接处添加塑性较模型，如图3所示，塑性较模型是由4种 弹黃组成，包括1种压缩弹黃，2种分别为Y方向和Z方向的弯曲弹黃a种扭转弹黃，因此在进 行碰撞分析之前需要计算出各种不同梁的运些特性。本发明通过有限元的方法计算运些特 性，来提高碰撞求解精度。
[0079] 压溃特性的定义W及求解方法:对每个薄壁梁划分有限元板单元网格，将薄壁梁 碰撞刚性墙，从而得到的碰撞支反力与压溃量的关系，也即塑性压溃特性，如图4所示。
[0080] 弯曲特性的定义W及求解方法:对每个薄壁梁划分有限元板单元网格，将薄壁梁 一端固定，绕Y轴或Z轴弯曲另一端，从而得到弯矩与弯曲角度的关系，也即塑性弯曲特性， 如图5所示。
[0081] 扭转特性的定义W及求解方法:对每个薄壁梁划分有限元板单元网格，将薄壁梁 一端固定，绕X轴扭转另一端，从而得到扭矩与扭转角度的关系，也即塑性扭转特性，如图6 所示。
[0082] (3)生成LS-DYNA格式的K文件碰撞求解
[0083] 创建好有限元模型之后，生成LS-DYNA格式的关键字文本文件，并调用LS-DYNA进 行碰撞求解。求解完成后在自主开发的软件中进行后处理，数据的分析，包括系统能量随时 间变化曲线，碰撞力与时间曲线，关键节点位移曲线。
[0084] 本实施例W-款轿车车身骨架为例，介绍本发明的实施效果。
[0085] W某一款车为例对车身骨架进行简化，略去蒙皮等一些非承载结构，创建图7所示 的轿车车身梁骨架有限元模型。该模型共有梁单元48个，运48个梁单元归属于16个组件，运 16个组件的划分见图8的爆炸视图。每个组件中所有梁共享一个断面形状，16中断面形状如 图9所示，因此该轿车车身结构是组件化模型。对图2所示的轿车结构进行耐撞性分析。求解 的车身骨架变形如图10所示。能量随时间变化曲线如图11所示，刚性墙支反力随时间变化 曲线如图12所示，结点位移随时间变化曲线如图13所示，能量随关键节点位移变化曲线如 图14所示，碰撞力随关键节点位移变化曲线如图15所示。
[0086] W上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术 人员来说，本发明可W有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种考虑塑性铰特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法，其特征在于:包括以 下步骤： 1) 首先绘制复杂断面的几何形状，包含开口断面、闭口单室断面、闭口双室断面、闭口 三室断面、以及以上三种闭口断面带有翻边的情况，也就是闭口 +开口的情形，共七种类型 断面形状;然后求解以上七种断面的静态力学特性和动态塑性铰特性，静态力学特性包括： 静态弯曲惯性矩、静态扭转惯性矩以及静态断面面积;动态塑性铰特性包括:动态塑性圧溃 特性、动态塑性弯曲特性以及动态塑性扭转特性； 2) 创建轿车车身梁骨架模型，采用BS梁搭建车身骨架模型，该BS梁采用LS-DYNA软件的 Belytschko-Schwer 梁单元； 3) 生成薄壁梁单元的塑性铰特性，赋值给BS梁单元的材料特性，该材料特性选取LS-DYNA的MAT 29号材料类型； 4) 生成LS-DYNA软件可以求解的关键字文本文件，调用LS-DYNA软件进行碰撞求解。2. 根据权利要求1所述的考虑塑性铰特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法，其 特征在干：所沭的步骤中，闭口二室断面形状的静态扭转惯性矩的求解方法是：其中Φ，q2以及q3可以通过下面方程组进行求解：F1 ,FdPF3分别为断面的第一室、第二 室和第三室所围成的面积;L u，L1，..和L r分别为上板、下板、中板以及加强板的长度;I/ u和 I/ m分别为上板和中板部分长度;tu，ti，U和tr分别为上板、下板、中板以及加强板的厚度。3. 根据权利要求1所述的考虑塑性铰特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法，其 特征在于:步骤1)中所述的动态塑性圧溃特性的定义以及求解方法:对每个薄壁梁划分有 限元板单元网格，将薄壁梁碰撞刚性墙，从而得到的碰撞支反力与圧溃量的关系，也即塑性 圧溃特性； 动态塑性弯曲特性的定义以及求解方法:对每个薄壁梁划分有限元板单元网格，将薄 壁梁一端固定，绕Y轴或Z轴弯曲另一端，从而得到弯矩与弯曲角度的关系，也即塑性弯曲特 性； 动态塑性扭转特性的定义以及求解方法:对每个薄壁梁划分有限元板单元网格，将薄 壁梁一端固定，绕X轴扭转另一端，从而得到扭矩与扭转角度的关系，也即塑性扭转特性。4. 根据权利要求1所述的考虑塑性铰特性的轿车车身梁骨架碰撞建模与分析方法，其 特征在于:所述的步骤3)中塑性铰模型的创建方法以及塑性铰模型的构成，塑性铰模型是 由4种弹簧组成，包括1种压缩弹簧，2种分别为Y方向和Z方向的弯曲弹簧，1种绕X方向的扭 转弹簧;将该塑性铰模型赋值给LS-DYNA的MAT 29号材料类型，然后再将该材料赋值给BS梁 单元，从而可以采用BS梁单元创建车身骨架;该方法塑性铰弹簧单元与BS梁单元通过自由 度凝聚，缩减为一个超单元，内部自由度被隐藏，外部自由度对用户开发，用户只需要针对 外部自由度建模，不必关注塑性铰单元与BS梁单元的关系，从而可以加速车身骨架的建模 过程。
【文档编号】G06F17/50GK106021701SQ201610325890
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】左文杰, 桂春阳, 白建涛, 赵兴
【申请人】吉林大学