概念车造型关节和射线结构通过动态FE-Based方法

文摘

介绍动态方法能够获得汽车横梁和关节的概念模型,这与现有文献方法相比,在精度方面,容易实现,计算负载。梁的概念,该方法是基于动态有限元(FE)的方法,该公司估计相当于1 d梁的刚度特征元素使用固有频率,计算详细的三维有限元模型的模态分析的结构。概念横梁然后彼此连接的概念,即通过减少动态技术,利用其振动的正常模式。联合减少通过应用一个新的接口改进beam-to-joint元素,能够准确插入的节点位移的外轮廓部分,获得中央连接节点的位移和旋转。该方法是通过应用程序验证,是典型的车身工程:分析结构由三个点焊薄壁梁,由关节连接。

1。介绍

虚拟模型通过计算机辅助工程(CAE)工具开发过程中发挥基础性作用的复杂产品,因为它们使工程师能够预测各种性能属性,避免了使用昂贵的物理原型,从而减少设计过程的时间。尤其是在汽车工业领域,相关的表演噪音,振动和严酷(噪音)努力提高在开发过程的最后一个步骤没有提高与他人冲突车辆要求。出于这个原因,许多研究人员已经开发出预测概念建模方法,可用于预测和提高汽车设计从概念阶段开始。

本文关注概念建模技术对减少身体的等效简化模型详细的车辆在白色(BIW)模型,允许大大减少所需的计算资源和所需的时间修改。

详细的3 d有限元模型的减少可以依靠现有的不同的商业化有限元动力学(如Nastran有限元分析和Ansys),提供图书馆简化元素(1 d梁元素,超单元等)。在文献中,有几种方法能简化车身的主要结构元素,如射线结构和关节。

关于元素模型有射线全球行为,主要方法减少3 d元素到一个一维元素等价的特色可分为三类:几何,静态FE-based,动态FE-based方法。几何造型方法依赖于一个几何概念分析的梁截面1- - - - - -3]。的质量和刚度特性等效一维梁单元计算通过分析部分的质量分布和考虑是否只有一个部分或一个multiconnected封闭的形状。

相反,在静态FE-based方法4,5),生成一组静载荷情况下通过应用弯曲,扭转和轴向加载每个梁段的最后部分。对于一些梁截面,中央节点创建和连接到其他节点在同一截面,通过多点约束(MPC)元素,刚性的类型两个插值型的结束部分,中间部分。这样,反应和外部负载直接应用到中央节点的结束部分,和刚性元素转移到其他结构,而插值元素允许估计的线性弹性变形梁中线。最后,相当于1 d梁的刚度特性估计通过应用线弹性梁结构的载荷变形关系,从静态变形预测的分析详细的3 d模型。方案说明静态FE-based方法如图1。

这项工作将讨论一个原始方法属于最后一类,动态FE-based方法(6),通过刚度特征(如二次的转动惯量,扭转模量、等)的等价的一维梁元素估计使用固有频率计算的模态分析的详细结构的三维有限元模型。其主要优势来自于这样的事实:任何可能的不连续性和变化可能发生在一个梁,并考虑影响其刚度计算,因此,该方法结果的精度比现有技术方法中获益。

汽车的关节是车身的第二个主要部分概念化。目前,最常见的技术依赖于联合的减少超单元(SE),它被定义为降低刚度和质量矩阵。为了保证结构梁之间的连续性和关节在整个概念结构中,一个接口之间的概念1 d梁模型和详细的三维联合模型应用联合减少之前创建。后者是通过冷凝联合刚度和质量特性的节点梁端的每个梁/联合接口,因为它将部分中解释2。因此,在还原过程中,中央节点梁/联合接口代表主自由度(自由度)保存下来,而节点的自由度属于共同的3 d有限元结构中(奴隶自由度)。图2显示了一个典型的商用车辆的车身结构和典型的联合和射线成员用于汽车的身体。在同一个图,图形显示技术的总体方案提出在这里1 d造型的梁和SE表示关节也说明。减少技术本身可以分为两种类型:静态或动态。Guyan减少(7静态冷凝)是最常见的方法。它返回一个确切降低刚度矩阵和质量矩阵近似,利用一些静态考虑主节点之间的联合。相反,所有的动态方法利用振动正常模式的结构,但他们彼此不同的边界条件和申请浓缩向量的选择除了正常模式。两个成熟的例子Craig-Bampton固定接口(8),MacNeal的(9)的方法。在前的方法,用于研究这里介绍,正常模式计算与结构固定在连接接口,而浓缩向量确定为约束模式。后一种方法使用的正常模式组件在免费的情况下,而剩余的浓缩向量由弹性模式。

这些动态还原方法是可靠和容易实现。然而,在薄壁汽车关节的特定的应用程序,这些方法的准确性是强烈依赖于类型的连接模型,用于每个beam-joint接口。刚性连接元素,如Nastran RBE2元素进行全规模(10),可以使整个结构过于僵硬,而通用的插值元素,如Nastran RBE3元素(10),会导致粗错误特别是关于扭转刚度。

出于这个原因,一个新的多点约束(MPC)连接元素提出和验证,为了克服标准连接元素的局限,实现更精确的概念模型汽车关节。拟议的政策委员会允许关联依赖节点的位移和旋转(即。,的central node of the joint end section) with the displacements of the peripheral section nodes. These relationships are based on static considerations and return a transformation matrix, whose implementation process is explained in detail. To verify the improved accuracy of the proposed model, a comparative analysis has been carried out between a structure where concept joints are reduced by using rigid spiders as connection elements and another where the new MPC connection elements are employed.

本文组织如下。部分2描述了新连接元素的数学定义。部分3描述了详细的3 d和概念1 d现场焊接结构的有限元模型,用于验证目的。动态验证结果报告部分4,展示了改进,可以获得使用该连接元素。部分5总结了纸,通过评审的成果和提供了一个前景预见下一个步骤。

2。新的MPC连接元素的定义

在本文中,定义一个新的MPC连接元素,使概念之间创建一个接口1 d梁模型和详细的三维联合模型,如图3。等目的,运动的位移和旋转梁的节点之间的关系(依赖节点连接的元素)和位移的详细的三维有限元模型的节点共同的接口部分(独立节点连接的元素)派生形式的变换矩阵,通过使用一个静态方法基于平衡条件(11]。基本的想法是获取一个变换矩阵定义之间的关系总梁的部队在中央节点/接头界面和节点负荷部分,考虑到把理论产生的应力场假设对轴弯曲、剪切、扭转工况下的射线结构(12]。在线性弹性,这种负荷相关性可以倒置,返回搜索的运动关系。

的变换矩阵通过计算两个子矩阵的乘积:(我)的压力恢复矩阵 ,相关部门强调应用于壳元素的节点和合成负载应用于等效1 d的中央节点梁单元,通过使用荷载应力关系把射线结构;(2)的节点载荷矩阵形式 ,连接所有的节点力和节点压力的过程中,通过使用线性有限元素的形状函数。

在接下来的部分每一个矩阵描述和详细解释。

2.1。压力恢复矩阵

从截面负载合成界面,压力恢复矩阵被定义为线弹性的假设,均匀和各向同性材料。首先,它假定厚度足够小的截面尺寸,它允许使用薄壁梁的应力分布特性。

此外,现场焊接结构,开放在一些横断面图,但封闭的焊点应用在那些地区,全球行为可以认为类似于封闭的部分;出于这个原因,压力方程封闭薄壁部分使用。三维梁模型,每个简单的负载情况下的压力关系可以编写接口部分,对一个参考系统放在重心- - - - - -轴沿纵向中性轴和指导- - -- - - - - -轴分别沿首要和次要的弯曲方向。矩阵关系可以如下: 在哪里是节点应力的矢量,压力恢复矩阵,是向量的力量应用到中央节点。特别是,(1),一个通用的矩形截面可以详细如下:

表中给出了每个参数的物理意义1。

的上标表明全球节点数量。对两种不同价值观之间的过渡区厚度、平均值设置在两个相邻层之间的节点元素。注意个人加载被视为非耦合的影响;此外,线性剪切应力的贡献,垂直于剪切方向,不考虑,因为他们的全球影响中央节点的位移和旋转是零,以及扭曲的全球影响负载情况下(13]。图4显示了在这两种情况下的应力分布。

2.2。表单节点载荷矩阵

表单节点载荷矩阵提供了一个节点力和节点压力之间的关系的三维梁模型。首先,节点加载在一个壳单元在接口检查。这是一个双线性4-node壳元,那么只有两个节点(和界面(图)必须被考虑5)。

界面上的应力分布元素是由平均发现节点的节点应力和。然后,平均应力元素,,,,在,,方向,分别可以写成:

由于平均压力接口是常数,节点加载和可以使用形状函数,计算了屈服吗 在哪里的面积是元素,显示形状函数,是当地的坐标,有用的测量元素的长度。

相同的关系是有效的沿着界面和所有其他的元素,然后,一个组装矩阵之间的关系可以获得节点力和节点压力: 在哪里是向量总节点的力量,是表单节点负荷矩阵,然后呢总节点强调的是向量。在扩展符号,(5)可以改写如下:

注意,开放部分,力量应用于内部节点接收平均应力的贡献与相邻元素;相反,外部节点属于一个元素,然后将它们的值要低得多。因此,通过结合(1)和(5),就可以获得之间的关系总部队在中央节点,和节点力的外轮廓部分: 在哪里表示节点的最大数量的接口。

获取矩阵与一维梁位移和旋转和3 d界面位移值,线性力和位移之间的关系。通过这种方式,它能充分的转置: 搜索运动学关系可以写成: 在哪里是梁节点的节点位移和旋转矢量和是节点位移向量的三维有限元模型。

3所示。应用案例

本节描述一个应用程序模型,提出新连接的元素进行验证。参考三维结构的几何描述的部分3.1。此后,节3.2描述了一维结构的概念模型。

3.1。三维模型描述

3 d应用程序模型由三束,与联合。每个梁1米长的和c形部分,由两个薄壁表定义的几何形状和尺寸如图6(a)横截面有垂直对称轴和重心一直被视为与剪切中心重合。这种假设是非常重要的有两个原因。首先,因为它允许减少详细三维梁的动态方法使用非耦合微分方程进行弯曲和扭转振动。此外,它还允许考虑由于各种压力的影响减少关节分开。自从薄板厚度远小于两个横向维度,可以网每个梁成员利用4-node有限壳元素。三光束分割的联合,拥有相同的横截面也模仿与壳牌的元素。

因此,这种结构是由两部分组成,上部和较低部分,彼此分离。这些部分连接了一组等距的焊接点的每个纵向墙壁。焊点之间的距离根据典型布局选择汽车横梁,也就是说,等于100毫米。每个焊接点被创建为一个小六固体元件,连接到角落的法兰节点一般插值元素(数据6(b)和6(c))。的结构LMS虚拟的环境。实验室的软件(14)已经被用于创建整个有限元模型。

分配下来的材料模型,假设均匀和各向同性,是典型的钢具有以下属性:(我)弹性模量:MPa;(2)泊松比:;(3)质量密度:吨/毫米³。

为了比较详细的三维有限元模型和概念结构也在模态形状方面,创建了梁中线3 d结构通过定义适当的数量的中心节点,位于距离100 mm互相沿梁的纵向方向。每个中央节点已经连接到节点的详细三维模型在同一横截面(边界节点)的插值RBE3元素,所以,每个中心节点的模态位移插值估计的模态位移边界节点。图7显示了完整详细的3 d模型的结构。

3.2。概念模型描述

定义概念结构,简化概念模型的关节和三光束。梁的动态FE-based等效截面属性的估计方法(使用6]。

方法的主要优点是,它考虑所有可能的不连续性和可能发生的变化(如焊点)沿梁影响其刚度,特别是在扭转载荷。这个方法包括两个主要步骤:(1)首先,一个给定的梁结构的自然频率估计通过详细的三维有限元模型的模态分析,在免费的环境中;(2)其次,横向刚度特性得到的弯曲和扭转频率,利用梁的振动的微分方程(15]。

特别是,一个没有约束的非线性最小化算法(Nelder-Mead单纯形算法16)被用来估计梁截面属性。实现的目标函数是最小化的平方之和之间的差异的频率参考向量,从详细的三维有限元模型,获得和频率向量,通过应用非线性方程迭代计算推导出梁的模态模型(6]。点焊梁模型在研究中,等效刚度参数估计的横梁都列在表1 d概念2。图8(一个)展示了概念模型,联合之前减少。

相反,减少关节Craig-Bampton固定接口技术应用如下;最后由SE表示概念模型联合,组成的刚度和质量矩阵压缩到一组主节点,其中包括一个节点梁端的每个梁/联合接口。因此,减少Craig-Bampton是用Nastran软件实现17),通过保持中央节点的自由度在三束/联合接口为主,属于详细节点的自由度关节的三维有限元模型的奴隶。图8 (b)显示了概念结构,的SE表示联合取代了详细的3 d联合模型,同时保证整个结构的连续性概念模型。两个不同的概念模型的联合创建了:在一个模型中,减少Craig-Bampton动态应用于刚性RBE2元素进行全规模的详细的三维有限元模型在每个梁/接头界面;在其他模型中,提出了MPC元素被用来连接中央节点,节点放置在每个接口的横截面。

注意,联合区域被定义的方式联合中心的每个接口的距离是足够大(100毫米在这种情况下),以避免任何违反把梁的假设。还要注意详细的3 d模型有超过60000个自由度(自由度),而概念模型只有180个自由度,可以显著减少所需计算时间的有限元模拟。

4所示。动态验证

进行了动态分析,预测精度的概念结构上的改进与建议MPC连接元素。在免费条件进行有限元模态分析有限元解算器利用Nastran软件,为了比较,固有频率和振型,详细的3 d模型两个不同的概念模型。在这两个概念模型,等效1 d梁元素的属性已经被使用的动态估计FE-based技术部分中描述3.2。在第一个概念结构,减少关节已经通过使用Craig-Bampton技术和刚性RBE2连接元素进行全规模;在第二个,拟议的MPC连接元素已经被使用。表3报告12全球模式的固有频率估计的详细有限元模型和两个等价的概念,结合比例差异每个概念模型和参考结构。的对角线值模态保证标准(MAC)矩阵(18),获得的噪音和振动LMS虚拟的环境。实验室报告。

它可以观察到,与刚性连接元素概念模型近似精确第一振动模式,频率和MAC值而言,尤其对轴向和弯曲振动;然而,对于flexural-torsional模式,显著差异之间的概念和详细的三维模型可以欣赏,最大值和平均值的38.73%和9.09%,分别。这意味着,关节的刚度是高估了,特别是当接口进行扭转变形。相反,第二种概念结构,提出MPC连接元素已经被使用,显示了所有模式,良好的精度最大和平均差值的4.53%和1.91%,分别。特别是涉及扭转变形的方式在一个或多个关节/梁界面,第二个概念模型是16倍比第一个概念模型更准确。

5。结论和展望

摘要新概念建模方法,使一个改善梁的准确性和联合的概念模型,提出和验证。对于一维梁等效元素,动态FE-based方法应用,能够定义等效梁模型特征的概念,从复杂3 d的弯曲和扭转固有频率光束模型。相反,对于联合概念建模,Craig-Bampton使用动态还原方法。该方法快速、准确,但强烈的影响铁的中心和边缘节点之间的连接元素联合/梁接口部分。出于这个原因,一个新的多点约束连接元素被定义和实现,为了周边节点的插入位移和获得中心节点的位移和旋转精度,增加相比传统的连接元素,如严格的蜘蛛。

评估该方法的准确性,应用案例进行了分析,包括三维结构的三个点焊接梁连接的关节具有相同截面几何。通过比较两个不同的概念模型(一个使用刚性RBE2和使用新的MPC连接第二个元素进行全规模的减少联合在SE)与详细的3 d模型的固有频率和MAC值,证明了该方法具有良好的预测精度。这证实提出MPC连接元素允许估计的质量和刚度特征减少关节在每个关节端截面更准确地比刚性蜘蛛。

提出的方法已被开发出来,目的是使早期预测车辆的静态和动态行为的身体已经在开发周期的概念阶段。然而,它值得注意到这样的概念建模技术也可以利用在其他应用领域。

下一步的研究目标是扩展该方法的适用性与一般结构截面形状。如果假设double-symmetry被移除,扭转和弯曲耦合的影响时必须考虑计算等效1 d梁属性和MPC梁系数/接头连接元素。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认,欧盟委员会的支持的居里夫人IAPP项目“互动”(创新概念建模技术的多属性优化活动车辆),合同号285808;看到http://www.fp7interactive.eu。

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