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                    小車側面殼體抗壓性能優化測試方法

                    添加時間:2018/07/11 來源:未知 作者:admin
                    近年來隨著城市化腳步的加快促進了城市交通出行工具的發展, 在密集的城市叢林中, 汽車能夠帶領人們實現旅行、購物、商務洽談等各項業務[1-2]。由此汽車市場逐漸繁榮發展。但是在當前越來越多的城市中, 環境污染問題日益嚴重。
                    以下為本篇論文正文:

                      摘要:對汽車側面殼體抗壓強度的設計, 能夠有效保證車內人員生命安全。對汽車側面殼體的優化設計, 需要求解模型單元節點位置和應變率影響函數, 計算側面殼體的接觸力, 完成對汽車殼體強度的優化。傳統方法分析了側面殼體近側和遠側之間的抗壓性能差異, 對汽車有限元模型進行驗證, 但忽略了計算側面殼體的接觸力, 導致設計效果不理想。提出基于有限元分析的小型汽車側面殼體抗壓性能測試優化方法, 首先將CAD系統創建的小型汽車側面殼體三維模型導入有限元VPG軟件中, 建立各個構件特征的抗壓性能有限元模型;其次求解模型單元節點位置隨時間變化關系和應變率影響函數, 并計算側面殼體的接觸力;最后對小型汽車側面抗壓性能測試方法進行優化設計。仿真測試結果證明, 所提方法小型汽車側面殼體抗壓性能測試精度較高, 符合實際工況。

                      關鍵詞:汽車; 側面殼體; 抗壓強度; 優化設計;

                      Abstract:This article proposes a test optimization method for compression property of mini-car side shell based on finite element analysis. Firstly, a three-dimension model of mini-car side shell created by CAD system is imported into VPG software of finite element to found finite element model of compression property of each component, and then relationship between location of model unit node and time and influence function of strain rate is solved, and contact force of side shell is calculated. Finally, the optimization design for test method of compression property of mini-car side is achieved. The simulation results demonstrate that the method in this article has high accuracy for compression property test of mini-car side shell and conforms to actual working condition.

                      Keyword:Automobile; Side shell; Compression strength; Optimization design;

                      1、引言

                      近年來隨著城市化腳步的加快促進了城市交通出行工具的發展, 在密集的城市叢林中, 汽車能夠帶領人們實現旅行、購物、商務洽談等各項業務[1-2]。由此汽車市場逐漸繁榮發展。但是在當前越來越多的城市中, 環境污染問題日益嚴重, 且能源短缺日益凸顯, 相應出現的交通阻塞問題逐漸成為人們考慮購買汽車的主要問題。而在這樣的城市發展背景之下人們的目光開始關注小汽車[3-4]。從公眾利益角度出發, 當今城市發展對于公共交通更為提倡, 但是僅僅依靠公共交通無法滿足當今城市居民日益增長的出行需求。由此私人汽車開始逐漸替代公共汽車成為社會大眾的主要出行交通工具[5]。但是出于環境保護和我國的可持續發展理念考慮, 小型汽車作為出行工具既能夠充分滿足城市居民的出行需求, 又能夠緩解城市能源短缺以及交通阻塞等問題[6]。在所有交通事故發生的類型中, 翻滾事故是傷亡率最高的一種, 為此對小型汽車側面殼體抗壓性測試對于保證出行人員生命安全具有重要意義[7]。

                      為了降低小型汽車翻滾事故傷亡和風險, 提出了許多行之有效的小型汽車側面殼體抗壓性能測試方法, 應用比較廣泛的有基于有限元數值模擬的抗壓性能測試方法、基于FWVSS法規解讀的抗壓測試評價方法和基于翻滾機理的抗壓測試方法。其中文獻[8]評估了小型汽車不同滾動角以及小型汽車俯仰角組合對側面殼體強度的影響, 并且分析了側面殼體近側和遠側之間的抗壓性能差異, 通過小型汽車側面殼體抗壓實驗對小型汽車的有限元模型進行了驗證。該方法的抗壓性分析性能較好, 但是存在設計成本較高的問題。文獻[9]通過小型汽車側面殼體抗壓強度標準、側面殼體動態翻滾標準、小型汽車承壓防拋出標準, 分別從小型汽車側面殼體結構強度、小型汽車車身翻滾時側面殼體耐受程度和采光口結構強度以小型汽車的靜態壓潰、小型汽車的動態翻滾模擬和小型汽車的動態沖擊方式完成抗壓性測試。該方法存在建模計算耗時較長的問題。文獻[10]分析了小型汽車翻滾機理和受壓過程中側面殼體主要承力部件的受力情況, 根據上述分析結果確定小型汽車側面殼體承力部件對側面殼體抗壓強度的貢獻度, 并針對側面殼體主要承力部件進行抗壓性能測試。該方法存在建模精度較低的問題。

                      依據上述方法的前期研究成果, 對小型汽車側面殼體抗壓性能測試方法進行優化, 提出一種基于有限元分析的小型汽車側面殼體抗壓性能優化測試方法。

                      2、汽車側面殼體抗壓強度優化設計原理

                      首先對小型汽車側面殼體進行有限元建模, 同時進行單元網格劃分, 采用張量多項式強度準則評價對小型汽車側面殼體材料破壞所起的綜合影響;然后計算小型汽車側面殼體主要受3個方向應力之間的關系;最后將小型汽車側面殼體的張量多項式強度準則寫成屈服方程的形式, 實現小型汽車側面殼體的抗壓性能測試。

                      在實際應用過程中, 對小型汽車側面殼體進行有限元單元劃分, 假設σ表示小型汽車側面殼體的所有應力;Fi和Fij表示小型汽車側面殼體材料強度性能參數。采用張量多項式強度準則評價σ對小型汽車側面殼體材料破壞所起的綜合影響, 其計算表達式如下

                    小型汽車側面殼體材料破壞所起的綜合影響

                      其中, σi和σj表示小型汽車側面殼體的應力分量。

                      當小型汽車側面殼體正交各向異性軸與主應力軸方向一致時, 上述式 (1) 可以轉化為以下形式:

                    上述式 (1) 可以轉化形式

                      式中, σ1、σ2、σ3表示小型汽車側面殼體主要受3個方向的應力。

                      由于小型汽車側面殼體可知以及構件關于主應力軸對稱, 則上述式 (2) 中的參數具有以下關系, 其表達式為

                    參數具有以下關系

                      根據上式可知, 需要確定的小型汽車側面殼體強度性能參數只有6個, 分別為F1、F11、F23、F2、F12、F22。則

                    則寫成屈服方程的形式

                      其中, fy, c代表小型汽車側面殼體的橫向抗壓強度, 小型汽車側面殼體材料強度性能參數Fij通過采用馮米塞斯準則的廣義化方程計算獲得, 其大小即滿足上式 (4) , 且上述條件能夠保證小型汽車側面殼體破壞面的封閉, 不致產生強度無限大的不合理情況。

                      假設σe表示小型汽車側面殼體的有效應力;ai表示小型汽車側面殼體屈服面中心點的位置;k表示側面殼體屈服面的大小, 是側面殼體的材料強度;Mij表示側面殼體的屈服面強度, 是側面殼體的強度參數。

                      將小型汽車側面殼體的張量多項式強度準則寫成屈服方程的形式, 其表達式如下

                    其表達式如下

                      其中, aj與ai意義相同, 將上述式 (4) 和 (5) 合并可得

                    上述式 (4) 和 (5) 合并可得

                      綜上所述為汽車側面殼體抗壓強度優化原理, 根據此原理對汽車側面殼體的強度進行設計。

                      3、汽車側面殼體抗壓強度優化設計方法

                      3.1、小型汽車側面殼體抗壓性有限元模型的建立

                      在對小型汽車側面殼體進行抗壓性能測試的過程中, 將CAD系統創建的小型汽車側面殼體三維模型導入有限元VPG軟件中, 進行小型汽車側面殼體有限元模型創建, 并進行網格劃分, 定義小型汽車側面殼體有限元模型各個構件單元類型、材料屬性以及連接方式等, 建立小型汽車側面殼體各個構件特征的抗壓性能有限元模型。具體建模過程如下所述:

                      將CAD系統創建的小型汽車側面殼體三維模型導入有限元VPG軟件中, 進行小型汽車側面殼體有限元模型創建。如圖1所示。定義小型汽車側面殼體有限元模型單元類型, 小型汽車側面殼體主要有薄板沖壓后經焊接拼裝而成, 汽車車身采用薄殼Shell 163單元建模, 采用Topology技術對小型汽車側面殼體進行網格劃分, 有限元模型單元采用5點積分的S/R Hughes-Liu算法, 小型汽車的其它零購件等采用實體Solid 164單元建模, 小型汽車側面殼體有限元網格劃分后, 共包括90000個節點, 102466個單元。定義有限元模型材料屬性, 根據汽車側面殼體結構強度要求, 汽車車身主要為較高拉伸特性的低碳鋼薄板鋼, 采用LS-DYNA中的分段線性材料模型。根據實際小型汽車側面殼體抗壓性對比經驗值, 在簡化汽車車體上配置800kg的質量, 汽車側面殼體選用彈塑性材料, 其材料密度為8.61kg/mm3, 材料彈性模量為207GPa, 相應的材料泊松比為0.28, 屈服極限為235MPa。

                    圖1 小型汽車側面殼體有限元模型
                    圖1 小型汽車側面殼體有限元模型

                      對小型汽車側面殼體抗壓性測試的過程中, 對于側面殼體的任意部分都滿足動量守恒定量, 根據柯西動量方程, 以下等式成立

                    柯西動量方程

                      其中, φij表示小型汽車側面殼體的科學應力張量;xj表示側面殼體的質點坐標;ρ表示側面殼體的瞬時密度;hi表示側面殼體的體積力;¨xi表示加速度。則小型汽車側面殼體抗壓過程中的總能量計算表達式如下

                    小型汽車側面殼體抗壓過程中的總能量計算表達式

                      其中, v代表小型汽車車速;m代表小型汽車側面殼體抗壓質量。

                      小型汽車側面殼體抗壓過程中的塑性應變能計算表達式如下

                    抗壓過程中的塑性應變能計算表達式

                      其中, Sij表示側面殼體應力偏張量;εij表示側面殼體的應變速率張量;V表示側面殼體體積。

                      則求得的小型汽車側面殼體屈服方程表達式如下

                    關系可由虎克定律表示

                      假設Ctijmn表示小型汽車側面殼體的彈性剛度張量, 則小型汽車側面殼體的彈性應力增量dσij與小型汽車側面殼體的應變增量dεmn之間的關系可由虎克定律表示, 其表達式為

                    關系可由虎克定律表示

                      式中, λ代表小型汽車側面殼體塑性加載歷史的非負變量函數;g表示側面殼體的塑性勢能函數。

                      3.2、小型汽車側面殼體抗壓性有限元求解與分析

                      依據上述建立的小型汽車側面殼體有限元模型, 采用中心差分法中的顯示積分法求解模型單元節點位置隨時間變化關系;然后計算小型汽車側面殼體應變率影響函數, 通過采用罰函數與拉格朗日乘子法計算小型汽車側面殼體的接觸力;最后采用基于響應面模型技術的穩健優化設計方法, 對小型汽車側面抗壓性能測試方法進行優化設計, 優化過程中考慮了側面殼體抗壓參數和抗壓工況的波動, 并通過DOE方法提高小型汽車側面殼體響應面模型的精度。詳細操作過程如下。

                      假設φj表示小型汽車側面殼體參數坐標系 (ξ, η, ζ) 中的插值函數;κ表示側面殼體有限元模型單元節點數;xij是側面殼體有限元第j個節點沿著i方向的坐標。如果在一個參考環境中加入具有內部節點相連的小型汽車側面殼體有限元網格體系, 則它的單元節點位置隨時間變化關系表達式為

                    則它的單元節點位置隨時間變化關系表達式

                      其中, Xa (a=1, 2, 3) 表示小型汽車側面殼體在某一點Bt上的初始位置;t表示側面殼體摩擦力;a表示側面殼體有限元節點加速度向量。如果側面殼體劃分為n個單元, 可以近似得到以下方程

                    可以近似得到以下方程

                      其中, N表示小型汽車側面殼體插值函數矩陣;σ表示側面殼體柯西應力向量;B表示側面殼體應變-位移矩陣;b表示側面殼體體積載荷向量。以上小型汽車側面殼體抗壓模擬計算中均采用中心差分的顯示積分法進行處理。

                      假設σr表示小型汽車側面殼體的應變率;σ0表示側面殼體的初始屈服應力;ε表示側面殼體的應變;C和P表示側面殼體的應變率參數;εPeff表示側面殼體的有效塑性應變;EP表示側面殼體的變化模量;β表示側面殼體的調整硬化參數。使用一個包括Cowper-Symbols乘子的冪函數本構關系來描述小型汽車側面殼體應變率影響, 該函數計算公式如下

                    該函數計算公式

                      假設M代表小型汽車側面殼體的質量矩陣;·S·代表側面殼體的加速度矢量;Fe代表側面殼體的外力矢量;Fc代表側面殼體的接觸力矢量;Fi代表側面殼體的內力矢量。在小型汽車側面殼體抗壓性測試模擬計算中接觸問題的處理實質上是側面殼體的接觸力計算, 通過采用罰函數與拉格朗日乘子法進行計算, 其表達式為

                    其表達式

                      以實際應用為出發點, 采用基于響應面模型技術的穩健優化設計方法, 對小型汽車側面抗壓穩健性優化設計, 優化過程中考慮了側面殼體抗壓參數和抗壓工況的波動, 并通過DOE方法提高小型汽車側面殼體響應面模型的精度, 則對小型汽車側面殼體抗壓性測試優化問題的數學模型表示如下

                    對小型汽車側面殼體抗壓性測試優化問題

                      其中, mtot表示小型汽車側面殼體參與優化構件的質量總和;Dk和Vk分別表示小型汽車側面殼體抗壓點的侵入量與侵入速度;DkL和VkL表示小型汽車側面殼體抗壓點的侵入量Dk與侵入速度Vk的設計上限 (為常數) ;xiL和xiU分別表示xi的設計下限和設計上限;n'表示小型汽車側面殼體抗壓性測試優化設計變量個數。

                      4、仿真結果與分析

                      4.1、仿真環境與相關參數設置

                      仿真測試時, 將小型汽車固定于剛性水平面上, 保證汽車車輪不與地面發生接觸, 采用加載裝置以一定角度對側面殼體的特定位置進行加載, 加載完成后測量小型汽車側面殼體壓潰力大小以及壓潰距離。仿真測試裝置分解示意圖如圖2所示。

                      在進行仿真測試時, 為了節約時間成本, 將小型汽車側面殼體有限元模型進行簡化處理, 建立符合國際標準的剛性面模型, 整個加載過程在150s內完成, 同時需要在側面殼體加載裝置移動量達到135mm時考察汽車側面殼體加載點所承受的荷載大小。分析過程中設置側面殼體剛性面地加載位移為150mm, 加載時間為0.2s。

                    圖2 小型汽車側面殼體抗壓測試裝置分解圖
                    圖2 小型汽車側面殼體抗壓測試裝置分解圖

                      4.2、仿真結果有效性驗證與分析

                      所提方法中小型汽車整車整備質量為430kg, 1.5倍的小型汽車整車整備質量加載力F'為

                    小型汽車整車整備質量加載力

                      輸出小型汽車側面殼體壓潰仿真測試分析中剛性面作用力的曲線圖如圖3所示。根據圖3可以看出, 當小型汽車剛性面運動為0.028s時, 小型汽車剛性面作用力第一次達到17346N, 滿足我國小型汽車側面殼體抗壓強度法規的要求, 但是, 當小型汽車側面殼體剛性面加載到127mm的位移時, 作用在小型汽車側面殼體剛性面上的力為37025N。按照美國IIHS-NCAP的星級評價標準來看小型汽車側面殼體的抗壓性能只能達到及格標準 (Marginal) , 由此說明, 小型汽車側面殼體雖然能滿足我國的法規要求, 但是其實際抗壓性能還不夠理想, 可以根據仿真測試結果進一步提高側面殼體的抗壓能力。所提方法通過對小型汽車側面殼體主要承力構件進行優化設計, 提高側面殼體的抗壓性能。

                    圖3 小型汽車剛性面作用力曲線變化圖
                    圖3 小型汽車剛性面作用力曲線變化圖

                      圖4表示小型汽車側面殼體壓潰過程中的位移變化, 從圖4中可以看出, 小型汽車側面殼體隨時間的變化過程, 整個變化過程顯示大致經歷了4個階段, 分別為小型汽車側面殼體的線彈性階段、側面殼體的彈塑性階段、側面殼體的塑性坍塌階段和側面殼體的密實化階段。而圖5展示了小型汽車側面殼體受載力變化情況, 根據圖5可知, 小型汽車側面殼體在線彈性階段保持線性關系, 發生的壓潰力位移變化較小, 當側面殼體的荷載力為N左右時側面殼體達到臨界屈曲, 此后側面殼體的載荷力曲線斜率變得極小, 達到側面殼體的彈塑性階段和側面殼體的彈塑性坍塌階段, 側面殼體的載荷力變化不大但壓潰力位移變化較大, 當側面殼體的應變達到壓實應變階段時, 側面殼體應變的任何危險增加都會使得小型汽車側面殼體應力迅速增加。

                    圖4 小型汽車側面殼體壓潰力-位移變化過程
                    圖4 小型汽車側面殼體壓潰力-位移變化過程

                    圖5 小型汽車側面殼體載荷力-位移變化過程
                    圖5 小型汽車側面殼體載荷力-位移變化過程

                      綜上分析, 小型汽車側面殼體壓潰力-位移變化波形和波峰出現的時間能夠準確描繪小型汽車側面殼體實際壓潰變形過程, 說明采用所提方法優化設計的小型汽車側面殼體有限元模型抗壓性模擬精度較高, 符合實際工況。

                      5、結論

                      所提方法參考國內外小型汽車側面殼體抗壓強度標準, 分析了汽車翻滾機理和側面殼體抗壓強度的仿真測試方法, 對建立的小型汽車側面殼體有限元模型進行了抗壓性仿真分析, 通過對比側面殼體主要承力構件的受力情況, 獲得了側面殼體各個構件對抗壓強度的貢獻度, 并針對側面殼體主要承力構件的受載力情況進行了優化設計, 通過仿真測試結果證明, 所提方法大大提高了小型汽車側面殼體抗壓性能, 能夠進一步降低小型汽車在翻滾事故中乘客的受傷率, 為小型汽車側面殼體構件的相關性能設計提高了參考價值。

                      參考文獻
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