白車身靈敏度
關(guān)注創(chuàng)建者：?_1829 創(chuàng)建時(shí)間：2021-04-08
白車身靈敏度的視頻教程
白車身扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析
主要介紹下汽車行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的白車身扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析，這個(gè)也是我之前列的汽車行業(yè)入門課程中的其中一節(jié)。 然后附件是2018年歐洲車身會(huì)議Audi A6/7 的官方技術(shù)展示，剛?cè)胄衅嚨呐笥芽梢钥纯础?/p>
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白車身靈敏度的實(shí)例教程
1案例背景：
白車身剛度一般用靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度來(lái)表示，靜態(tài)剛度主要有車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩個(gè)方面，動(dòng)態(tài)剛度主要體現(xiàn)在車身模態(tài)頻率和振型上。由圖1不難看出，白車身對(duì)于整車彎扭剛度的貢獻(xiàn)率均高于60%，所以白車身剛度是滿足車身結(jié)構(gòu)力學(xué)要求的基礎(chǔ)，合理的靜態(tài)剛度是保證車身裝配準(zhǔn)確、使用正常和疲勞壽命的前提。白車身剛度影響著汽車操縱穩(wěn)定性、舒適性、行駛平順性以及NVH等各項(xiàng)性能。 同時(shí)汽車輕量化也是近些年來(lái)汽車人一直在追求的目標(biāo)。因此在保證白車身性能滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求時(shí)，盡可能降低車身質(zhì)量，既能節(jié)省材料成本，也能降低汽車行駛中的油耗。所以本案例以某汽車白車身為例，基于靈敏度分析，以彎扭剛度性能為約束，以質(zhì)量最小為目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行鈑金結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化。
圖1 汽車部件剛度貢獻(xiàn)率
2.彎扭剛度以及模態(tài)分析過(guò)程
由于汽車白車身包含很多細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，一些細(xì)節(jié)或者細(xì)小零件對(duì)于車身整體性能影響不大，但是會(huì)增加仿真的復(fù)雜程度，因此根據(jù)簡(jiǎn)化要求，對(duì)某車型白車身進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如圖2所示。并按照一般企業(yè)流程，對(duì)幾何模型進(jìn)行有限元前處理，規(guī)范如圖3所示，有限元模型如圖4所示。
展開(kāi) Optistruct對(duì)車身鈑金件厚度靈敏度分析結(jié)果輸出設(shè)置方法：靈敏度的輸出結(jié)果有三種形式：1、Sensitivity output in Microsoft Excel SYLK format.生成：slk文件，直接用excel打開(kāi)就可以看。對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵字：Sensitivity或者SENSOUT，結(jié)果如下圖。
方法2：結(jié)果形式
方法3：結(jié)果形式
現(xiàn)在以白車身剛度分析來(lái)驗(yàn)證這條技術(shù)路徑。白車身剛度分為扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，是整車的重要性能指標(biāo)。
白車身扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度加載方式如下
白車身扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度計(jì)算公式是：扭轉(zhuǎn)剛度=扭矩/扭轉(zhuǎn)角（N.M/DEG）；彎曲剛度=力/位移（N/MM）。
影響白車身剛度的因素有料厚、結(jié)構(gòu)（整車尺寸、接頭形式、關(guān)鍵斷面）和材料（鋼、鋁合金、碳纖維）。為了減少計(jì)算規(guī)模，這個(gè)示例僅考慮料厚因素，但基本過(guò)程都是一樣的。其中使用的CAE計(jì)算軟件是Nastran，程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是Python。
示例中鈑金件數(shù)為368個(gè)，對(duì)應(yīng)同樣數(shù)目的料厚PSHELL變量。就算每個(gè)件料厚只考慮最小和最大兩種情況，以及對(duì)稱件情況，則所有料厚組合方案大約為2^200，數(shù)量巨大，根本不可能用CAE軟件計(jì)算一遍，因此首先需要進(jìn)行靈敏度分析，篩選出12個(gè)料厚變量（對(duì)應(yīng)21個(gè)件，因?yàn)閷?duì)稱件料厚是一致的）。相對(duì)于2^200個(gè)方案，現(xiàn)在只需要計(jì)算2^12=4096個(gè)方案即可。實(shí)際應(yīng)用中，如果不屬于這21個(gè)件范圍內(nèi)的部件料厚改變，可以直接認(rèn)為對(duì)白車身剛度影響極小。
示例白車身中靈敏度最高的21個(gè)鈑金件分布如下：
在4096個(gè)料厚方案自動(dòng)計(jì)算完畢后，將變量和結(jié)果輸入到機(jī)器學(xué)習(xí)程序中進(jìn)行訓(xùn)練，輸出規(guī)則模型并保存。
展開(kāi) 車身是汽車的重要組成部分，其重量約占整車重量的50%，采用CAE仿真分析對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效降低汽車自重。
作為輕量化的重要手段和工具，本文以靈敏度為手段，車身厚度為設(shè)計(jì)變量，以車身重量最小為優(yōu)化目標(biāo)，以車身剛度、模態(tài)頻率為約束條件，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)有效減重。
以某車型白車身為例，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件OptiStruct，以扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析為基礎(chǔ)并應(yīng)用優(yōu)化算法，在重點(diǎn)保證白車身扭轉(zhuǎn)剛度和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能的前提下，以車身質(zhì)量的最小化為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化各車身零件的厚度，實(shí)現(xiàn)減重31Kg，同時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度和尾門框菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率均有一定程度的提高，最后應(yīng)用輕量化系數(shù)進(jìn)行了基于扭轉(zhuǎn)剛度和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的輕量化評(píng)價(jià)。
靈敏度基本原理
車身結(jié)構(gòu)分析中的靈敏度分析是分析車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)uj（即設(shè)計(jì)目標(biāo)）的變化對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)xi變化的敏感性，其敏感性定義為
優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
基于車身結(jié)構(gòu)剛度和固有頻率的優(yōu)化問(wèn)題數(shù)學(xué)模型為：
有限元仿真建模
利用HyperMesh前處理建立某車型白車身有限元模型，采用acm單元模擬車身實(shí)體焊點(diǎn)，采用三角形和四邊形網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，車身有限元模型如圖1所示，其中單元總數(shù)為680257個(gè)，四邊形單元591092，三角形單元1747個(gè)，三角形比例為2.87%，焊點(diǎn)總數(shù)為6557個(gè)。鈑金材料屬性：鋼（Steel），彈性模量（E）=210000MPa，泊松比=0.3，密度=7.9g/mm3。
圖1某車型白車身有限元模型
扭轉(zhuǎn)剛度及靈敏度計(jì)算
白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度作為白車身性能評(píng)價(jià)指標(biāo)中比較重要的一種，用于反映白車身結(jié)構(gòu)最基本的靜態(tài)特性。因?yàn)槠囆旭傔^(guò)程中受到車輪作用而產(chǎn)生整車扭轉(zhuǎn)的情況非常普遍，因而白車身抗扭能力大小，直接影響到白車身疲勞壽命及白車身的舒適性。
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白車身靈敏度的最新內(nèi)容
Optistruct對(duì)車身鈑金件厚度靈敏度分析結(jié)果輸出設(shè)置方法：靈敏度的輸出結(jié)果有三種形式：1、Sensitivity output in Microsoft Excel SYLK format.生成：slk文件，直接用excel打開(kāi)就可以看。對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵字：Sensitivity或者SENSOUT，結(jié)果如下圖。
方法2：結(jié)果形式
方法3：結(jié)果形式
示例白車身中靈敏度最高的21個(gè)鈑金件分布如下：
在4096個(gè)料厚方案自動(dòng)計(jì)算完畢后，將變量和結(jié)果輸入到機(jī)器學(xué)習(xí)程序中進(jìn)行訓(xùn)練，輸出規(guī)則模型并保存。
1案例背景：
白車身剛度一般用靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度來(lái)表示，靜態(tài)剛度主要有車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩個(gè)方面，動(dòng)態(tài)剛度主要體現(xiàn)在車身模態(tài)頻率和振型上。由圖1不難看出，白車身對(duì)于整車彎扭剛度的貢獻(xiàn)率均高于60%，所以白車身剛度是滿足車身結(jié)構(gòu)力學(xué)要求的基礎(chǔ)，合理的靜態(tài)剛度是保證車身裝配準(zhǔn)確、使用正常和疲勞壽命的前提。白車身剛度影響著汽車操縱穩(wěn)定性、舒適性、行駛平順性以及NVH等各項(xiàng)性能。 同時(shí)汽車輕量化也是近些年來(lái)汽車人一直在追求的目標(biāo)
載荷條件為在左右前懸架彈簧支座位置施加大小相等、方向相反的垂力7350N，施加扭矩為前軸許用軸荷，扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算計(jì)算公式如下：
計(jì)算結(jié)果
通過(guò)公式（2）得到前懸相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為0.726deg，通過(guò)公式（1）得到扭轉(zhuǎn)剛度為11472N·m/deg，其左前縱梁扭轉(zhuǎn)位移曲線圖見(jiàn)下圖：
圖2扭轉(zhuǎn)位移曲線圖
靈敏度計(jì)算及結(jié)果
結(jié)構(gòu)靈敏度是指所關(guān)注的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)對(duì)某些結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化梯度，白車身扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析是車身扭轉(zhuǎn)剛度的變化對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)變化的敏感性
