CN105740504B - 一种乘用车气瓶安装强度的建模方法、计算方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种乘用车气瓶安装强度的建模方法、计算方法及装置,所述建模方法包括:对用于装配气瓶安装结构的部分车身结构及所述气瓶安装结构的三维模型进行网格划分,得到零件网格模型;利用划分得到的零件网格模型,计算所述气瓶安装结构的1阶固有频率;根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数;利用划分得到的零件网格模型和所述有限元模型参数,创建气瓶安装强度的有限元模型。通过本发明得到的有限元模型适用性好,效率高,输出的气瓶安装强度的可靠性高。

Description

一种乘用车气瓶安装强度的建模方法、计算方法及装置
技术领域
本发明涉及压缩天然气(Compressed Natural Gas,CNG)乘用车气瓶安装强度,特别涉及一种乘用车气瓶安装强度的建模方法、计算方法及装置。
背景技术
目前,CNG作为一种清洁燃料,是汽车众多替代能源之一,由于其价格低廉和排污量小的优点,在越来越多定型的汽油车上应用,形成CNG汽车。尤其是在出租车上,进行了大量CNG改装,即在保留原车汽油系统基础上,增加一套CNG装置,形成“CNG双燃料汽车”。CNG装置一般包括燃气供给系统和安装装置两大部分。其中,燃气供给系统包含高压管路和高压气瓶,安装装置包括气瓶安装托架和气瓶绑带。由于CNG装置中的气瓶装有高压气体,因此必须对气瓶安装托架和气瓶绑带等安装装置的可靠性进行检验。
一般,检验气瓶安装强度的方法主要是物理试验法,国家强制法规GB19239-2013《燃气汽车专用装置的安装要求》规定了气瓶安装装置的静/动态强度试验方法。其中,静态强度试验方法是根据安装有气瓶及安装托架的整个白车身或者部分白车身的试件(以下简称被试件)的尺寸结构和原车安装方式,将被试件固定在专用试验台或者台车上;动态强度试验方法是将被试件固定在台车上,按照试验规定的载荷加载方法进行试验。实际中,由于物理试验法一般安排在研发阶段的后期,在时间上具有滞后性,此时,若气瓶的安装装置的强度不满足要求,则改善和提高均比较困难,同时物理试验法还存在准备周期长和成本较高的问题。
随着计算辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)分析技术的发展,以有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)为代表的结构分析技术在汽车领域得到了大规模应用,这种方法首先建立产品的有限元模型,然后提交至有限元软件计算,最后通过计算结果评估结构的力学性能。FEA方法能够实时跟踪产品的结构设计和变更过程,快速对产品的力学性能进行评估,不仅节省了产品结构的改善时间,缩短了研发周期,而且减少了试验被试件个数,降低了试验成本。
现有的结构强度的FEA方法主要包括隐式(Implicit)法和显式(Explicit)法,两种方法均将计算总时间离散成连续的多个时间分析步,然后按照时间分析步的先后顺序求解结构的有限元模型。其中,隐式法的每个时间分析步都需要对静态平衡方程进行迭代求解,并检查结果的收敛性,对于结构中存在大量接触、大的结构位移和变形等高度非线性问题,常常难以建立准确的有限元模型以反映结构的非线性变化过程,需要对实际结构进行简化或者大量的调试计算,才能获得比较符合实际结构的结果,其更适用于载荷作用时间较长,结构惯性效应不明显的准静态过程;显式法较隐式法在处理结构的大量接触,大的结构位移运动和变形等方面具有明显优势,更适合于载荷加载时间很短,结构惯性效应明显的瞬态过程,但其在计算结构的准静态过程时会引入惯性效应,需要采取有效的方法控制惯性效应。
CNG乘用车气瓶安装强度的有限元建模难点在于以下方面:
1、安装托架一般通过螺栓装配在车身上,固定气瓶的钢带(即气瓶绑带)也通过螺栓压紧在气瓶上,考虑到螺栓预紧力对气瓶的安装强度结果有很大影响,在有限元建模过程中必须考虑螺栓预紧力。
2、螺栓将钢带压紧在气瓶上,是一个存在大量接触,同时包含大变形和一定刚体位移的高度非线性过程。
隐式法能够计算螺栓预紧过程,可是由于存在大量接触,同时包含大变形和一定刚体位移的非线性效应,使得计算收敛困难,反复调整模型满足计算收敛性要求会非常耗费时间,常常计算收敛困难,反复调整模型满足计算收敛性要求会非常耗费时间,常使得最终的计算结果与真实的结构变化过程误差较大。
显式法也能够计算螺栓预紧力,并且在计算螺栓装配过程、气瓶绑带压紧气瓶过程、气瓶安装托架与白车身后地板装配的结构准静态载荷作用过程中,对于接触、大变形和刚体运动等不存在收敛困难,但在计算过程中会使得结构的惯性效应非常明显,从而使计算结果偏离结构真实的准静态过程。进一步地,现有文献中指出在采用显式法计算结构的准静态载荷过程时,可以通过增加总的计算时间的方法来减小惯性效应,但总的计算时间增加量并没有可以确定的依据,常常依靠经验或者大量的试算确定,同时,显式法的每一步计算时间通常在0.01毫秒左右,造成总的计算时间很长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种乘用车气瓶安装强度的建模方法、计算方法及装置,能够解决气瓶安装强度的有限元建模的问题,建模时间短,模型仿真结果可靠性高。
根据本发明的一个方面,提供了一种乘用车气瓶安装强度的建模方法,包括:
对用于装配气瓶安装结构的部分车身结构及所述气瓶安装结构的三维模型进行网格划分,得到零件网格模型;
利用划分得到的零件网格模型,计算所述气瓶安装结构的1阶固有频率;
根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数;
利用划分得到的零件网格模型和所述有限元模型参数,创建气瓶安装强度的有限元模型。
优选地,在所述对用于装配气瓶安装结构的部分车身结构及所述气瓶安装结构的三维模型进行网格划分,得到零件网格模型的步骤之后,还包括:
通过检查所得到的零件网格模型之间是否穿透和干涉,确定所得到零件网格模型是否满足网格划分质量要求。
优选地,所述利用划分得到的零件网格模型,计算所述气瓶安装结构的1阶固有频率的步骤包括:
通过对划分得到的零件网格模型进行装配,得到所述三维模型的模态有限元模型;
计算所述模态有限元模型的1阶固有频率,并将所述1阶固有频率作为所述气瓶安装结构的1阶固有频率。
优选地,所述通过对划分得到的零件网格模型进行装配,得到所述三维模型的模态有限元模型的步骤包括:
对划分得到的零件网格模型进行组合,得到所述三维模型的各个零件,并为所得到的忽略橡胶衬垫的其它零件设置单元属性和材料参数;
在所述其它零件之间建立点焊连接模型和焊缝连接模型;
在气瓶安装结构的气瓶绑带和气瓶之间建立约束模型;
建立螺栓将所述气瓶安装结构装配到所述部分车身结构的螺栓连接模型。
优选地,所述根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数的步骤包括:
根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,计算所述气瓶安装结构的最大振动周期;
利用所述气瓶安装结构的最大振动周期,确定连接所述气瓶安装结构和所述部分车身结构的螺栓的预紧过程的计算时间、螺栓预紧力随时间的变化曲线、用于控制结构惯性效应的临界阻尼参数及其作用时间;
其中,所述气瓶安装结构的模型参数包括所述计算时间、变化曲线、临界阻尼参数及其作用时间。
优选地,所述利用划分得到的零件网格模型和所述有限元模型参数,创建气瓶安装强度的有限元模型的步骤包括:
通过对划分得到的零件网格模型进行装配,得到所述三维模型的强度有限元模型;
利用所确定的有限元模型参数,对所述强度有限元模型进行参数设置,得到已设置参数的强度有限元模型作为气瓶安装强度的有限元模型。
优选地,所述通过对划分得到的零件网格模型进行装配,得到所述三维模型的强度有限元模型的步骤包括:
对划分得到的零件网格模型进行组合,得到所述三维模型的各个零件,并设置所述各个零件设置单元属性和材料参数;
在所述各个零件之间建立点焊连接模型和焊缝连接模型;
建立螺栓将所述气瓶安装结构装配到所述部分车身结构的螺栓连接模型;
建立所述各个零件网格模型之间的接触关系。
根据本发明的另一方面,提供了一种乘用车气瓶安装强度的计算方法,包括:
利用上述的乘用车气瓶安装强度的有限元建模方法,得到气瓶安装强度的有限元模型,并利用所得到的气瓶安装强度的有限元模型,确定气瓶安装强度。
根据本发明的另一方面,提供了一种乘用车气瓶安装强度的建模装置,包括:
网格划分模块,用于对用于装配气瓶安装结构的部分车身结构及所述气瓶安装结构的三维模型进行网格划分,得到零件网格模型;
频率计算模块,用于利用划分得到的零件网格模型,计算所述气瓶安装结构的1阶固有频率;
参数确定模块,用于根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数;
模型创建模块,用于利用划分得到的零件网格模型和所述有限元模型参数,创建气瓶安装强度的有限元模型。
根据本发明的另一方面,提供了一种乘用车气瓶安装强度的计算装置,包括:
上述乘用车气瓶安装强度的有限元建模装置,用于得到气瓶安装强度的有限元模型;
强度计算模块,用于利用所得到的气瓶安装强度的有限元模型,确定气瓶安装强度。
与现有技术相比较,本发明的有益效果在于:
1、本发明采用显式法计算气瓶安装结构的螺栓装配过程和气瓶绑带压紧气瓶过程,消除了采用隐式法时由于结构高度的非线性效应难以进行有限元建模的问题;
2、本发明通过气瓶安装结构的1阶固有频率,计算用来控制结构惯性效应的临界阻尼,能够控制结构动能的大小,使得结构的惯性效应很小;
3、本发明能够利用气瓶安装结构的1阶固有频率,确定准静态过程计算所需的总时间,也就是说,无需增加更多的计算时间,便能够得到稳定的准静态过程,仿真结果的可靠度很高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的乘用车气瓶安装强度的建模方法框图;
图2是本发明实施例提供的乘用车气瓶安装强度的建模装置框图;
图3是本发明实施例提供的乘用车气瓶安装强度的计算方法框图;
图4是本发明实施例提供的乘用车气瓶安装强度的计算装置框图;
图5是本发明实施例提供的乘用车气瓶安装强度的有限元建模的流程图;
图6是本发明实施例提供的气瓶安装结构的示意图;
图7是本发明实施例提供的气瓶安装静态强度仿真计算的动能和内能随时间的变化示意图;
图8是本发明实施例提供的气瓶安装动态强度仿真计算的螺栓轴力随时间的变化示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明,应当理解,以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
图1是本发明实施例提供的乘用车气瓶安装强度的建模方法框图,如图1所示,步骤包括:
步骤S101:对用于装配气瓶安装结构的部分车身结构及所述气瓶安装结构的三维模型进行网格划分,得到零件网格模型,并通过检查所得到的零件网格模型之间是否穿透和干涉,确定所得到零件网格模型是否满足网格划分质量要求。
所述三维模型是从实际的气瓶安装结构及部分车身结构抽象出来的几何模型,可以对原有结构的形状进行适当的简化、变换和处理,使得所建立的三维模型既能保持一定的分析精度,又能使网格划分和计算过程简化。所述三维模型可以采用CAD软件完成,然后通过CAD软件与的CAE软件的专用接口,将CAD软件建立的三维模型传递到CAE软件中。
网格划分质量是指网格几何形状的合理性,其质量好坏直接影响后续数值计算过程及计算结果的精度。因此,在通过自动划分网格等方式对三维模型进行网格划分后,需要进行网格质量检查,从而对质量差的网格进行修正,本实施例主要检查所得到的零件网格模型之间是否穿透和干涉,若存在穿透和干涉,则说明存在网格划分质量问题。
步骤S102:利用划分得到的零件网格模型,计算所述气瓶安装结构的1阶固有频率。
步骤S102包括:采用MSC NASTRAN软件,对划分得到的零件网格模型进行装配,得到所述三维模型的模态有限元模型,并在得到模态有限元模型后,对模态有限元模型进行求解,计算出模态有限元模型的1阶固有频率,并将所述1阶固有频率作为所述气瓶安装结构的1阶固有频率。其中,装配模态有限元模型的步骤包括:首先按照划分得到的零件网格模型的位置编号,对划分得到的零件网格模型进行组合,得到所述三维模型的各个零件,并为除橡胶衬垫外的其它零件设置单元属性和材料参数;然后在所述其它零件之间建立点焊连接模型和焊缝连接模型,在气瓶安装结构的气瓶绑带和气瓶之间建立约束模型,并建立螺栓将所述气瓶安装结构装配到所述部分车身结构的螺栓连接模型。
步骤S103:根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数。
步骤S103包括:根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,计算所述气瓶安装结构的最大振动周期,进一步说,所述气瓶安装结构的最大振动周期为1阶固有频率的倒数;利用所述气瓶安装结构的最大振动周期,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数。
所述气瓶安装强度的有限元模型参数包括:
连接所述气瓶安装结构和所述部分车身结构的螺栓的预紧过程的计算时间,所述计算时间略大于气瓶安装结构的最大振动周期,例如比最大振动周期大0.005s至0.015s,优选0.01s;
螺栓预紧力随时间的变化曲线,其中,螺栓预紧力通过螺栓拧紧扭矩、拧紧系数和螺杆直径计算,螺栓预紧力加载时间等于螺栓的预紧过程的计算时间。
用于控制结构惯性效应的临界阻尼参数及其作用时间,其中,对于静态强度有限元模型,临界阻尼参数通过气瓶安装结构的最大振动周期计算,作用时间为静态强度计算时间;对于动态强度有限元模型,临界阻尼参数仅在螺栓预紧过程中产生作用,参数值与静强度有限元模型的相同。
由于气瓶安装结构不会单独存在,其必然和车身等其它结构发生相互作用,因此在进行有限元分析时,待分析的结构与其它结构的关系则需要用载荷、位移约束等边界条件来考虑。因此,气瓶安装强度的有限元模型参数还进一步包括载荷和约束。
步骤S104:利用划分得到的零件网格模型和所述有限元模型参数,创建气瓶安装强度的有限元模型。
步骤S104包括:采用LS-DYNA软件,对划分得到的零件网格模型进行装配,得到所述三维模型的强度有限元模型,在得到强度有限元模型之后,利用所确定的有限元模型参数,对所述强度有限元模型进行参数设置,得到已设置参数的强度有限元模型作为气瓶安装强度的有限元模型。其中,装配强度有限元模型的步骤包括:首先对划分得到的零件网格模型进行组合,得到所述三维模型的各个零件,并设置所述各个零件设置单元属性和材料参数,然后在所述各个零件之间建立点焊连接模型和焊缝连接模型,建立螺栓将所述气瓶安装结构装配到所述部分车身结构的螺栓连接模型,建立所述各个零件网格模型之间的接触关系。
图2是本发明实施例提供的乘用车气瓶安装强度的建模装置框图,如图2所示,包括网格划分模块10、频率计算模块20、参数确定模块30和模型创建模块40。
网格划分模块10用于对用于装配气瓶安装结构的部分车身结构及所述气瓶安装结构的三维模型进行网格划分,得到零件网格模型,并对得到的零件网格模型的几何形状的合理性进行检验,从而确定是否满足网格划分质量要求。
频率计算模块20用于利用划分得到的零件网格模型,计算所述气瓶安装结构的1阶固有频率。具体地说,频率计算模块20采用MSC NASTRAN软件,将划分得到的零件网格模型装配为模态有限元模型,并通过对模态有限元模型进行求解,计算出模态有限元模型的1阶固有频率作为所述气瓶安装结构的1阶固有频率。
参数确定模块30用于根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数,包括连接所述气瓶安装结构和所述部分车身结构的螺栓的预紧过程的计算时间、螺栓预紧力随时间的变化曲线、用于控制结构惯性效应的临界阻尼参数及其作用时间,此外,还包括载荷、约束,以及其它控制参数。
模型创建模块40用于利用划分得到的零件网格模型和所述有限元模型参数,创建气瓶安装强度的有限元模型。模型创建模块40采用LS-DYNA软件,将划分得到的零件网格模型装配为强度有限元模型,具体包括静态强度有限元模型和/或动态强度有限元模型,在得到强度有限元模型之后,利用所确定的有限元模型参数,对所述强度有限元模型进行参数设置,得到已设置参数的强度有限元模型作为气瓶安装强度的有限元模型。
图3是本发明实施例提供的乘用车气瓶安装强度的计算方法框图,如图3所示,和图1所示实施例比较,进一步包括:
步骤S105:利用所得到的气瓶安装强度的有限元模型,确定气瓶安装强度。
将步骤S104得到的静态强度有限元模型和/或动态强度有限元模型提交至LS-DYNA求解器,得到静态强度有限元模型和/或动态强度有限元模型的计算结果,包括静态强度计算过程的能量输出曲线,动态强度计算过程的螺杆梁单元(即采用梁单元模拟形成的螺杆)的轴力输出曲线,螺栓的轴力,钣金件的塑性应变等,并根据所得到的计算结果,评估气瓶安装强度。
图4是本发明实施例提供的乘用车气瓶安装强度的计算装置框图,如图4所示,和图2所示实施例比较,进一步包括强度计算模块50,其利用所得到的气瓶安装强度的有限元模型,确定气瓶安装强度。
本发明基于显式法建立CNG乘用车气瓶安装强度的有限元模型,可以应用于北京现代悦动等CNG出租车型的气瓶安装结构方案的强度分析上。
图5是本发明实施例提供的乘用车气瓶安装强度的有限元建模的流程图,如图5所示,CNG汽车气瓶安装强度的有限元分析步骤包括:
步骤S201:开始建模。
步骤S202:获取CAD数模、材料参数、焊点位置和螺栓性能等参数。
图6是本发明实施例提供的气瓶安装结构的示意图,如图6所示,包括:CNG气瓶2、气瓶安装托架5(即气瓶支架)、气瓶绑带4、CNG气瓶2与气瓶安装托架5之间的橡胶衬垫3、与气瓶安装托架5通过螺栓装配的部分白车身结构1(主要是后地板、部分纵梁和横梁)。
获取CNG气瓶2、气瓶安装托架5、气瓶绑带4、橡胶衬垫3、部分车身结构1的CAD数模;
通过试验获的各零件的材料参数,并获取焊点焊缝的位置参数,其中,所述零件的材料参数主要包含钣金件的材料参数、橡胶垫的材料参数、焊点的材料参数;钣金件的材料参数主要包含密度、弹性模量、泊松比、真实应力应变曲线,应变率影响系数;橡胶垫的材料参数主要包含橡胶的密度、弹性模量、应变能函数;焊点的材料参数主要包括密度、弹性模量、泊松比、真实焊点拉伸、剪切试验曲线;上述零件的材料参数均可以通过试验获得;
通过查阅螺栓标准件手册,获得获取螺栓的性能和等级参数。
步骤S203:对获取零件的CAD数模进行网格划分和质量检查。
采用网格划分软件进行网格划分时,部分白车身1、气瓶安装托架5、气瓶绑带4等钣金件采用4节点和3节点壳(shell)单元,抽取钣金中面划分网格;CNG气瓶2、橡胶衬垫3等厚度较大的零件采用8节点hex8单元或6节点penta6单元划分网格,所有单元的基本尺寸为5mm,若不能保证所有网格的尺寸满足基本尺寸5mm,例如具有加强筋等小的结构特征的实际钣金件,则网格划分软件自动减小尺寸,从而使顺利完成网格划分,最后得到的单元尺寸不小于设定最小单元尺寸(例如2mm),雅克比不小于0.6等。划分完毕,网格划分软件根据预先设定的质量指标,检查各零件的网格模型无划分质量问题,各零件网格之间无穿透和干涉。
步骤S204:对零件的网格模型进行模态有限元模型装配。
模态有限元模型装配的详细步骤如下:
a)忽略橡胶衬垫网格模型,赋予其余各零件的单元属性参数和材料参数。
单元属性参数包括单元类型和厚度,材料参数包括弹性模量和泊松比。
b)建立零件之间的点焊连接模型。
采用六面体hex8实体单元为焊点,焊点与被焊接零件之间采用多点约束单元rbe3连接。
c)建立零件之间的焊缝连接模型。
采用刚性多点约束rbe2单元,被焊缝连接的零件之间的自由边上的网格节点近似一一垂直对应。
d)建立气瓶绑带与气瓶之间的约束模型。
采用绑定不分开接触类型,接触面的面积覆盖气瓶橡胶衬垫覆盖的范围。
e)建立螺栓连接模型。
采用刚性多点约束rbe2单元连接螺杆实际穿过零件孔的孔边沿。
步骤S205:对零件的网格模型进行强度有限元模型装配。
静/动态强度的强度有限元模型装配的详细步骤如下:
a)赋予各零件的单元属性和材料参数,赋予完毕再次进行网格的穿透和干涉检查,以保证所有零件的网格的最终质量。
白车身后地板等零件、气瓶安装托架等钣金件的材料参数包括:密度、弹性模量、泊松比、应力应变曲线;
橡胶衬垫的材料参数:密度、泊松比、应变能函数。
CNG气瓶采用不变形刚性材料,材料参数包含:密度、弹性模量、泊松比。
b)建立零件之间的点焊连接模型。
采用六面体hex8实体单元作为焊点,焊点与被焊接零件采用接触约束Contact_shell_edge_To_Surface_offset连接。
六面体焊点的材料属性包括:密度、弹性模量、泊松比、屈服模量、剪切模量。
c)建立零件之间的焊缝连接模型。
采用刚性约束rigidbody单元,被焊缝连接的零件的自由边上的网格节点近似一一垂直对应。
d)在螺栓连接位置建立螺栓连接模型。
采用螺栓单元实现螺栓连接,该螺栓单元包括螺栓头、螺母,以及连接螺栓头和螺母的螺杆。
螺杆采用梁(beam)单元模拟,具体地,采用焊点梁中的9号单元模拟;
螺母和螺栓头采用刚性的壳单元模拟,覆盖面积采用螺栓标准手册中规定的螺栓头的横截面面积。
其中,螺杆材料参数包括:密度、弹性模量、泊松比、屈服模量、剪切模量。
其中,螺母和螺栓头的材料参数包括:密度、弹性模量、泊松比。
其中,螺母和螺栓头所采用的壳单元的厚度采用螺栓标准件手册中规定的螺母厚度。
e)建立各零件之间的接触关系。
CNG气瓶、橡胶衬垫、气瓶绑带、气瓶安装托架、车身、螺栓头和螺母等在结构变化过程中与可能接触的零件采用自动单面接触,螺杆与可能接触的零件之间采用自动梁接触。
考虑到螺杆与周围孔边沿的接触,在孔边沿建立绕孔一周的空材料类型的梁单元(以下简称孔边梁单元),空材料类型梁的单元的直径取壳单元的厚度,材料属性设为与周围壳单元一致,然后建立螺杆梁单元与孔边梁单元的广义自动接触。
可见,对步骤S204划分完毕的零件网格模型进行有限元模型装配,分为两种类型:一种是步骤S204的基于近似求解装配完成的气瓶安装结构的1阶固有频率的模态有限元模型的装配,采用MSC NASTRAN软件完成;一种是步骤S205的基于求解气瓶安装静/动态强度的强度有限元模型的装配,采用LS-DYNA软件完成。
步骤S206:计算步骤S204中创建的气瓶安装结构的模态有限元模型,获得结构的1阶固有频率,也就是说,通过对所创建的模态有限元模型进行求解,得到1阶固有频率,具体包括以下步骤:
a)按照气瓶安装结构在台车上车身的固定方式对车身部分施加固定约束。
b)选择控制模态输出选项卡片EIGRL,选择输出第1阶模态的固有频率,提交MSCNASTRAN进行模态计算。
c)计算完毕,得到气瓶通过螺栓安装完成结构的1阶近似固有频率值等于20.3Hz。
步骤S207:根据步骤S206得到的1阶固有频率,计算强度有限元模型中螺栓预紧过程计算参数,也就是说,结合步骤S206中的1阶固有频率,创建步骤S205中强度有限元模型中螺栓预紧过程的计算时间和螺栓预紧力随时间的变化曲线,具体包括以下步骤:
a)根据步骤S206得到的1阶固有频率f,计算结构的最大振动周期T,并根据最大振动周期设置步骤S205中创建的强度有限元模型的螺栓预紧过程的计算时间,一般略大于最大振动周期时能够获得更好的计算结果。
例如,T=1/f=1/20.3=0.05s,设置螺栓预紧过程的计算时间略大于结构的最大振动周期的值,假设为0.06s。
b)根据结构的最大振动周期和螺栓预紧力,在螺杆梁单元上设置螺栓预紧力随时间的变化曲线。
上述螺栓预紧力通过拧紧扭矩与预紧力之间的关系式M=K*F*d计算,其中,M为螺栓拧紧扭矩,K为通常在0.2~0.4之间的拧紧系数,d为螺杆直径。按照气瓶安装结构上螺栓的性能等级,假设为M10螺栓,扭矩为50Nm,8.8级,计算螺栓的预紧力F为1.66KN,然后在螺杆梁单元上施加初始预紧力,预紧力的加载时间设置为与螺栓预紧过程的计算时间相同。
步骤S208:在螺栓预紧过程计算的基础上,设置气瓶安装静/动态强度有限元模型的载荷、约束、临界阻尼。
根据GB19239-2013标准中气瓶安装静/动态强度试验的载荷要求,分别设置气瓶安装静/动态强度有限元模型的载荷、约束及临界阻尼,为了保持静/动态模型建模的一致性,创建台车简化模型,静/动态有限元模型的约束均施加在台车上。
其中,气瓶安装静态强度有限元模型的参数设置如下:
a)载荷的设置。
按照静强度试验标准的规定,静强度载荷的大小为8KN,载荷的加载时间设为略大于步骤S207计算的气瓶安装结构的最大振动周期,设为0.06s,载荷的加载过程应在气瓶安装结构的螺栓预紧过程之后,即发生在0.06s~0.12s。
b)约束的设置。
按照静强度试验的要求,整个静强度计算时间,试验台应固定不动,本实施例选择台车作为静强度试验的试验台,建立简易台车模型,并约束台车六个方向的自由度。
台车简化模型的创建如下,按照实际试验的台车位置,在被试件的车身下部创建简化的台车刚性壳单元平面,台车的材料属性包括密度、弹性模量、泊松比。台车平面与车身按照试验的连接位置约束在一起。
c)临界阻尼的设置。
由于气瓶安装静强度计算采用显式法,结构运动的惯性效应不可避免,设置临界阻尼参数用于有效控制控制结构的动能不超过内能的5%,保证静强度计算结果的可靠性。临界阻尼参数的幅值采用关系式ξ=2ω=4πf计算,为255,其中,ξ为结构的临界阻尼,ω为结构的圆频率,f为结构的1阶固有频率。LS-DYNA中通过设置结构全局阻尼的方式引用系统的临界阻尼值。临界阻尼参数的作用时间应包含静强度计算的整个计算时间,即0~0.12s。
其中,气瓶安装动态强度有限元模型的参数设置如下:
a)载荷参数的设置。
按照动强度试验的要求,动强度采用台车碰撞模拟试验进行,因此,需要创建简化台车模型,创建的台车模型与静强度有限元模型中的相同,在此不再赘述。台车的加速度曲线可参照试验标准或者标杆CNG汽车的气瓶安装动强度试验的台车加速度曲线。
b)约束的设置。
在螺栓预紧力计算过程中,即0~0.06s,应当约束台车所有运动方向的自由度。动强度计算过程中,即0.06~0.12s,按照试验要求,每次试验,台车只能在前后或左右的单一方向运动,在加速度曲线作用的时间内,约束台车不发生加速度作用方向以外5个自由度方向的运动。
c)临界阻尼的设置。
动强度计算过程中,临界阻尼参数只在螺栓预紧过程中产生作用,即0~0.06s,设置方法与静强度有限元模型的一致。由于临界阻尼参数能够控制结构的惯性效应,因此,加速度曲线作用时间内,即0.06~0.12s,临界阻尼参数应为零。
步骤S209:设置气瓶安装静/动态强度仿真计算的其它控制参数,完成有限元模型的创建。
静/动态强度有限元模型计算控制参数均包括:
1、计算总时间(均为0.12s)
2、计算增量时间步
可以根据有限元模型的网格大小、材料的设置情况计算,本实施例为4E-7,即每0.004毫秒计算完成一个增量步。
3、沙漏控制(HOURGLASS)
例如选择类型4的沙漏控制模式,消除或消减计算过程中结构单元的零能变形,防止产生过大的沙漏,从而提高建模及计算结果的可靠性。
4、输出结果能量文件(GLSTAT)
5、输出螺杆梁单元结果文件(SWFORC)
步骤S210:计算控制参数设置完毕后,从前处理软件导出创建的有限元模型,提交至LS-DYNA求解器计算,以便得到用于通过监测计算过程确定计算合理性的能量结果,以及用于评价气瓶安装强度的应变结果、螺栓轴力和剪切力结果。
需要说明的是,传统的静态强度通常采用隐式法建模,动态强度采用显式法建模,本发明中气瓶安装的静动态强度均采用显式法进行有限元建模,只需修改载荷及计算控制参数即可满足不同的计算要求,大大节省了建模时间,提高了效率。
步骤S211:计算完毕,检查并评价输出的静/动态强度有限元模型的计算结果,包含以下内容:
a)检查能量结果,即能量输出曲线,特别是动能与内能随时间的变化曲线,由于5%的能量差异对静强度计算结果的精度影响很小,因此需要保证在总计算时间内动能不超过内能的5%。图7是本发明实施例提供的气瓶安装静态强度仿真计算的动能和内能随时间的变化示意图,如图7所示,动能不超过内能的5%,表明结构受外力做功大部分转化为结构的变形能,这与实际试验过程一致。
b)检查螺栓预紧过程,特别是螺栓轴力(即螺杆梁单元的轴向力)、弯矩、剪切力输出文件。以螺栓轴力为例,图8是本发明实施例提供的气瓶安装动态强度仿真计算的螺栓轴力随时间的变化示意图,如图8所示,在螺栓预紧力作用阶段,螺栓预紧力随时间变化的曲线与前述螺栓预紧力随时间的变化曲线一致,说明螺栓预紧的计算过程可靠,能够准确仿真螺栓装配过程;在加速度载荷作用阶段,随着加速度载荷的变化,连接气瓶安装托架和部分白车身结构的螺栓的轴力发生变化,不同位置螺栓的螺栓轴力的变化趋势也不再相同,取每条曲线上最大的轴力值,并利用该轴力值判断相应螺栓的强度是否满足要求。
c)根据螺栓的轴力、钣金件的塑性应变等计算结果对气瓶安装的静/动态强度结果进行评价。
进一步地,在上述步骤S209中还可以设置计算控制参数“输出结果动画文件(D3PLOT)”,从而在计算结束后,通过得到的动画文件,使计算过程更直观。
综上所述,本发明具有以下技术效果:
1、本发明适用性高,特别适用于需要考虑螺栓预紧力结构及依靠绑带压紧力固定气瓶等结构的有限元建模,类似的气瓶安装结构均可以使用本发明提供的方法进行有限元建模。
2、本发明建模可靠性高,能够准确评判气瓶安装强度是否满足要求。
尽管上文对本发明进行了详细说明,但是本发明不限于此,本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此,凡按照本发明原理所作的修改,都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种乘用车气瓶安装强度的建模方法,其特征在于,包括:
对用于装配气瓶安装结构的部分车身结构及所述气瓶安装结构的三维模型进行网格划分,得到零件网格模型;
利用划分得到的零件网格模型,计算所述气瓶安装结构的1阶固有频率;
根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数;
利用划分得到的零件网格模型和所述有限元模型参数,创建气瓶安装强度的有限元模型;
所述根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数的步骤包括:
根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,计算所述气瓶安装结构的最大振动周期;
利用所述气瓶安装结构的最大振动周期,确定连接所述气瓶安装结构和所述部分车身结构的螺栓的预紧过程的计算时间、螺栓预紧力随时间的变化曲线、用于控制结构惯性效应的临界阻尼参数及其作用时间;
其中,所述气瓶安装结构的模型参数包括所述计算时间、变化曲线、临界阻尼参数及其作用时间。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述对用于装配气瓶安装结构的部分车身结构及所述气瓶安装结构的三维模型进行网格划分,得到零件网格模型的步骤之后,还包括:
通过检查所得到的零件网格模型之间是否穿透和干涉,确定所得到零件网格模型是否满足网格划分质量要求。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述利用划分得到的零件网格模型,计算所述气瓶安装结构的1阶固有频率的步骤包括:
通过对划分得到的零件网格模型进行装配,得到所述三维模型的模态有限元模型;
计算所述模态有限元模型的1阶固有频率,并将所述1阶固有频率作为所述气瓶安装结构的1阶固有频率。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述通过对划分得到的零件网格模型进行装配,得到所述三维模型的模态有限元模型的步骤包括:
对划分得到的零件网格模型进行组合,得到所述三维模型的各个零件,并为所得到的忽略橡胶衬垫的其它零件设置单元属性和材料参数;
在所述忽略橡胶衬垫的其它零件之间建立点焊连接模型和焊缝连接模型;
在气瓶安装结构的气瓶绑带和气瓶之间建立约束模型;
建立螺栓将所述气瓶安装结构装配到所述部分车身结构的螺栓连接模型。
5.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述利用划分得到的零件网格模型和所述有限元模型参数,创建气瓶安装强度的有限元模型的步骤包括:
通过对划分得到的零件网格模型进行装配,得到所述三维模型的强度有限元模型;
利用所确定的有限元模型参数,对所述强度有限元模型进行参数设置,得到已设置参数的强度有限元模型作为气瓶安装强度的有限元模型。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述通过对划分得到的零件网格模型进行装配,得到所述三维模型的强度有限元模型的步骤包括:
对划分得到的零件网格模型进行组合,得到所述三维模型的各个零件,并设置所述各个零件设置单元属性和材料参数;
在所述各个零件之间建立点焊连接模型和焊缝连接模型;
建立螺栓将所述气瓶安装结构装配到所述部分车身结构的螺栓连接模型;
建立所述各个零件网格模型之间的接触关系。
7.一种乘用车气瓶安装强度的计算方法,其特征在于,包括:
利用权利要求1-6任意一项所述的乘用车气瓶安装强度的有限元建模方法,得到气瓶安装强度的有限元模型,并利用所得到的气瓶安装强度的有限元模型,确定气瓶安装强度。
8.一种乘用车气瓶安装强度的建模装置,其特征在于,包括:
网格划分模块,用于对用于装配气瓶安装结构的部分车身结构及所述气瓶安装结构的三维模型进行网格划分,得到零件网格模型;
频率计算模块,用于利用划分得到的零件网格模型,计算所述气瓶安装结构的1阶固有频率;
参数确定模块,用于根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数;
模型创建模块,用于利用划分得到的零件网格模型和所述有限元模型参数,创建气瓶安装强度的有限元模型;
所述根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,确定所述气瓶安装强度的有限元模型参数包括:
根据所述气瓶安装结构的1阶固有频率,计算所述气瓶安装结构的最大振动周期;
利用所述气瓶安装结构的最大振动周期,确定连接所述气瓶安装结构和所述部分车身结构的螺栓的预紧过程的计算时间、螺栓预紧力随时间的变化曲线、用于控制结构惯性效应的临界阻尼参数及其作用时间;
其中,所述气瓶安装结构的模型参数包括所述计算时间、变化曲线、临界阻尼参数及其作用时间。
9.一种乘用车气瓶安装强度的计算装置,其特征在于,包括:
如权利要求8所述的乘用车气瓶安装强度的有限元建模装置,用于得到气瓶安装强度的有限元模型;
强度计算模块,用于利用所得到的气瓶安装强度的有限元模型,确定气瓶安装强度。
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