CN107506545A - 城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，包括如下步骤：步骤一：建立包括车体骨架、胶粘剂和蒙皮的整体有限元模型；步骤二：建立与所述整体有限元模型相对应的车体骨架有限元模型和多个包括局部蒙皮和胶粘剂的局部有限元模型，多个局部有限元模型的局部蒙皮构成步骤一所述蒙皮；步骤三：对所述车体骨架有限元模型进行强度分析，获得所述车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移，其中多个节点O’对应于所述整体有限元模型的胶粘点；步骤四：将所述车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移分别加载至多个所述局部有限元模型对应的多个节点O上进行强度分析。本发明的分析方法计算规模和计算成本低，计算效率高，计算结果偏于安全。

Description

城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法

技术领域

本发明涉及一种粘接强度分析方法，具体涉及一种城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法。

背景技术

城轨车辆的车身一般由车体骨架和蒙皮组成，为了实现轻量化，采用轻质复合材料作为蒙皮已经成为未来发展的趋势。焊接等传统连接技术无法满足复合材料蒙皮与车体骨架的连接要求，胶接成为一种具有良好应用前景的新型连接工艺。为了确保蒙皮的粘接强度，在设计阶段需要对蒙皮进行相应的强度分析。

传统的蒙皮粘接强度分析方法通常是建立车体骨架、胶粘剂和蒙皮的整体有限元模型进行分析；由于蒙皮面积较大，而胶层厚度很小，要满足胶层的单元质量，会导致整体有限元模型单元的数量巨大，该分析方式对计算机的硬件及计算能力的要求较高，除了小部分超大型高性能计算机之外，大部分计算机都无法完成其计算分析。

发明内容

本发明提供一种城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，该分析方法大大降低了计算规模和计算成本，大幅度提高了计算效率，计算结果偏于安全，完全能够满足工程设计要求。

本发明提供一种城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，包括如下步骤：

步骤一：建立包括车体骨架、胶粘剂和蒙皮的整体有限元模型；

步骤二：建立与所述整体有限元模型相对应的车体骨架有限元模型和多个包括局部蒙皮和胶粘剂的局部有限元模型，多个局部有限元模型的局部蒙皮构成步骤一所述蒙皮；

步骤三：对所述车体骨架有限元模型进行强度分析，获得所述车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移，其中多个节点O’对应于所述整体有限元模型的胶粘点；

步骤四：将所述车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移分别加载至多个所述局部有限元模型对应的多个节点O上进行强度分析。

本发明的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，将整体分析与局部分析相结合，鉴于蒙皮对车体骨架强度的贡献较小，在车体骨架强度分析时忽略蒙皮对车体骨架的影响，使胶粘剂的应力和变形略微偏大，分析结果略偏于安全，完全可以满足工程要求；特别是，上述城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法降低了有限元模型的计算规模，提高了计算效率，降低了计算成本，对计算机的硬件及计算能力的要求相对较低。

在本发明中，所述车体骨架有限元模型中的多个节点O’可以设置为车体骨架与蒙皮之间的胶粘点；所述局部有限元模型中的多个节点O可以为蒙皮与车体骨架之间的胶粘点，每一节点O与每一节点O’对应设置。可以理解的是，在将车体骨架有限元模型中的多个节点O’与多个局部有限元模型中的多个节点O一一对应且相互胶粘时，即构成所述整体有限元模型。

本发明对所述整体有限元模型的建立方式不作严格限制，可以采用本领域的常规方式建立。例如，可以通过胶粘剂将蒙皮胶接在车体骨架上，从而建立所述整体有限元模型；其中，胶粘剂的胶粘位置构成所述整体有限元模型的胶粘点(即节点)。

进一步地，在本发明的具体方案中，所述整体有限元模型的建立方法可以包括：

在车体骨架上设置与所述车体骨架有限元模型中多个节点O’相对应的多个第一节点，在蒙皮上设置与多个所述局部有限元模型中多个节点O相对应的多个第二节点，通过胶粘剂将每一第一节点与每一第二节点胶粘，使蒙皮胶接在车体骨架上。

在本发明中，可以理解的是，局部蒙皮是由车身蒙皮分块设置而成；对蒙皮的分块设置方式不作严格限制，例如可以根据车体骨架的具体结构对蒙皮进行分块，只要多个局部蒙皮能够构成整体车身蒙皮即可。在将蒙皮分块为N块时，即具有N个局部蒙皮，该N个局部蒙皮构成整体蒙皮；相应地，建立N个局部有限元模型，即第一至第N个局部有限元模型。

在本发明中，可以采用本领域常规方式对所述车体骨架有限元模型进行强度分析；其中，所述位移可以包括平动位移D和转动位移R，从而能够更好地反映车体骨架的变形。

此外，对多个节点O在所述局部有限元模型上的设置位置不作严格限制，只要便于车体骨架与蒙皮形成良好的胶接连接即可，多个节点O例如可以位于所述局部有限元模型的边界上。可以理解的是，步骤三应当获得所述车体骨架有限元模型中所有节点O’的位移。

在本发明中，可以采用本领域常规方式对多个所述局部有限元模型的多个节点O进行强度分析；该强度分析可以获得胶粘剂的应力和变形，从而便于较好地反映蒙皮的粘接强度。

本发明对节点O’与节点O的对应方式不作严格限制；例如，每一节点O’与对应的节点O可以具有相同的空间坐标(x₀，y₀，z₀)，并且可以通过该相同的空间坐标(x₀，y₀，z₀)使每一节点O’与每一节点O相对应。

进一步地，还可以分别对所述车体骨架有限元模型中的多个节点O’和多个所述局部有限元模型中的多个节点O进行编号，从而便于对节点O’与节点O的空间坐标、位移等参数进行查找。

在本发明的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法中，步骤四可以包括：

1)根据每一节点O的编号查找其空间坐标(x₀，y₀，z₀)；

2)根据每一节点O的空间坐标(x₀，y₀，z₀)在所述车体骨架有限元模型中查找与每一节点O具有相同空间坐标的每一节点O’；

3)根据每一节点O’的空间坐标(x₀，y₀，z₀)查找其编号；

4)根据每一节点O’的编号查找其位移；

5)将所述车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移分别加载至多个所述局部有限元模型对应的多个节点O上进行强度分析。

具体地，将多个节点O’的位移分别加载至多个所述局部有限元模型对应的多个节点O上，指的是使多个所述局部有限元模型的多个节点O发生与其对应的节点O’相同的位移；即使D_xo＝D_xo’，D_yo＝D_yo’，D_zo＝D_zo’，R_xo＝R_xo’，R_yo＝R_yo’，R_zo＝R_zo’。

可以理解的是，上述步骤四应当获得多个所述局部有限元模型上所有节点O的位移，并且应当对多个所述局部有限元模型上的所有节点O进行强度分析，从而得到城轨车辆车身蒙皮的粘接强度。

本发明的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，通过实施上述各步骤，能够获得城轨车辆车身复合材料(即蒙皮)的粘接强度。上述分析方法可适用于各种工况；即，通过在各种工况下对车体骨架有限元模型进行强度分析，并结合上述各步骤，从而获得该工况下蒙皮的粘接强度。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法将城轨车身的整体有限元模型拆分成车体骨架有限元模型和多个包括局部蒙皮和胶粘剂的局部有限元模型，首先对车体骨架有限元模型的强度进行分析，再对各局部有限元模型的强度进行分析，避免了单元数量过大无法计算等问题，降低了计算规模，提高了计算效率。

2、本发明的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法在进行车体骨架有限元模型强度分析时忽略了蒙皮对车体骨架的影响，使得车体骨架变形略微偏大，导致局部有限元模型的应力和变形略微偏高，胶粘剂强度分析结果偏安全，可以确保实际结构满足强度要求。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明和实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，包括如下步骤：

步骤一：建立包括车体骨架、胶粘剂和蒙皮的整体有限元模型。

具体地，可以通过胶粘剂将蒙皮胶接在车体骨架上，建立整体有限元模型；其中，胶粘剂的胶粘位置构成胶粘点。

整体有限元模型的建立方法如下：

在车体骨架上设置与车体骨架有限元模型中多个节点O’相对应的多个第一节点，在蒙皮上设置与多个局部有限元模型中多个节点O相对应的多个第二节点，通过胶粘剂将多个第一节点与多个第二节点胶粘，使蒙皮胶接在车体骨架上。

其中，车体骨架有限元模型中的多个节点O’为车体骨架与蒙皮之间的胶粘点；多个局部有限元模型中的多个节点O为蒙皮与车体骨架之间的胶粘点，其位于胶粘剂与车体骨架粘接面上，每一节点O与每一节点O’对应设置，即节点O与节点O’具有相同的空间坐标(x₀，y₀，z₀)。此外，多个节点O可以位于局部有限元模型的边界上。在将车体骨架上的多个第一节点与蒙皮上的多个第二节点一一对应且相互胶粘时，即构成上述整体有限元模型。

步骤二：建立与整体有限元模型相对应的车体骨架有限元模型和多个包括局部蒙皮和胶粘剂的局部有限元模型，多个局部有限元模型的局部蒙皮构成步骤一蒙皮。

具体地，可以将整体有限元模型拆分为车体骨架有限元模型和多个局部有限元模型；其中，车体骨架有限元模型与整体有限元模型中的车体骨架一致；多个局部蒙皮为整体有限元模型中的蒙皮分块而成，即多个局部蒙皮共同构成整体有限元模型中的蒙皮。

步骤三：对车体骨架有限元模型进行强度分析，获得车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移，其中多个节点O’对应于整体有限元模型的胶粘点。

具体地，可以采用本领域常规方法对车体骨架有限元模型进行强度分析，从而获得车体骨架有限元模型中所有节点O’的位移；其中，位移可以平动位移D(即D_xo’、D_yo’、D_zo’)和转动位移R(即R_xo’、R_yo’、R_zo’)。

步骤四：将车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移分别加载至多个局部有限元模型对应的多个节点O上进行强度分析。

具体地，可以根据车体骨架有限元模型中每一节点O’的空间坐标(x₀，y₀，z₀)在多个局部有限元模型上查找与其对应的节点O；在找到每一节点O后，将其对应节点O’的位移加载至局部有限元模型对应的节点O上，即使局部有限元模型的节点O发生与其对应的节点O’相同的位移，也就是使D_xo＝D_xo’，D_yo＝D_yo’，D_zo＝D_zo’，R_xo＝R_xo’，R_yo＝R_yo’，R_zo＝R_zo’。

在获得多个局部有限元模型上所有节点O的位移后，可以采用本领域的常规方法对多个局部有限元模型上的所有节点O进行强度分析，直至分析完每一个局部有限元模型上的所有节点O，获得胶粘剂的应力和变形。

实施例二

本实施例以某城轨车辆车身左侧蒙皮(即某一局部蒙皮)的粘接强度分析方法为例，对本发明的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法进行详细说明，具体步骤如下：

步骤一：建立包括车体骨架、胶粘剂和蒙皮的整体有限元模型。

具体地，在车体骨架上设置与车体骨架有限元模型中多个节点O’相对应的多个第一节点，在蒙皮上设置与多个局部有限元模型中多个节点O相对应的多个第二节点，通过胶粘剂将多个第一节点与多个第二节点胶粘，使蒙皮胶接在车体骨架上。

其中，车体骨架有限元模型中的多个节点O’为车体骨架与蒙皮之间的胶粘点；多个局部有限元模型中的多个节点O为蒙皮与车体骨架之间的胶粘点，每一节点O与每一节点O’对应设置，节点O与节点O’具有相同的空间坐标(x₀，y₀，z₀)。此外，多个节点O可以位于局部有限元模型的边界上。在将车体骨架上的多个第一节点与蒙皮上的多个第二节点一一对应且相互胶粘时，即构成上述整体有限元模型。

步骤二：建立与整体有限元模型相对应的车体骨架有限元模型和多个包括局部蒙皮和胶粘剂的局部有限元模型，多个局部有限元模型的局部蒙皮构成步骤一蒙皮。

具体地，可以将整体有限元模型拆分为车体骨架有限元模型和多个局部有限元模型；其中，车体骨架有限元模型与整体有限元模型中的车体骨架一致；多个局部蒙皮为整体有限元模型中的蒙皮分块而成，即多个局部蒙皮共同构成整体有限元模型中的蒙皮。

步骤三：对车体骨架有限元模型进行强度分析，获得车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移，其中多个节点O’对应于整体有限元模型的胶粘点。

具体地，可以采用本领域常规方法对车体骨架有限元模型进行强度分析，从而获得车体骨架有限元模型中所有节点O’的位移；其中，位移可以平动位移D(即D_xo’、D_yo’、D_zo’)和转动位移R(即R_xo’、R_yo’、R_zo’)。

步骤四：对车体骨架有限元模型中的多个节点O’和多个局部有限元模型中的多个节点O进行编号，根据每一节点O的编号查找其空间坐标(x₀，y₀，z₀)。

具体地，以局部有限元模型边界上的任意节点O为例阐述位移传递的规律；该节点O的节点编号N为17518，根据该节点O的节点编号N查找至其空间坐标为(-3.897，2.50，1.311)。

以上述相同方式查找到所有节点O的空间坐标(x₀，y₀，z₀)。

步骤五：根据每一节点O的空间坐标(x₀，y₀，z₀)在车体骨架有限元模型中查找与每一节点O具有相同空间坐标的每一节点O’。

具体地，根据节点O的空间坐标(-3.897，2.50，1.311)查找到车体骨架有限元模型中与该节点O空间坐标一样的节点O’(-3.897，2.50，1.311)。

以上述相同方式查找到所有节点O’。

步骤六：根据每一节点O’的空间坐标(x₀，y₀，z₀)查找其编号。

具体地，根据节点O’的空间坐标(-3.897，2.50，1.311)，在车体骨架有限元模型上查找至该节点O’的节点编号N’为1591575。

以上述相同方式查找到所有节点O’的节点编号。

步骤七：根据每一节点O’的编号查找其位移。

具体地，根据节点O’的节点编号N’＝1591575，查找到该节点O’的平动位移和转动位移为：D_xo’＝-1.386×10^-03，D_yo’＝-2.058×10^-03，D_zo’＝-9.559×10^-03，R_xo’＝-4.678×10^-03，R_yo’＝-1.640×10^-03，R_zo’＝6.013×10^-04。

以上述相同方式查找到所有节点O’的平动位移和转动位移。

步骤八：将车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移分别加载至多个局部有限元模型对应的多个节点O上进行强度分析。

具体地，将节点O’的位移传递给节点O；即，D_xo＝-1.386×10^-03，D_yo＝-2.058×10^-03，D_zo＝-9.559×10^-03，R_xo＝-4.678×10^-03，R_yo＝-1.640×10^-03，R_zo＝6.013×10^-04。

以上述相同方式获得所有节点O的平动位移和转动位移。

随后，使局部有限元模型中的节点O发生上述平动位移和转动位移，并对该节点进行强度分析，直至分析完局部有限元模型上的所有节点O。

对其它局部蒙皮重复进行上述步骤四至步骤八，直至分析完所有局部蒙皮，完成全部蒙皮粘接结构的强度分析。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立包括车体骨架、胶粘剂和蒙皮的整体有限元模型；

步骤二：建立与所述整体有限元模型相对应的车体骨架有限元模型和多个包括局部蒙皮和胶粘剂的局部有限元模型，多个局部有限元模型的局部蒙皮构成步骤一所述蒙皮；

步骤三：对所述车体骨架有限元模型进行强度分析，获得所述车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移，其中多个节点O’对应于所述整体有限元模型的胶粘点；

步骤四：将所述车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移分别加载至多个所述局部有限元模型对应的多个节点O上进行强度分析。

2.根据权利要求1所述的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，其特征在于，通过胶粘剂将蒙皮胶接在车体骨架上，建立所述整体有限元模型；其中，所述胶粘剂的胶粘位置构成所述胶粘点。

3.根据权利要求2所述的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，其特征在于，所述整体有限元模型的建立方法包括：

在车体骨架上设置与所述车体骨架有限元模型中多个节点O’相对应的多个第一节点，在蒙皮上设置与多个所述局部有限元模型中多个节点O相对应的多个第二节点，通过胶粘剂将每一第一节点与每一第二节点胶粘，使蒙皮胶接在车体骨架上。

4.根据权利要求1所述的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，其特征在于，所述位移包括平动位移和转动位移。

5.根据权利要求1所述的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，其特征在于，多个节点O位于所述局部有限元模型的边界上。

6.根据权利要求1所述的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，其特征在于，步骤四所述强度分析包括获得胶粘剂的应力和变形。

7.根据权利要求1所述的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，其特征在于，每一节点O’与对应的节点O具有相同的空间坐标(x₀，y₀，z₀)，通过该相同的空间坐标(x₀，y₀，z₀)使每一节点O’与每一节点O相对应。

8.根据权利要求7所述的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，其特征在于，分别对所述车体骨架有限元模型中的多个节点O’和多个所述局部有限元模型中的多个节点O进行编号。

9.根据权利要求8所述的城轨车辆车身复合材料粘接强度分析方法，其特征在于，步骤四包括：

1)根据每一节点O的编号查找其空间坐标(x₀，y₀，z₀)；

2)根据每一节点O的空间坐标(x₀，y₀，z₀)在所述车体骨架有限元模型中查找与每一节点O具有相同空间坐标的每一节点O’；

3)根据每一节点O’的空间坐标(x₀，y₀，z₀)查找其编号；

4)根据每一节点O’的编号查找其位移；

5)将所述车体骨架有限元模型中多个节点O’的位移分别加载至多个所述局部有限元模型对应的多个节点O上进行强度分析。