CN107545097A - 一种高效铝合金榫卯连接结构的cae模拟优化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车领域，具体涉及一种车身铝合金榫卯连接结构的CAE模拟分析方法。本发明采用梁单元模拟铝合金的型材，梁单元的截面形状属性采用实际的铝合金型材截面，以弹簧单元来模拟铝合金型材榫卯穿插结构的三角片焊接加强固定连接结构，弹簧刚度以实验测试为准。本发明具有建模简单，前处理工作量小，分析结果准确，计算耗时短、工作效率高等优点。

Description

一种高效铝合金榫卯连接结构的CAE模拟优化分析方法

技术领域

本发明涉及汽车领域，具体涉及一种车身铝合金榫卯连接结构的CAE模拟分析方法。

背景技术

现有铝合金型材的榫卯连接模拟分析方法主要有三种模式，1、实体单元：即直接对铝合金型材进行体单元离散建模，在榫接处直接采用单元共节点或者利用刚性单元来连接两根型材。此种方式建模十分复杂，前处理非常繁琐，而且对细长型材来说采用体单元模拟分析精度不高，分析结果没有较好的收敛性。2、壳单元：即对铝合金型材模型进行抽取中面处理，划分壳单元网格，榫接处同样采用单元共节点或者以刚性单元连接。此种方式前处理的几何清理较为麻烦，建模效率不高。3、梁单元：即直接以梁单元来模拟型材，榫接处直接共节点。此种方式的梁单元截面形状简化为规则截面，对实际状态模拟一致性不够，而且共节点的方式模拟榫接结构其刚度特性与实际不符，更偏刚性。

上述模拟方式为目前采用较多的模拟方法，其共同问题对实际型材截面模拟的一致性不好，存在相应偏差，模拟的榫接结构刚度偏刚，导致分析结果偏刚性。实体单元模拟的另一弊端是建模复杂，前处理繁琐，CAE模型文件较大，分析计算耗时，效率低。壳单元模拟的另一弊端是几何清理麻烦，建模效率低，CAE模型文件稍大，模型迭代利用性较差，更改不易。现有梁单元模拟的弊端是截面属性不一致，连接刚度偏刚。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种车身铝合金榫卯连接结构的CAE模拟分析方法。本发明采用梁单元模拟铝合金的型材，梁单元的截面形状属性采用实际的铝合金型材截面，以弹簧单元来模拟铝合金型材榫卯穿插结构的三角片焊接加强固定连接结构，弹簧刚度以实验测试为准。本发明具有建模简单，前处理工作量小，分析结果准确，计算耗时短、工作效率高等优点。同时该方法简洁明了，CAE建模速度快，分析精度高，能极大提高CAE分析的效率，为铝合金车身结构的设计开发及优化工作极大缩短周期，增效显著。

本发明的技术方案是：一种高效铝合金榫卯连接结构的CAE模拟优化分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤a：确认结构部件几何质心点所在轴的步骤：在有限元前处理软件导入实体模型后，找到横梁和纵梁的截面几何质心点所在的轴线，在各自轴线上按梁单元尺寸依次布置梁单元的节点；

步骤b：弹簧单元建模的步骤：选取表示横梁和表示纵梁的榫卯穿插处的两个梁单元节点，指定弹簧单元的两个端点和刚度方向，以两个梁单元节点作为弹簧单元的两个节点，并选择表示横梁的轴向和表示纵梁的轴向以及二者平面的法向三个方向来作为弹簧单元的刚度方向，弹簧单元的刚度属性按照横向、纵向及垂向三个方向分别添加刚度属性，弹簧单元的刚度数值按实际榫卯连接实验测试所得的三角片和焊缝组成的连接系的刚度取值；

步骤c：建立实际型材的截面尺寸图的步骤：在步骤a建立梁单元节点并建立好表示横梁和表示纵梁后，导入实际型材的截面尺寸图或者在前处理软件里按截面图自建与实际型材相同的梁单元截面，赋予表示横梁和表示纵梁的单元截面属性；表示横梁和表示纵梁的材料属性按实际铝合金型材的材料附加。

根据如上所述的高效铝合金榫卯连接结构的CAE模拟优化分析方法，其特征在于：所述步骤a中梁单元的节点以10mm为一个梁单元依次布置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、以梁单元来建模，并且赋予梁单元真实的型材截面属性，建模工作简单，效率高，修改更新方便，模拟结果更真实。2、使用弹簧单元来建模，极大的简化了榫卯三角片及焊缝的建模，并且弹簧单元的刚度参数采用的是实际试验测试的榫卯连接系的刚度，模拟结果非常真实。3、采用本发明的梁单元及弹簧单元配合建模的分析方法，能极大降低CAE前处理工作量，建模简便快速，模型文件急剧缩小，分析计算耗时更短，效率更高，同时分析结果也更为精确。

附图说明

图1是传统壳单元精确模拟的建模方法示意图；

图2是本发明的建模方法示意图；

图3是本发明显示梁截面的建模方法示意图。

图中标号分别表示：1—横梁，2—纵梁，3—三角片，4—焊缝，5—表示横梁，6—表示纵梁，7—弹簧单元，8—显示梁单元截面形状的横梁，9—显示梁单元截面形状的纵梁。

具体实施方式

名称解释：CAE(Computer Aided Engineering)指工程设计中的计算机辅助工程，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等，把工程(生产)的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程(产品)的整个生命周期。本发明中CAE是指应用有限元方法对结构的力学性能进行计算机辅助求解分析和优化设计。

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程。但本发明权利要求的保护范围不限于下述的实施例。

下面根据本发明的技术分析方法给出本发明的具体实施例：

如图1～3所示，本发明所述的分析对象中横梁1的实例原型为45*31铝合金型材，纵梁2的实例原型为45*65铝合金型材，本发明包括参与榫卯连接以梁单元来表示横梁1的表示横梁5、以梁单元来表示纵梁2的表示纵梁6、弹簧单元7；表示横梁5显示梁单元截面后是显示梁单元截面形状的横梁8所示，表示纵梁6显示梁单元截面后是显示梁单元截面形状的纵梁9所示，显示梁单元截面形状的横梁8和显示梁单元截面形状的纵梁9分别表示表示横梁5和表示纵梁6的截面状态属性。表示横梁5也即是显示梁单元截面形状的横梁8用来模拟横梁1；表示纵梁6也即是显示梁单元截面形状的纵梁9用来模拟纵梁2；弹簧单元7模拟三角片3和焊缝4组成的榫卯系统刚度。

本发明的一种高效铝合金榫卯连接结构的CAE模拟优化分析方法，包括以下步骤：

步骤a：确认结构部件几何质心点所在的轴的步骤：如图2所示，建模时，在有限元前处理软件导入实体模型后，找到横梁1和纵梁2的截面几何质心点所在的轴线，在各自轴线上按梁单元尺寸依次布置梁单元的节点，例如采用10mm为一个梁单元依次布置梁单元的节点。并且分别在梁单元建模界面依次连接各节点，以此来建立表示横梁5和表示纵梁6。

步骤b：弹簧单元建模的步骤：用来建弹簧单元的榫卯穿插处的节点不能共用，而是需建立两个重复但不重合的节点，本发明中将采用弹簧单元7模拟三角片3和焊缝4组成的榫卯系统刚度。

步骤c：建立实际型材的截面尺寸图的步骤，如图3所示，在步骤a建立梁单元节点并建立好表示横梁5和表示纵梁6后，导入实际型材的截面尺寸图或者在前处理软件里按截面图自建与实际型材相同的梁单元截面，并赋予表示横梁5和表示纵梁6的单元截面属性；梁单元的材料属性按实际铝合金型材的材料附加。

本发明步骤b中榫卯系统的模拟原则是：如图2所示，选取表示横梁5和表示纵梁6的榫卯穿插处的各自的梁单元节点，由于这两个节点的坐标位置一样但分别属于表示横梁5和表示纵梁6，因此该二节点重复但并不重合为一个节点。通过有限元前处理软件中的编号标记功能“number”按钮，分别标记出两个重复节点的节点号。在选择弹簧单元的建模“springs”按钮后，需要指定弹簧的两个端点和其刚度方向，这里以这两个重复节点作为弹簧单元的两个节点，并选择表示横梁5的轴向和表示纵梁6的轴向以及二者平面的法向这三个方向来作为弹簧单元的刚度方向，分别建立弹簧单元7，这样弹簧单元7就包含了相互垂直的三个方向的弹簧系统。弹簧单元7的刚度属性按照横向、纵向及垂向三个方向分别添加刚度属性，刚度数值按实际榫卯连接实验测试所得的三角片3和焊缝4组成的连接系的刚度取值，按实际测量值输入的刚度数值可保证本发明方法分析结果的精确度。

本发明的方法具有梁单元模拟的截面属性一致，连接刚度较为符合实际情况，使模拟分析结构更加可信等优点。

Claims (2)

1.一种高效铝合金榫卯连接结构的CAE模拟优化分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤a：确认结构部件几何质心点所在轴的步骤：在有限元前处理软件导入实体模型后，找到横梁和纵梁的截面几何质心点所在的轴线，在各自轴线上按梁单元尺寸依次布置梁单元的节点；

步骤b：弹簧单元建模的步骤：选取表示横梁和表示纵梁的榫卯穿插处的两个梁单元节点，指定弹簧单元的两个端点和刚度方向，以两个梁单元节点作为弹簧单元的两个节点，并选择表示横梁的轴向和表示纵梁的轴向以及二者平面的法向三个方向来作为弹簧单元的刚度方向，弹簧单元的刚度属性按照横向、纵向及垂向三个方向分别添加刚度属性，弹簧单元的刚度数值按实际榫卯连接实验测试所得的三角片和焊缝组成的连接系的刚度取值；

步骤c：建立实际型材的截面尺寸图的步骤：在步骤a建立梁单元节点并建立好表示横梁和表示纵梁后，导入实际型材的截面尺寸图或者在前处理软件里按截面图自建与实际型材相同的梁单元截面，赋予表示横梁和表示纵梁的单元截面属性；表示横梁和表示纵梁的材料属性按实际铝合金型材的材料附加。

2.根据权利要求1所述的高效铝合金榫卯连接结构的CAE模拟优化分析方法，其特征在于：所述步骤a中梁单元的节点以10mm为一个梁单元依次布置。