CN109684724B - 一种客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法，包括：步骤一：在车身上待粘铆复合结构钢骨架结构切割出需要铺胶和铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料的区域，并且在的区域的各交界处外侧切分出半个单元尺寸的区域；步骤二、在车身上进行单位位置的划分；步骤三、拉伸粘铆复合结构钢骨架结构，并将步骤二中划分的位置进行标记，再分别拉伸铺胶和铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料的区域，并再次将步骤二中划分的位置进行标记，并且对两次标记的位置进行比较；步骤四、确定铺胶层、铆钉、铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料层、钢骨架材料的属性及失效准则；步骤五、对粘铆复合结构钢骨架结构进行载荷测试并进行比对分析。

Description

一种客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法
技术领域
本发明涉及计算机辅助工程技术领域，具体涉及一种客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法。
背景技术
随着我国公共交通行业发展和居民对公共出行需求的迅速增加，带来了公共交通工具在燃油经济性、行车安全性以及环境保护、资源利用等方面的问题。随着节能和环保问题的日益突出，节能减排的发展已经成为国内外汽车工业领域的关注重点。统计数据显示，汽车每减重10％，油耗可降低6％～8％。因此，车身的轻量化研究对于整个汽车工业的节能减排与绿色发展起着至关重要的作用。
单纯高强钢板虽然具有较大的成本优势，但是现阶段条件下采用高强钢进行车身轻量化的空间已经十分有限。采用轻金属虽然可以获取较好的轻量化效果，但是成本较高。复合材料可以获得最佳的轻量化效果，但是成本很高，无法大规模应用(技术问题)。综合考虑成本与轻量化效果，德国学者HAHN等提出“多材料轻量化结构”的概念。合理的轻量化应该是合适的材料用在合适的部位。多材料结构设计是今后车身结构发展的必然趋势。
通过多种材料的混合使用可以有效减轻车身重量，然而对车身连接技术也提出了巨大的挑战。多材料车身通常采用粘铆复合连接：胶粘连接以其良好的抗疲劳性、隔音性、减震性在车身连接中具有广泛的应用。对于多材料混合车身，由于胶粘连接不存在熔化问题，而且可以隔绝异种金属接触而产生的电化学腐蚀，具有明显的优越性。
客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构在有限元建模时，存在钢结构、铆钉、胶层、碳纤维复合材料等不同材料的结构部件，在有限元仿真分析时需要考虑各种材料部件之间的连接处理问题；碳纤维复合材料为各向异性材料，建模时需要考虑铺层方向、层数等；铆接在钢结构与碳纤维上开孔引起的应力集中现象；仿真过程中车身全部采用粗网格划分会降低仿真精度，降低仿真结果可靠性，车身全部采用细网格划分会极大地增加计算量，影响仿真的效率。
针对目前利用计算机辅助求解分析以及优化客车多材料车身的结构力学性能分析(CAE)发展还存在很多不足的现状，若能在现有技术的基础上，建立一种客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构建模仿真分析方法，针对各部分分析要求与特点的不同，采用合适的有限元计算模型，客车车身有限元仿真分析会取得更进一步的突破。
发明内容
本发明设计开发了一种客车多材料车身粘铆复合结构分析方法，对连接部位进行相应处理，解决了多材料车身中粘铆复合结构局部与整车结合进行分析精度的问题。
本发明提供的技术方案为：
一种客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法，包括如下步骤：
步骤一：在所述车身上待粘铆复合钢骨架结构确定出需要铺胶和铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料的区域，并且在所述区域的各交界处外侧划分出一定尺寸的区域；
步骤二、在所述待粘铆复合钢骨架结构上进行网格单位单元的划分后拉伸所述钢骨架结构并提取所述钢骨架上表面单元，复制到铺胶层上，拉伸所述铺胶层，提取所述铺胶层上的表面单元，复制到铺铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料层，拉伸所述铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料层，对所述钢骨架结构复合结构的所有单元进行啮合，如果存在重复单元则重新进行划分拉伸直到没有重复单元；
步骤三、确定所述铺胶层、铆钉、所述铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料层、钢骨架材料属性及失效准则；
步骤四、对所述粘铆复合结构钢骨架结构进行载荷测试并进行比对分析，如果所述比对分析结果不满足预定要求，则对所述区域和单元划分进行修正，直到所述比对分析结果满足预定要求。
优选的是，在所述步骤一中，在各交界处根据所述铺胶层、所述铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料层的厚度切分模型。
优选的是，在所述步骤一中，所述粘铆复合结构钢骨架结构采用梁单元，所述粘铆复合结构钢骨架结构中铆钉采用线性缩减积分单元并进行沙漏控制，所述铺胶层采用内聚力单元，所述铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料采用连续壳单元。
优选的是，在所述步骤四中，所述胶层采用二次应力失效准则：
Figure BDA0001919522280000031
式中，N，S为断裂强度。
优选的是，在所述步骤四中，所述铆钉采用Johnson-Cook应变失效准则：
Figure BDA0001919522280000032
式中，D1、D2、D3为参数值。
优选的是，在所述步骤二中，所述粘铆复合结构局部采用细网格划分，整车车身部分采用粗网格划分。
优选的是，在所述步骤四中，所述粘铆复合结构的局部与整体过渡部分采用梁壳混合单元。
优选的是，在所述步骤四中，所述预定要求包括失效位移和失效最大载荷值。
本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：
1、提出了一种客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构建模仿真分析方法，对模型中铆钉、CFRP、胶层、钢结构等各个部件之间的连接部位进行相应处理，解决了客车多材料车身结构中，粘铆复合结构局部模型与整车模型结合的问题；
2、粘铆复合结构采用细网格，从圆孔及周边区域逐步往外进行划分以保证圆孔周围的单元质量，整车采用粗网格划分，提高粘铆复合结构仿真精度的同时可以控制整体计算量；
3、对模型中铆钉、CFRP、胶层、钢结构等各个部件之间的连接部位进行相应处理，可以根据计算结果，对比试验结果，对有限元模型及其中的某些参数进行分析、调整使其与试验结果具有更高的一致性，解决由于粘铆复合连接结构而带来的失效过程不一致等新的问题。
附图说明
图1为本发明所述的一种客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法运行流程图。
图2为实施例中切割出需要铺胶和铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料的区域后的壳体模型图。
图3是实施例中在各交界处根据胶层、环氧树脂基碳纤维增强复合材料层的厚度切分模型图；
图4是实施例中两根梁的交界处切分模型图；
图5是实施例中同一根梁两面交界处切分模型图；
图6是实施例圆孔切分示意图；
图7为实施例铆钉拉伸模型图；
图8为弧形梁粘铆复合结构单元模型图；
图9是二次应力准则曲线示意图。
图10是失效应变-应力三轴度拟合曲线。
图11是粘铆复合结构导入整车模型示意图。
图12是试验与仿真模型载荷位移曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供了一种客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构建模仿真分析方法，包括以下步骤：
步骤一、依据粘铆复合结构在CAE分析过程中各材料部分所采用的单元类型，建立整车与粘铆复合结构局部钢骨架几何模型；其中，整体车身钢骨架采用梁单元(模拟长度方向尺寸远大于另外两维尺寸，且只有长度方向的应力比较显著的构件)，粘铆复合结构中铆钉采用线性缩减积分单元并进行沙漏控制(采用合理的细网格，线性缩减积分会给出可接受的结果，避免单元在弯曲时过于柔软)，胶层采用内聚力单元(适用于粘接界面之间的分离模拟，胶层的渐进失效模拟和复合材料分层损伤行为模拟)，环氧树脂基碳纤维增强复合材料(CFRP)采用连续壳单元(基于连续体的壳单元，对整个三维结构进行空间离散)；
步骤二、在抽取的粘铆复合结构钢骨架几何模型上切割出需要铺胶和铺CFRP的区域：在各交界处根据胶层、CFRP层的厚度，切分模型，以保证后续划分网格时网格节点能够正常啮合；在各交界处，上述切分区域的外侧再切分出半个单元尺寸的区域，以保证交界处拉伸的实体/内聚力/厚壳单元的形状；考虑后续铆钉的建模，因此切出铆钉头及铆钉尾的直径，在铆接的圆孔周围向外切分出2-3个直径更大的圆；
步骤三：导入几何模型，开始网格划分；其中，粘铆复合结构采用细网格，从圆孔及周边区域逐步往外进行划分以保证圆孔周围的单元质量，整车采用粗网格划分，提高粘铆复合结构仿真精度的同时可以控制整体计算量；
步骤四：胶层采用的内聚力单元和CFRP材料本身具有方向性，检查各个单元的法矢是否一致后，利用生成的网格拉伸粘铆复合结构的钢骨架单元，提取钢骨架上表面单元，复制铺胶区域网格，拉伸胶层单元；通过移动节点、啮合，对胶层单元进行边界处理，提取胶层上表面单元，拉伸CFRP单元；
步骤五：对粘铆复合结构的所有单元进行啮合，检查是否存在重复单元；
步骤六：输入胶层、铆钉、CFRP、钢骨架材料属性及失效准则：
胶层采用二次应力准则：
Figure BDA0001919522280000051
式中，根据粘接试件拉伸、剪切试验方案测定二次应力准则中模式一断裂强度N和模式二断裂强度S两个值参数；
铆钉采用Johnson-Cook应变失效准则，只考虑应力状态时，该准则公式为：
Figure BDA0001919522280000061
根据铝合金试片测定Johnson-Cook应变失效准则中的D1、D2、D3三个参数值，建立实际可用的失效准则；
步骤七：把建好的粘铆复合结构单元模型导入整车中，粘铆复合结构局部与整车过渡部分采用梁壳混合单元，网格密度由局部粘铆复合结构向整车车身部分逐渐降低，检查各连接部分连接点情况并进行调整；
步骤八：定义各部分约束及载荷工况，优化所述模型，定义显式分析步，针对复合材料定义整体输出，进行分析计算；将仿真计算结果与实际试验结果进行对比；
步骤九：根据分析计算的结果，将仿真和试验所得载荷位移曲线形状和走势，失效位置及失效最大载荷值进行对比，对胶层单元和铆钉单元进行失效分析，对碳纤维复合材料和高强钢骨架进行应力分析，对不满足要求的部分进行结构优化，如调整铆钉数量与位置，调整胶层厚度与钢骨架结构等，对优化后的模型再次进行分析验证。
实施例
以客车局部弧形梁上粘铆复合结构仿真为例，详细说明本发明的具体实施过程：
如图1所示，考虑粘铆复合结构在后续CAE分析过程中各部分所采用的单元类型：弧形梁中车身钢骨架采用壳单元，铆钉采用实体单元，胶层采用内聚力单元，环氧树脂基碳纤维增强复合材料(CFRP)采用厚壳单元，建立钢骨架实体的外表面壳体几何模型。
如图1、图2所示，在壳体中切割出需要铺胶和CFRP的区域，为了方便后续划分出更好质量的网格，还需要对上述壳体中需要铺胶和铺CFRP的区域进一步切割，需要进行切割的主要有以下三种情况：
(1)在各交界处根据胶层、CFRP层的厚度切分模型；
(2)在各交界处，上述切分区域的外侧再切分出半个单元大小的一条区域；
(3)圆孔及周围区域的切分；
如图3所示，第(1)种切分是为了在后续划分网格时让网格节点能够正常啮合，箭头(A)所指区域为宽度2.2mm(CFRP层的厚度)的两条，箭头(B)所指为宽度0.2mm(胶层的厚度)的两条。
如图4、图5所示，第(2)种切分是为了让交界处拉伸处的实体/内聚力/厚壳单元不至于过于畸形，黑色箭头所指为宽度1mm(半个单元大小)的两条。
如图6所示，第(3)种切分是为了在圆孔区域获得更好的网格质量，采取的方法是现在圆孔周围往外切分出2-3个直径更大的圆(在该过程中需要考虑后续铆钉的建模，因此切出铆钉头及铆钉尾的直径)，之后在更外围切分出一个正方形区域，并对正方形区域内部进行对角切分。
在本实施中，由于整个模型轴对称，只需要保留一半导入Hypermesh。
如图1所示，将几何模型导入Hypemesh后要设置整体单元尺寸、节点清理容差、几何清理容差等，并进行几何清理，消除不应该存在的自由边等操作。之后开始网格划分，步骤是先划分圆孔及周边区域，接着逐步往外进行划分。粘铆复合结构采用细网格划分，整车模型采用粗网格划分。
根据生成的网格利用3D—drag命令拉伸出单元厚度为相应区域钢管厚度的壳单元，之后提取钢结构实体的上表面单元，检查法矢一致性后拉伸出胶层单元，复制出需要铺胶区域的网格。因为胶层所用的内聚力单元和CFRP材料本身都具有方向性，因此需要查看各个单元的法矢是否一致，查看法矢一致后，利用3D—drag命令拉伸出胶层单元厚度为0.2mm。之后需要对胶层单元的边界处进行处理，处理方法是移动节点，进行啮合。
接下来提取胶层的上表面单元，胶层采用的内聚力单元和CFRP材料本身具有方向性，拉伸前需要检查各个单元的法矢是否一致，检查法矢一致性后拉伸出CFRP单元，边界处的处理方法同胶层单元一致。
如图7所示，利用3D—drag命令拉伸出铆钉模型；
如图8、图9所示，途中编号为铆钉序号，将钢结构单元、胶层单元和CFRP单元进行啮合，注意节点和单元是否一一对应，不对应的还要再进行调整。
胶层采用二次应力准则：
Figure BDA0001919522280000081
设计粘接试件拉伸、剪切试验方案测定二次应力准则中模式一断裂强度N和模式二断裂强度S两个值参数，根据试验结果拟合所得N、S的值如表1所示：
表1
参数 值
N 29.3±1.61
S 26.5±1.8
则拟合所得的二次应力准则如下所示：
Figure BDA0001919522280000082
铆钉采用Johnson-Cook应变失效准则，只考虑应力状态时，该准则公式为：
Figure BDA0001919522280000083
设计铝合金试片测定了Johnson-Cook应变失效准则中的D1、D2、D3三个参数值。根据各个试件的失效应变和应力三轴度拟合所得的曲线同时得到断裂准则中的三个系数D1、D2、D3的值如表2所示。
表2
系数 值
D<sub>1</sub> 1.23485
D<sub>2</sub> -0.86497
D<sub>3</sub> 0.41770
拟合所得失效准则为：
Figure BDA0001919522280000084
失效应变-应力三轴度拟合曲线如图10所示；
输入胶层、铆钉、CFRP、钢骨架材料属性及失效准则，CFRP力学性能参数、钢骨架材料属性、粘接胶层内聚力参数、铆钉具体塑性参数值如表3、表4、表5、表6所示；
表3
Figure BDA0001919522280000091
表4
参数 值
弹性模量(MPa) 2.07×10<sup>5</sup>
泊松比 0.3
密度(Kg/m<sup>3</sup>) 7850
表5
属性
弹性模量，E[GPa] 1.85
剪切模量，G[GPa] 0.56
模式一断裂强度，N[MPa] 29.3
模式二断裂强度，S[MPa] 26.5
模式一断裂能，G<sub>Ic</sub>[N/mm] 0.35
模式二断裂能，G<sub>IIc</sub>[N/mm] 2.8
表6
Figure BDA0001919522280000092
Figure BDA0001919522280000101
Figure BDA0001919522280000111
如图11所示，把建好的粘铆复合结构单元模型导入整车中，粘铆复合结构局部与整车过渡部分采用梁壳混合单元，网格密度由局部粘铆复合结构向整车车身部分逐渐降低，检查各连接部分连接点情况并进行调整；
定义各部分约束及载荷工况，优化所述模型进行分析计算后，针对复合材料定义整体输出，进行分析计算；将仿真计算结果与实际试验结果进行对比；
根据分析计算的结果，如图12所示，将仿真和试验所得载荷位移曲线形状和走势，失效位置及失效最大载荷值进行对比，对胶层单元和铆钉单元进行失效分析，对碳纤维复合材料和高强钢骨架进行应力分析，对不满足要求的部分进行结构优化，如调整铆钉数量与位置，调整胶层厚度与钢骨架结构等，对优化后的模型再次进行分析验证；
由图可知，两条载荷位移曲线的形状和走势均具有较好的一致性，仿真所得最大载荷值为24878N，试验所得最大载荷值为28298N，误差为12.1％。
在本实施例中，采用仿真软件为HyperMesh&ABAQUS联合仿真建模，操作系统为Windows。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在所述车身上待粘铆复合钢骨架结构确定出需要铺胶和铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料的区域，并且在所述区域的各交界处外侧划分出一定尺寸的区域；
步骤二、在所述待粘铆复合钢骨架结构上进行网格单位单元的划分后拉伸所述钢骨架结构并提取所述钢骨架上表面单元，复制到铺胶层上，拉伸所述铺胶层，提取所述铺胶层上的表面单元，复制到铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料层，拉伸所述铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料层，对所述钢骨架结构复合结构的所有单元进行啮合，如果存在重复单元则重新进行划分拉伸直到没有重复单元；
步骤三、确定所述铺胶层、铆钉、所述铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料层、钢骨架材料属性及失效准则；
步骤四、对所述粘铆复合结构钢骨架结构进行载荷测试并进行比对分析，如果所述比对分析结果不满足预定要求，则对所述区域和单元划分进行修正，直到所述比对分析结果满足预定要求。
2.如权利要求1所述的客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法，其特征在于，在所述步骤一中，在各交界处根据所述铺胶层、所述铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料层的厚度切分模型。
3.如权利要求2所述的客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述粘铆复合结构钢骨架结构采用梁单元，所述粘铆复合结构钢骨架结构中铆钉采用线性缩减积分单元并进行沙漏控制，所述铺胶层采用内聚力单元，所述铺环氧树脂基碳纤维增强复合材料采用连续壳单元。
4.如权利要求3所述的客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述胶层采用二次应力失效准则：
Figure FDA0002535998600000021
式中，N，S为断裂强度。
5.如权利要求3所述的客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述铆钉采用Johnson-Cook应变失效准则：
Figure FDA0002535998600000022
式中，D1、D2、D3为参数值。
6.如权利要求3所述的客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述粘铆复合结构局部采用细网格划分，整车车身部分采用粗网格划分。
7.如权利要求3所述的客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述粘铆复合结构的局部与整体过渡部分采用梁壳混合单元。
8.如权利要求3所述的客车多材料车身粘铆复合钢骨架结构分析方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述预定要求包括失效位移和失效最大载荷值。
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