CN112329316B - 一种基于多体动力学的扭力梁强度分析方法 - Google Patents

一种基于多体动力学的扭力梁强度分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多体动力学的扭力梁强度分析方法，所述方法包括以下步骤，步骤1：将三维扭力梁模型导入有限元分析软件，并生成前15阶模态的柔性体文件；步骤2：将步骤1中生成的柔性体文件导入Adams/car软件建立柔性体扭力梁，形成刚柔耦合悬架系统多体动力学模型；步骤3：根据车辆运动过程中的载荷转移求解轮胎处的输入载荷，仿真分析扭力梁各连接点处在垂向工况、纵向工况以及侧向工况下的输入载荷并输出；步骤4：把步骤3提取的输出载荷作为典型极限工况载荷作为有限元模型的载荷边界条件输入到Hypermesh有限元模型中；步骤5：利用Nastran求解器完成扭力梁强度分析，并在HyperView中查看分析结果。本发明可使多体动力学模型更加精确，仿真精度更高。

Description

一种基于多体动力学的扭力梁强度分析方法
技术领域
本发明涉及车辆工程领域，尤其涉及一种基于多体动力学的扭力梁强度分析方法。
背景技术
随着近年国内自主品牌汽车行业的迅猛发展，顾客对汽车质量要求越来越高，设计一款物美价廉的自主品牌汽车，成了各主机厂的挑战。车辆好比人，底盘相当于的脊椎骨架，其强度分析极其重要。悬架系统作为汽车的一个重要组成部分，其性能对整车的行驶起着重要作用。扭力梁后悬架作为一种非独立悬架，其结构简单、维修方便且价格便宜，近年来，被广泛应用到轿车上。对悬架结构进行强度分析，能够了解汽车在行驶过程中至关重要的安全性亦是当今研究关注的热点。
悬架作为车身与车桥(或车轮)一切传力连接装置的桥梁，它的作用是将来自路面作用而使车轮产生垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架上，以保证汽车的正常行驶。
对汽车而言，悬架作为汽车底盘的重要组成部分对驾乘舒适性、操纵稳定性起着至关重要的作用。鉴于其结构复杂，且制造成本也高，为了传递各种力和力矩，需要保证各部件具有足够的强度。
悬架系统静载荷分析ADAMS模拟悬架系统在特定工况下的受力情况，为零部件强度分析提供边界条件。在整车项目前期开发阶段，通过有限元分析对结构强度进行评价，找到结构的薄弱环节，提出合理的改进方案。但是对于大多数底盘零部件的分析来说，需要相关的受力分析提供载荷输入，在单个零部件的分析中，边界条件的正确与否，直接影响到分析结果的可信度。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多体动力学的扭力梁强度分析方法，以提高多体动力学模型的精确性以及仿真精度。
为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
本发明提供了一种基于多体动力学的扭力梁强度分析方法，所述方法包括以下步骤，
步骤1：将三维扭力梁模型导入有限元分析软件，并根据规定的网格质量标准对扭力梁进行四面体网格划分，扭力梁连接点处采用RBE2刚性连接单元，扭力梁各部件赋予相应的材料属性，并将设置好的扭力梁有限元模型导入MotionView中生成前15阶模态的柔性体文件；
步骤2：将步骤1中生成的柔性体文件导入Adams/car软件建立柔性体扭力梁，并在各连接点处建立接触界面，根据(1)零部件几何硬点坐标；(2)零部件质量；(3)弹簧刚度；(4)缓冲块特性曲线；(5)减震器特性曲线；(6)衬套参数输入参数，建立轮毂、减震器、弹簧部件、衬套连接件，创建输入、输出通讯器完成刚柔耦合悬架系统多体动力学模型；
步骤3：根据车辆运动过程中的载荷转移求解轮胎处的输入载荷，仿真分析扭力梁各连接点处在垂向工况、纵向工况以及侧向工况下的输入载荷并输出；
步骤4：把步骤3提取的输出载荷作为典型极限工况载荷作为有限元模型的载荷边界条件输入到Hypermesh有限元模型中；
步骤5：利用Nastran求解器完成扭力梁强度分析，有限元计算分析中，静力分析的控制方程为：[k]{x(t)}＝{F(t)}，其中[k]为刚度矩阵，x(t)为位移向量，F(t)为载荷向量，并在HyperView中查看分析结果；
优选地，扭力梁各连接点包括车身对扭力梁安装点、轮毂对扭力梁安装点、减震器对扭力梁安装点、弹簧对扭力梁安装点，由于左右对称，共八个连接点；
优选地，扭力梁各连接点处在垂向工况下的输入载荷转移计算公式为：
Figure BDA0002787972400000031
其中，WF：前轴轴荷，az为垂向加速度，g:重力加速度，。
优选地，扭力梁各连接点处在纵向工况下的输入载荷转移计算公式为：
Figure BDA0002787972400000032
Figure BDA0002787972400000033
其中，WF：前轴轴荷，WR：后轴轴荷，H：质心高度，L：轴距，ax：纵向加速度，g:重力加速度。
优选地，扭力梁各连接点处在侧向工况下的输入载荷转移计算公式为：
Figure BDA0002787972400000041
Figure BDA0002787972400000042
Figure BDA0002787972400000043
Figure BDA0002787972400000044
其中，WF：前轴轴荷，WR：后轴轴荷，H：质心高度，L：轴距，T：轮距，ax、ay、az分别为纵向、侧向、垂向加速度，g:重力加速度。
优选地，步骤1中的网格质量标准为单元翘曲度小于7，雅克比大于6，最小内角为20，网格大小为5mm。
优选地，扭力梁各部件包括横梁、纵臂、纵臂加强件、弹簧托盘、缓冲块支座、减振器支座、凸缘支架、凸缘、衬套、线束支架等部件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1).Hypermesh与MotionView联合建立柔性体，并将柔性体导入动力学软件中，使多体动力学模型更加精确，仿真精度更高；
2).考虑车辆运动过程中的载荷转移求取动力学轮胎输入载荷，载荷输入更加精确，对仿真提取的扭力梁载荷更值得信赖；
3).提取的载荷相对支反力方法得到的载荷更精确，扭力梁强度分析更加准确；
4).与试验获得载荷进行强度分析相比，此方法不需要实物整车，在设计阶段就可提取出载荷，进行强度分析，有效避免了设计出现的重大失误，缩短了研发周期；
5)与试验获得载荷相比，不需要布置传感器等复杂的工作，也不需要昂贵的设备和维护费用，此方法降低人力、物力成本等设计成本低；简便，快速、有效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为刚柔耦合梁悬架系统多体动力学模型；
图2为输出载荷点的位置；
图3为有限元模型的载荷边界条件；
图4为HyperView中扭力梁强度分析结果；
图5为扭力梁三视图。
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，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅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的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供了一种基于多体动力学的扭力梁强度分析方法，所述方法包括以下步骤，
基于多体动力学的扭力梁强度分析方法具体步骤如下：
将三维CATIA数模导入有限元分析软件Hypermesh，并根据规定的网格质量标准对扭力梁进行四面体网格划分、连接点处采用RBE2刚性连接单元、不同部件赋予相应的材料属性；并将设置好的有限元模型导入MotionView中生成前15阶模态的柔性体文件(.mnf文件)。
将步骤1中生成的.mnf文件导入Adams/car软件建立柔性体扭力梁，并在各连接点处建立interface part，根据1)零部件几何硬点坐标；2)零部件质量；3)弹簧刚度；4)缓冲块特性曲线；5)减震器特性曲线；6)衬套参数等输入参数，建立轮毂、减震器、弹簧等部件，衬套连接件；创建输入、输出通讯器完成刚柔耦合悬架系统多体动力学模型(附图图1)；
根据车辆运动过程中的载荷转移求解轮胎处的输入载荷，仿真分析扭力梁各连接点处(车身对扭力梁安装点、轮毂对扭力梁安装点、减震器对扭力梁安装点、弹簧对扭力梁安装点(附图2)，因左右对称，共八个点)的载荷并输出；
垂向工况下输入载荷转移计算：
Figure BDA0002787972400000061
纵向工况下输入载荷转移计算：
Figure BDA0002787972400000062
Figure BDA0002787972400000063
侧向工况下输入载荷转移计算：
Figure BDA0002787972400000064
Figure BDA0002787972400000065
Figure BDA0002787972400000071
Figure BDA0002787972400000072
把步骤3提取的输出载荷作为典型极限工况载荷作为有限元模型的载荷边界条件输入到Hypermesh有限元模型中(附图3)。
利用Nastran求解器完成扭力梁强度分析，有限元计算分析中，静力分析的控制方程为：[k]{x(t)}＝{F(t)}；并在HyperView中查看分析结果(附图4)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1).Hypermesh与MotionView联合建立柔性体，并将柔性体导入动力学软件中，使多体动力学模型更加精确，仿真精度更高；
2).考虑车辆运动过程中的载荷转移求取动力学轮胎输入载荷，载荷输入更加精确，对仿真提取的扭力梁载荷更值得信赖；
3).提取的载荷相对支反力方法得到的载荷更精确，扭力梁强度分析更加准确；
4).与试验获得载荷进行强度分析相比，此方法不需要实物整车，在设计阶段就可提取出载荷，进行强度分析，有效避免了设计出现的重大失误，缩短了研发周期；
5)与试验获得载荷相比，不需要布置传感器等复杂的工作，也不需要昂贵的设备和维护费用，此方法降低人力、物力成本等设计成本低；简便，快速、有效。
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种基于多体动力学的扭力梁强度分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，
步骤1：将三维扭力梁模型导入有限元分析软件，并根据规定的网格质量标准对扭力梁进行四面体网格划分，扭力梁连接点处采用RBE2刚性连接单元，扭力梁各部件赋予相应的材料属性，并将设置好的扭力梁有限元模型导入MotionView中生成前15阶模态的柔性体文件；
步骤2：将步骤1中生成的柔性体文件导入Adams/car软件建立柔性体扭力梁，并在各连接点处建立接触界面，根据(1)零部件几何硬点坐标；(2)零部件质量；(3)弹簧刚度；(4)缓冲块特性曲线；(5)减震器特性曲线；(6)衬套参数输入参数，建立轮毂、减震器、弹簧部件、衬套连接件，创建输入、输出通讯器完成刚柔耦合悬架系统多体动力学模型；
步骤3：根据车辆运动过程中的载荷转移求解轮胎处的输入载荷，仿真分析扭力梁各连接点处在垂向工况、纵向工况以及侧向工况下的载荷并输出；
步骤4：把步骤3提取的输出载荷作为典型极限工况载荷作为有限元模型的载荷边界条件输入到Hypermesh有限元模型中；
步骤5：利用Nastran求解器完成扭力梁强度分析，有限元计算分析中，静力分析的控制方程为：[k]{x(t)}＝{F(t)}，其中[k]为刚度矩阵， x(t) 为位移向量， F(t) 为载荷向量，并在HyperView中查看分析结果；
其中，扭力梁各连接点处在垂向工况下，输入到轮胎的载荷转移计算公式为：
Figure FDA0003704439190000011
WR为后轴载荷，az为垂向加速度，g为重力加速度；
扭力梁各连接点处在纵向工况下，输入到轮胎的载荷转移计算公式为：
Figure FDA0003704439190000021
Figure FDA0003704439190000022
其中，WF：前轴轴荷，WR：后轴轴荷，H：质心高度，L：轴距，ax：纵向加速度，g:重力加速度；
扭力梁各连接点处在侧向工况下，输入到轮胎的载荷转移计算公式为：
Figure FDA0003704439190000023
Figure FDA0003704439190000024
Figure FDA0003704439190000025
Figure FDA0003704439190000026
其中，WF：前轴轴荷，WR：后轴轴荷，H：质心高度，L：轴距，T：轮距，ax、ay、az分别为纵向、侧向、垂向加速度，g:重力加速度。
2.如权利要求1所述的基于多体动力学的扭力梁强度分析方法，其特征在于，扭力梁各连接点包括车身对扭力梁安装点、轮毂对扭力梁安装点、减震器对扭力梁安装点、弹簧对扭力梁安装点，由于左右对称，共八个连接点。
3.如权利要求1所述的基于多体动力学的扭力梁强度分析方法，其特征在于，步骤1中的网格质量标准为单元翘曲度小于7，雅克比大于6，最小内角为20，网格大小为5mm。
4.如权利要求1所述的基于多体动力学的扭力梁强度分析方法，其特征在于，扭力梁各部件包括横梁、纵臂、纵臂加强件、弹簧托盘、缓冲块支座、减振器支座、凸缘支架、凸缘、衬套、线束支架等部件。
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