CN113704866A - 基于频率响应的保险杠系统强度分析方法 - Google Patents

基于频率响应的保险杠系统强度分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，属于仿真分析技术领域，包括以下步骤：步骤1，获取CAD数模、材料参数、焊点焊缝位置信息；步骤2，对获取的各零件的CAD数模进行网格划分和质量检查；步骤3，对零件的网格模型进行装配；步骤4，获取车身上保险杠系统频率响应分析激励点时域加速度数据;步骤5，通过快速傅利叶变换将时域加速度数据转换成频域加速度数据；步骤6，在有限元分析模型中，将提取到的X、Y、Z三个方向频域下的加速度最大值施加在获取时域加速度的车身处进行频率响应分析；步骤7，检查并评价计算结果。本发明所述方法适用于汽车前、后保险杠系统的强度分析,同时也适用于塑料等其他材料的保险杠本体。

Description

基于频率响应的保险杠系统强度分析方法
技术领域
本发明涉及一种保险杠系统强度分析方法，特别是涉及一种基于频率响应的保险杠系统强度分析方法。属于仿真分析技术领域。
背景技术
保险杠系统是汽车上必不可少的一种部件，它具有保护行人安全和外观装饰的重要作用。保险杠系统通常直接或通过支架安装在车身钣金上，汽车在行驶过程中，路面和汽车发动机产生的外界激励将通过车身钣金直接传递给保险杠系统。如果保险杠系统结构设计不合理,会与外界激励产生共振, 引起开裂甚至断裂等失效模式，将直接影响整车的美观性及安全性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于频率响应的保险杠系统强度分析方法。可在前期设计阶段就提前识别出保险杠结构是否存在振动强度风险，以缩短开发周期、降低试验成本。
基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，所述分析方法包括以下步骤：
步骤1.获取CAD数模、材料参数、焊点焊缝位置信息；
步骤2.将获取的保险杠系统、周边件及部分车身件三维CAD模型导入CAE前处理软件中进行网格划分，检查所得到的零件网格模型是否满足网格质量要求；
步骤3.对得到的零件网格单元赋予单元属性参数和材料参数，并对网格模型进行装配，得到保险杠系统强度有限元分析模型；
步骤4.获取车身上保险杠系统频率响应分析激励点时域加速度数据;
步骤5.在载荷处理软件nCode中，将获取的车身上保险杠系统频率响应分析加速度激励点的时域加速度数据通过快速傅立叶变换转换成频域加速度数据，并提取出X、Y、Z三个方向频域加速度的最大值；
步骤6.在有限元分析模型中，将提取到的X、Y、Z三个方向频域下的加速度最大值施加在获取时域加速度的车身处进行频率响应分析；
步骤7.将频率响应分析所得的结果文件导入CAE后处理软件中，分别读取保险杠系统中各个部件在X、Y、Z三个方向的Mises应力值，判断各部件的最大应力值是否超过所用材料的屈服强度值，评估保险杠系统是否存在振动失效风险。
进一步的，步骤1中的CAD数模，包括保险杠系统、周边件塑料件及部分车身件的CAD数模。材料参数主要包含密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度和屈服强度等。
进一步的，步骤2具体为：将各零件的CAD数模在三维CAD绘图软件中另存为*.step或*.igs格式的几何文件，将上述*.step或*.igs格式的几何文件导入到有限元前处理软件Hypermesh的nastran模块中，抽取几何模型的中性面，并在中性面上进行网格划分。中性面抽取前，可以对几何模型进行适当的简化、变换和处理，使得所建立的有限元分析模型既能保证一定的分析精度，又能使网格划分过程简化，并节约计算时间。
网格单元类型采用以四边形为主（允许有总数量不超过10%的三角形单元）的壳单元，平均尺寸为5mm，单元还需满足最大/最小尺寸、长宽比、翘曲度、最大/最小角度、歪斜度和雅克比等其他质量要求除上述质量要求外，单元之间还应不允许有自由边存在，不允许有重复单元，同一造型面上的单元法向必须一致。网格划分完成后，应按上述网格质量要求进行检查，并对不满足质量要求的网格进行修正。
进一步的，步骤3具体为：对划分好网格的各零件赋予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、泊松比和密度。
采用六面体hex8实体单元建立车身钣金零件之间的焊点及焊缝连接模型，焊点、焊缝与被焊接件之间采用多点约束单元rbe3连接。六面体焊点、焊缝的材料属性包括弹性模量、泊松比和密度。采用RBE2+CBEAM+RBE2单元模拟各零件之间的螺栓连接。保险杠系统内部零件之间、保险杠系统与周边零件之间的卡扣连接采用BRE2单元模拟。
进一步的，步骤4具体为：频率响应分析需要以频域下的加速度数据作为载荷输入，而频域加速度数据一般由时域加速度数据通过快速傅利叶变换而得到。上述时域加速度数据可以在进行实车道路行驶试验时布置加速度传感器采集获得。
进一步的，步骤5具体为：通过快速傅利叶变换将时域加速度数据转换成频域加速度数据。
将步骤4中获取到的X/Y/Z三个方向的时域加速度数据，导入到加速度载荷处理软件nCode中，分别进行快速傅利叶变换，得到X/Y/Z三个方向的频域加速度数据。从X/Y/Z三个方向的频域加速度数据中分别提取出0-100Hz范围内加速度的最大值。
进一步的，步骤6具体为：在有限元前处理软件Hypermesh的nastran模块中，选用代号为111（模态频率响应）的分析类型，设置频率分析段为0-50Hz。激励加速度设置成恒定值，大小为步骤5中提取到的X/Y/Z三个方向0-100Hz范围内频域加速度的最大值。X/Y/Z三个方向分别单独施加加速度激励，激励点为步骤4中所述的获取时域加速度的白车身处。设置输出结果，包含保险杠系统中各部件的应力值和位移值。各分析参数设置完毕后导出bdf格式的计算文件，将计算文件提交nastran进行求解，可得到op2格式的结果文件。
进一步的，步骤7具体为：将步骤6中得到的op2格式结果文件导入CAE后处理软件HyperView中，分别读取保险杠系统中各个部件在X/Y/Z三个方向的Mises应力值并绘制出对应的频率响应曲线。
从频率响应曲线图上提取出保险杠系统中各个部件在X/Y/Z三个方向的最大Mises应力值，分别与各部件材料的屈服强度值进行对比，若各最大Mises应力值均小于各部件材料的屈服强度值，则保险杠系统振动强度满足要求，若各个部件中的最大Mises应力值有1个及以上的值大于各部件材料的屈服强度值，则存在振动失效的风险，需要进行结构优化。
本发明一种基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，相比于现有技术的方案，具有以下优点：
本发明提出的基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，将路面及发动机产生的加速度激励作为保险杠系统强度分析的输入载荷， 可在前期设计阶段就提前识别出保险杠结构是否存在振动强度风险，可大大缩短开发周期，并大幅降低试验成本。
本发明所述方法适用于汽车前、后保险杠系统的强度分析, 同时也适用于塑料等其他材料的保险杠本体。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于频率响应的保险杠系统强度分析方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的获取到的车身前地板处X/Y/Z三个方向的时域加速度曲线数据示意图。
图3是本发明实施例提供的快速傅利叶变换后得到的X/Y/Z三个方向的频域加速度曲线数据示意图。
图4是本发明实施例提供的前保险杠系统中前保险杠本体在X方向加速度激励下的应力云图及频率响应曲线图。
图5是本发明实施例提供的前保险杠系统中前保险杠本体在Y方向加速度激励下的应力云图及频率响应曲线图。
图6是本发明实施例提供的前保险杠系统中前保险杠本体在Z方向加速度激励下的应力云图及频率响应曲线图。
具体实施方式
本发明基于频率响应方法，适用于所有种类汽车前、后保险杠系统的强度分析。图1是本发明实施例提供的基于频率响应的保险杠系统强度分析流程图，步骤包括：
步骤1.获取CAD数模、材料参数、焊点焊缝位置等信息。
本发明实施例中的CAD数模，包括前保险杠系统、周边塑料件及部分车身件的CAD数模。
本发明实施例提供的前保险杠系统CAD数模示意图，前保险杠系统包括前保险杠本体、前保险杠格栅、前保险杠安装支架、前保险杠本体加强板和周边塑料件导流板。部分车身件CAD数模包括翼子板、车架纵梁、车架第一横梁、副车架、车身前地板、防火墙、机舱横梁和A立柱等。
本发明实施例中所述的前保险杠本体和前保险杠本体加强板的材料牌号为PP+EPDM+M15，前保险杠格栅的材料牌号为ASA，前保险杠安装支架的材料牌号为POM，周边塑料件导流板的材料牌号为PP+GF20，车身件的材料均为通用钢材。
本发明实施例中所述的材料参数主要包含上述材料牌号的密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度和屈服强度等，以上材料参数可通过试验获得。
本发明实施例中所述的焊点焊缝位置信息由车身设计部门提供。
步骤2.对获取的各零件的CAD数模进行网格划分和质量检查。
将前保险杠本体、前保险杠格栅、前保险杠安装支架、前保险杠本体加强板、周边塑料件导流板和上述车身件CAD数模在三维CAD绘图软件CATIA中另存为*.step的几何文件，再将*.step格式的几何文件导入到有限元前处理软件Hypermesh的nastran模块中，抽取几何模型的中性面，并在中性面上进行网格划分。中性面抽取前，可以对几何模型进行适当的简化、变换和处理。
网格单元类型采用以四边形为主（允许有总数量不超过10%的三角形单元）的壳单元，平均尺寸为5mm，单元其他质量要求是：最小尺寸大于2mm，最大尺寸小于8mm，长宽比小于5，翘曲度小于15度，四边形单元最小角度大于45度，四边形单元最大角度小于135度，三角形单元最小角度大于30度，三角形单元最大角度小于120度，歪斜度小于60度，雅克比大于0.7。除上述质量要求外，单元之间还应不允许有自由边存在，不允许有重复单元，同一造型面上的单元法向必须一致。网格划分完成后，应按上述网格质量要求进行检查，并对不满足质量要求的网格进行修正直至其符合要求。
步骤3.对零件的网格模型进行装配。
对步骤2中划分好网格的前保险杠各零件赋予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，本实施例中四边形单元类型为CQUAD4，三角形单元类型为CTRIA3，厚度可在CAD数模中获得。材料参数包括弹性模量、泊松比和密度。
翼子板、车架纵梁、车架第一横梁、副车架、车身前地板、防火墙、机舱横梁和A立柱等车身件之间的焊点及焊缝连接采用六面体hex8实体单元建立模型模拟，焊点、焊缝与被焊接件之间采用多点约束单元rbe3连接。六面体焊点、焊缝的材料属性包括弹性模量、泊松比和密度。
车身件之间、车身件及前保险杠各零件之间的螺栓连接采用RBE2+CBEAM+RBE2单元模拟。
前保险杠内部各零件之间、前保险杠各零件与周边车身零件之间的卡扣连接采用BRE2单元模拟。
步骤4.获取车上上保险杠系统频率响应分析激励点时域加速度数据。
图2自上而下分别是是本发明实施例提供的获取到的车身前地板处X/Y/Z三个方向的时域加速度曲线数据，上述时域加速度数据可以在进行实车道路行驶试验时布置加速度传感器采集获得。
步骤5.通过快速傅利叶变换将时域加速度数据转换成频域加速度数据。
将步骤4中获取到的X/Y/Z三个方向的时域加速度数据，导入到加速度载荷处理软件nCode中，分别进行快速傅利叶变换，得到X/Y/Z三个方向的频域加速度数据。从X/Y/Z三个方向的频域加速度数据中分别提取出0~100Hz范围内加速度的最大值。
本发明实施例提供的在nCode软件中将时域加速度进行快速傅利叶变换，一侧模块TSInput为导入的X/Y/Z三个方向的时域加速度曲线数据，中间模块FrequencySpectrum为快速傅利叶变换参数设置模块，另一侧模块XYDisplay为转换后得到的X/Y/Z三个方向的频域加速度曲线数据。
在中间模块FrequencySpectrum中，其Properties的参数设置如下：General菜单下的OutputType设置成Amplitude，AveragingMethod设置成PeakHold，AmplitudeSpectrumScaling菜单下的OutputScaling设置成Peak，其他参数采用软件默认设置。
图3自上而下是本发明实施例提供的快速傅利叶变换后得到的X/Y/Z三个方向的频域加速度曲线数据，如图3所示，本发明实施例中车身前地板处X/Y/Z三个方向在0-100Hz范围内的频域加速度的最大值分别是0.343g、0.1868g和0.4744g。
步骤6.使用频域加速度进行频率响应分析
在有限元前处理软件Hypermesh的nastran模块中，在Cards模块中，选用代号为111（模态频率响应）的分析类型，输出结果文件类型设置为op2，输出结果包含前保险杠中各零件（包括前保险杠本体、前保险杠格栅、前保险杠安装支架、前保险杠本体加强板）的应力值和位移值。
在LoadCollectors模块的EIGRL卡片里设置频率分析段为0~50Hz。在TABDMP1卡片里设置阻尼参数，类型为CRIT，大小为恒定值0.05。设置边界约束条件类型为spc，约束位置为A立柱及车身前地板截断处，六自由度全约束。将激励加速度类型设置为spcd，其数值为恒定值，大小为步骤5中提取到的X/Y/Z三个方向0-100Hz范围内频域加速度的最大值，即X方向0.343g、Y方向0.1868g、Z方向0.4744g。X/Y/Z三个方向分别单独施加加速度激励，激励点为A立柱及车身前地板截断处。各分析参数设置完毕后导出bdf格式的计算文件，将计算文件提交nastran进行求解，可得到op2格式的结果文件。
步骤7.检查并评价计算结果
将步骤6中得到的op2格式结果文件导入CAE后处理软件HyperView中，分别读取前保险杠中各零件（包括前保险杠本体、前保险杠格栅、前保险杠安装支架、前保险杠本体加强板）在X/Y/Z三个方向的Mises应力值并绘制出对应的频率响应曲线。
图4是本发明实施例提供的前保险杠系统中前保险杠本体在X方向加速度激励下的应力云图及频率响应曲线图。
图5是本发明实施例提供的前保险杠系统中前保险杠本体在Y方向加速度激励下的应力云图及频率响应曲线图。
图6是本发明实施例提供的前保险杠系统中前保险杠本体在Z方向加速度激励下的应力云图及频率响应曲线图。
本发明实施例中，从频率响应曲线图可以提取出，前保本体在X/Y/Z三个方向的最大Mises应力值分别为9.913MPa、13.825MPa、17.482MPa，其中Z方向的最大Mises应力值超过前保本体所用材料PP+EPDM-M15的屈服强度值（17 MPa），存在振动失效的风险，需要进行结构优化。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，其特征在于：所述分析方法包括以下步骤：
步骤1.获取CAD数模、材料参数、焊点焊缝位置信息；
步骤2.将获取的保险杠系统、周边件及部分车身件三维CAD模型导入CAE前处理软件中进行网格划分，检查所得到的零件网格模型是否满足网格质量要求；
步骤3.对得到的零件网格单元赋予单元属性参数和材料参数，并对网格模型进行装配，得到保险杠系统强度有限元分析模型；
步骤4.获取车身上保险杠系统频率响应分析激励点时域加速度数据;
步骤5.在载荷处理软件nCode中，将获取的车身上保险杠系统频率响应分析加速度激励点的时域加速度数据通过快速傅立叶变换转换成频域加速度数据，并提取出X、Y、Z三个方向频域加速度的最大值；
步骤6.在有限元分析模型中，将提取到的X、Y、Z三个方向频域下的加速度最大值施加在获取时域加速度的车身处进行频率响应分析；
步骤7.将频率响应分析所得的结果文件导入CAE后处理软件中，分别读取保险杠系统中各个部件在X、Y、Z三个方向的Mises应力值，判断各部件的最大应力值是否超过所用材料的屈服强度值，评估保险杠系统是否存在振动失效风险。
2.根据权利要求1所述的基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，其特征在于：所述方法中步骤1中的CAD数模，包括保险杠系统、周边件塑料件及部分车身件的CAD数模，材料参数包含密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度和屈服强度。
3.根据权利要求1所述的基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，其特征在于：所述方法中步骤2具体包括：
将各零件的CAD数模在三维CAD绘图软件中另存为*.step或*.igs格式的几何文件，将上述*.step或*.igs格式的几何文件导入到有限元前处理软件Hypermesh的nastran模块中，抽取几何模型的中性面，并在中性面上进行网格划分；
网格单元类型采用以四边形为主，允许有总数量不超过10%的三角形单元的壳单元，平均尺寸为5mm，单元需满足最大/最小尺寸、长宽比、翘曲度、最大/最小角度、歪斜度和雅克比要求，单元之间应不允许有自由边存在，不允许有重复单元，同一造型面上的单元法向必须一致。
4.根据权利要求1所述的基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：
对划分好网格的各零件赋予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、泊松比和密度；
采用六面体hex8实体单元建立车身钣金零件之间的焊点及焊缝连接模型，焊点、焊缝与被焊接件之间采用多点约束单元rbe3连接；六面体焊点、焊缝的材料属性包括弹性模量、泊松比和密度；
采用RBE2+CBEAM+RBE2单元模拟各零件之间的螺栓连接；
保险杠系统内部零件之间、保险杠系统与周边零件之间的卡扣连接采用BRE2单元模拟。
5.根据权利要求1所述的基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，其特征在于：所述步骤4中频率响应分析以频域下的加速度数据作为载荷输入，频域加速度数据由时域加速度数据通过快速傅利叶变换而得到，时域加速度数据在进行实车道路行驶试验时布置加速度传感器采集获得。
6.根据权利要求1所述的基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，其特征在于：所述步骤5中提取出X、Y、Z三个方向频域加速度的最大值具体为从X、Y、Z三个方向的频域加速度数据中分别提取出0-100Hz范围内加速度的最大值。
7.根据权利要求1所述的基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，其特征在于：所述方法中步骤6具体包括：
在有限元前处理软件Hypermesh的nastran模块中，选用模态频率响应的分析类型，设置频率分析段为0-50Hz；激励加速度设置成恒定值，大小为步骤5中提取到的X、Y、Z三个方向0-100Hz范围内频域加速度的最大值；X、Y、Z三个方向分别单独施加加速度激励，激励点为步骤4中所述的获取时域加速度的白车身处；设置输出结果，包含保险杠系统中各部件的应力值和位移值；各分析参数设置完毕后导出bdf格式的计算文件，将计算文件提交nastran进行求解，可得到op2格式的结果文件。
8.根据权利要求1所述的基于频率响应的保险杠系统强度分析方法，其特征在于：所述方法中步骤7具体包括：
将步骤6中得到的op2格式结果文件导入CAE后处理软件HyperView中，分别读取保险杠系统中各个部件在X、Y、Z三个方向的Mises应力值并绘制出对应的频率响应曲线；
从频率响应曲线图上提取出保险杠系统中各个部件在X、Y、Z三个方向的最大Mises应力值，分别与各部件材料的屈服强度值进行对比，若各最大Mises应力值均小于各部件材料的屈服强度值，则保险杠系统振动强度满足要求，若各个部件中的最大Mises应力值有1个及以上的值大于各部件材料的屈服强度值，则存在振动失效的风险。
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CN114491825A (zh) * 2022-04-15 2022-05-13 岚图汽车科技有限公司 一种汽车翼子板振动强度分析方法
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