CN115081105A - 一种车身强度危险工况识别及优化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车身强度危险工况识别及优化分析方法。包括车身疲劳强度分析、危险工况识别与载荷提取及车身静强度优化分析；建立疲劳强度计算模型，设置车身底盘连接点信号通道，基于激励点单位力强度分析结果进行载荷谱下应变‑寿命疲劳强度分析；参考疲劳寿命云图进行高损伤路谱识别和高应力时刻识别，完成危险工况确定和载荷提取；基于危险工况载荷进行白车身静强度优化并验算优化方案疲劳强度。本发明通过在白车身开发阶段借助路谱包含道路信息的全面性，在常规分析工况之外，识别车身强度危险工况，并对结构进行合理优化设计，保证车辆强度性能，避免过设计，降低企业研发成本。

Description

一种车身强度危险工况识别及优化分析方法

技术领域

本发明涉及一种车身强度优化分析方法，具体涉及一种车身强度危险工况识别及优化分析方法。

背景技术

在白车身研发阶段，车辆生产企业需对白车身进行车身强度有限元仿真分析，以校核车身强度是否符合设计要求，白车身强度分析工况通常选取10到20个典型分析工况，但这些典型分析工况无法完全覆盖车辆参数差异性及其与复杂路况相互作用时产生的个别极端工况，而这些极端工况可能造成车辆使用过程中的强度破坏。

近年来，乘用车轻量化设计趋势的逐步加深，对白车身开发环节提出严峻挑战，在尽量降低白车身质量的前提下，同时需要确保车身强度性能，利用先进的技术手段，在项目早期对性能进行准确评估显得尤为重要。在白车身开发阶段，如何准确高效选择分析工况对车辆性能进行校核和优化迭代，对于缩短开发周期、提升产品质量有极大的帮助。

专利文献1(CN 113434964 A)中公开了一种车身静态载荷的提取及处理方法，通过建立前后悬架激励台架，将前后悬架模型和前后悬架激励台架整合为一个整车静态载荷提取模型，仅运行一次仿真，同时输出统一的车身载荷文件，不需再次人为处理整合。简化仿真方法，大量缩短处理时间，避免过程中载荷文件整合处理的失误。

专利文献2(CN 103049585 B)公开了一种汽车底盘零部件及车身在极限工况载荷提取方法及装置，用于解决汽车底盘零部件及车身在极限工况F的载荷提取问题。该汽车底盘零部件及车身在极限工况F载荷提取方法包括：获取汽车前后悬架的第一个ADAMS悬架模型及其前后悬架在各种极限工况F的轮胎载荷参数表；根据选定的极限工况，调用并根据轮胎载荷参数表修改第一ADAMS悬架模型，得到与选定的极限工况相匹配的第二ADAMS悬架模型；以及分析第二ADAMS悬架模型，得到并输出选定的极限工况汽车底盘零部件及车身的载荷输出文件。发明的有益效果是：自动完成一个车型在己所有极限工况下的底盘零部件及车身的载荷提罢取，提高了载荷提取工作的效率和准确度。

专利文献3(CN 113705041 A)中公开了一种涉及车身耐久仿真分析技术领域，具体地指车身耐久仿真应力结果文件获取装置、分析装置及分析方法。包括，接附点顺序获取模块，用于提取车身路谱载荷信号中车身悬架接附点顺序；接附点编号分配模块，用于对构建的车身耐久有限元模型节点ID进行重新编号并将前面的编号按照车身悬架接附点顺序依次分配给车身悬架接附点；加载信息获取模块，用于获取车身悬架接附点的N*6个单位力和力矩以及对应的N*6个载荷步；求解计算模块，用于对已加载N*6个单位力和力矩以及对应的N*6个载荷步的车身耐久有限元模型进行求解计算获得车身在单位载荷作用下的应力结果文件。发明大幅度提高了车身应力结果文件的获取效率，减少了仿真时间

对于专利文献1公开的一种车身静态载荷的提取及处理方法主要针对载荷提取的自动化问题，重点在于节约时间成本，避免过多认为操作造成错误，文件仅专注于载荷提取这一过程，未涉及危险工况的识别。本发明通过基于实测路谱的疲劳强度识别和提取了针对特有车型本身的危险载荷。

对于专利文献2公开的一种汽车底盘零部件及车身在极限工况载荷提取方法及装置，用于解决汽车底盘零部件及车身在极限工况的载荷提取问题。其目的在于根据给定工况提取更加准确的载荷用于汽车底盘零部件的强度分析，例如指出如何处理轮胎模型等。本发明的所诉危险工况并不是给定的，是在分析过程中提取的，不是一中典型工况，载荷提取可同时应用于车身静强度和疲劳强度的优化。

对于专利文献3公开的一种一种涉及车身耐久仿真分析技术领域，其重点在于规范化和高效化的如何进行车身耐久性能分析，其发明内容仅与本发明最后的车身强度优化相关，未提及危险工况识别及载荷提取相关的内容。

发明内容

本发明的目的在于解决白车身强度分析危险工况的识别以及优化分析，提供了一种车身强度危险工况识别及优化分析方法。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

本发明涉及一种车身强度危险工况识别及优化分析方法。包括车身疲劳强度分析、危险工况识别与载荷提取及车身静强度优化分析；选择疲劳强度计算模型，设置路谱激励信号通道，计算基于单位载荷静强度应力应变结果的累计损伤，计算联合路谱累计损伤；基于危险工况载荷文件，对车身模型采用惯性释放方法进行静强度分析，针对此工况下强度不合格零件进行优化；本发明通过在白车身开发阶段借助路谱包含道路信息的全面性，在常规分析之外，识别车身强度危险工况，并对结构进行合理优化设计；保证车辆强度性能，避免过设计，降低企业研发成本。

一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，包括车身疲劳强度分析、危险工况识别与载荷提取及车身静强度优化分析；

所述车身疲劳强度分析：建立疲劳强度计算模型，设置路谱激励信号通道，计算基于单位载荷静强度应力应变结果的累计损伤，计算联合路谱累计损伤；

所述危险工况识别与载荷提取：包括疲劳寿命云图查看、高损伤路谱识别、高应力时刻识别和载荷提取；

所述车身静强度优化分析：基于危险工况载荷车身模型采用惯性释放方法进行静强度分析，针对此工况下强度不合格零件进行优化并复算疲劳强度。

惯性释放方法：一种静强度分析方法，常规静强度分析边界条件由外部载荷和约束两部分组成，分析对象会处于静平衡状态，约束处合力与转矩等于外部载荷合力与转矩，但是白车身静强度分析状态没有约束只有外载荷，车身不是静平衡状态，惯性释放方法会依据达朗贝尔原理施加虚约束并计算达朗贝尔惯性力去平衡外载荷合力和转矩，进而完成静力学分析。

进一步地，所述建立疲劳强度计算模型，具体内容如下：

疲劳强度计算模型采用SWT模型，SWT模型假设在一个循环中的疲劳损伤是通过σ_maxε_a确定的，其中σ_max为最大拉应力，ε_a为应变幅，σ_maxε_a与疲劳寿命的关系如下式：

其中，σ′_f为疲劳强度系数；

ε′_f为疲劳韧度系数；

b为疲劳强度指数；

c为疲劳韧度指数；

E为材料弹性模量；

N_f为疲劳寿命。

进一步地，所述设置路谱激励信号通道，具体包括：导入车身有限元分析模型计算文件和路谱文件，在模型的车身底盘连接点建立信号通道，用于加载路谱文件包含的位移激励。

进一步地，所述计算基于单位载荷静强度应力应变结果的累计损伤，具体包括：

生成单位力工况模型：建立信号通道位置单位力的子分析工况，子分析工况个数为信号通道数与每个信号通道数自由度数的乘积，求解方法为惯性释放法；将计算得到的结果文件导入疲劳强度计算模型，结果文件中包含了车身在各个通道位置作用单位载荷状态下的应力应变数据，用于计算结构疲劳累计损伤值；

求解单独路谱累计损伤：为每个路谱建立一个疲劳强度分析工况并求解结构累计损伤值，用于待分析车辆性能的推测分析，道路环境为用于耐久性测试的强化坏路，应具有覆盖绝大多数恶劣路况情况的特征。

进一步地，所述计算联合路谱累计损伤，具体内容如下：

根据每个路谱的循环次数建立联合工况并求解结构总的累计损伤值，计算公式：

累计损伤合计＝∑单独路谱累计损伤×路谱循环次数。

进一步地，所述危险工况识别与载荷提取，具体包括以下步骤：

Step1疲劳强度结果后处理；

基于车身疲劳强度计算结果，生成累计损伤云图，查找不合格零件及不合格零件具体位置；

Step2结果比对；

将车身疲劳强度计算结果与车身静强度计算结果进行比对，查找疲劳强度不合格但静强度合格的零件。

Step3查询危险工况路谱；

查看各路谱独立累计损伤值，寻找累计损伤值最大的路谱；

Step4提取危险工况载荷；

生成载荷谱下不合格零件应力时域历程曲线，确定应力最大值时刻，在路谱文件中提取应力最大时刻车身底盘连接点作用力值，生成危险工况载荷文件，供静强度验算优化。

优选地，采用拓扑优化、料厚寻优、经验方案优化手段，对车身强度不合格零件进行结构优化，降低最大应力值以达到要求。

进一步地，对优化后车身模型进行疲劳强度复算迭代，直至车身静强度和疲劳强度全部合格。

疲劳强度复算是指进行疲劳强度的再次验算，迭代是指可能无法在一轮优化后达到强度合格或者此零件合格却造成附近其它零件受力状态改变进而不合格，“迭代”是通用的工程术语，是指一轮一轮反复进行，下一次基于上一次的信息再次进行，直到达到目的需求。

进一步地，激励相位差恰好等于轴距或偶遇的单轮抬起这两个情况是识别出的危险工况中的两种常见情况。

白车身强度分析工况通常选取10到20个典型分析工况，但这些典型分析工况无法完全覆盖车辆参数差异性及其与复杂路况相互作用时产生的个别极端工况，而这些极端工况可能造成车辆使用过程中的强度破坏。这种危险工况可能跟车型的特有参数相关(如激励相位差恰好等于轴距或偶遇的单轮抬起)；激励相位差恰好等于轴距或偶遇的单轮抬起这两个情况只是可能识别出的危险工况中的两种常见情况，比较具象化，也是为了证明常规典型白车身静强度分析工况无法实现的难点：一是覆盖全部车辆使用情况(因为要兼顾分析的人力成本和时间成本)；二是无法体现车辆参数与路况的耦合作用。

进一步地，所述路谱通过平台车实测得来。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

本发明通过在白车身开发阶段借助路谱包含道路信息的全面性，在常规分析之外，识别车身强度危险工况，并对结构进行合理优化设计。保证车辆强度性能，避免过设计，降低企业研发成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述一种车身强度危险工况识别及优化分析方法流程图；

图2是本发明主要实施步骤流程图；

图3是危险工况识别所用应力时域曲线图；

图4是危险工况载荷提取说明示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图对本发明作详细的描述：

本发明公开了一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，包含白车身疲劳强度分析、危险工况识别与载荷提取及白车身静强度优化分析。

1)白车身疲劳强度分析：车身底盘连接点信号通道连通，白车身单位力模型强度分析和应变-寿命疲劳强度分析。

2)危险工况识别和载荷提取：疲劳寿命云图查看、高损伤路谱识别、高应力时刻识别和载荷提取。

3)白车身静强度优化分析：危险工况载荷加载和白车身惯性释放静强度分析。

本发明的目的在于解决白车身强度分析危险工况的识别以及优化分析，提供了一种可以在白车身开发阶段典型工况无法覆盖且具有潜在危险的工况识别方法，通过提取危险工况载荷并进行强度优化分析，提升车身强度性能，缩短产品开发周期，节约开发成本。

为达到上述目的，本发明所用使用的文件格式不是必要唯一的，仅辅助说明，可采用同类型软件的文件格式达到相同效果。但发明中所使用的理论和分析方法应相同，因为各步骤之间具有较强关联性，参阅图1、图2。

本发明包括建立车身底盘连接点信号通道，基于激励点单位力强度分析结果进行载荷谱下应变-寿命疲劳强度分析；参考疲劳寿命云图进行高损伤路谱识别和高应力时刻识别，完成危险工况确定和载荷提取；基于危险工况载荷进行白车身静强度优化并验算优化方案疲劳强度。本发明通过在白车身开发阶段借助路谱包含道路信息的全面性，在常规分析工况之外，识别车身强度危险工况，并对结构进行合理优化设计，保证车辆强度性能，避免过设计，降低企业研发成本。

1.白车身疲劳强度分析

疲劳寿命采用Smith-Wastion-Topper(SWT)模型，SWT模型假设在一个循环中的疲劳损伤是通过σ_maxε_a确定的，其中σ_max为最大拉应力，ε_a为应变幅，其与疲劳寿命的关系如下式：

其中，σ′_f为疲劳强度系数；

ε′_f为疲劳韧度系数；

b为疲劳强度指数；

c为疲劳韧度指数；

E为材料弹性模量；

N_f为疲劳寿命。

Step1建立信号通道

导入车身有限元分析模型计算文件(.dat格式或.bdf格式)和路谱文件(.asc格式)，在模型的车身底盘连接点建立信号通道用于加载路谱文件包含的位移激励。

Step2生成单位力工况模型

建立信号通道位置单位力的子分析工况，子分析工况个数为信号通道数与每个信号通道数自由度数的乘积，求解方法为惯性释放法。将计算得到的结果文件(.op2格式)导入疲劳强度计算模型，结果文件中包含了车身在各个通道位置作用单位载荷状态下的应力应变数据，用于计算结构疲劳累计损伤值。

Step3求解单独路谱累计损伤

为每个路谱建立一个疲劳强度分析工况并求解结构累计损伤值，所用路谱可通过平台车或骡子车实测得来，可用于待分析车辆性能的推测分析，道路环境为用于耐久性测试的强化坏路，应具有覆盖绝大多数恶劣路况情况的特征。

Step4求解联合路谱累计损伤

根据每个路谱的循环次数建立联合工况并求解结构总的累计损伤值，计算公式如下。

累计损伤合计＝∑单独路谱累计损伤×路谱循环次数

2.危险工况识别与载荷提取

参阅图3、图4，由于前述疲劳强度计算方法是基于车身静态分析的应力应变结果，且均通过惯性释放分析方法得到，其与车身静强度计算结果成正相关。因此，如果某个零件在疲劳强度计算中累计损伤值大于限值，但其车身典型工况静强度结果未出现不合格，可推断路谱激励使车身产生了不存在于典型静强度工况内的危险姿态，造成此零件应力值过高。

Step1疲劳强度结果后处理

基于车身疲劳强度计算结果，生成累计损伤云图，查找不合格零件及其具体位置。

Step2结果比对

将车身疲劳强度计算结果与车身静强度计算结果进行比对，查找疲劳强度不合格但静强度合格的零件。

Step3查询危险工况路谱

查看各路谱独立累计损伤值，寻找累计损伤值最大的路谱。

Step4提取危险工况载荷

生成载荷谱下不合格零件应力时域历程曲线，确定应力最大值时刻，在路谱文件中提取应力最大时刻车身底盘连接点作用力值，生成危险工况载荷文件，供静强度验算优化。

3.白车身静强度优化分析

基于危险工况载荷文件，对车身模型采用惯性释放方法进行静强度分析，针对此工况下强度不合格零件(与疲劳强度不合格零件相同)进行优化，对优化后车身模型进行疲劳强度复算迭代，直至车身静强度和疲劳强度全部合格。

本发明一种白车身强度危险工况的识别及优化分析方法，其特征在于包含白车身疲劳强度分析、危险工况识别与载荷提取及白车身静强度优化分析。

白车身疲劳强度分析，其特征在于疲劳强度理论模型的选择，路谱激励信号通道的设置方法、基于单位载荷静强度应力应变结果的累计损伤计算方法以及联合路谱累计损伤的计算方法。

危险工况识别与载荷提取，其特征在于由于疲劳强度计算结果是基于车身准静态分析的应力结果，且均通过惯性释放分析方法得到，其与车身静强度计算结果成正相关。因此，如果某个零件在疲劳强度计算中累计损伤值大于限值，但其车身静强度结果未出现不合格，可推断路谱激励使车身产生不存在于常规静强度工况内危险姿态，造成此零件应力值过高。查找最大累计损伤值路谱的极限应力时刻，提取对应时刻路谱车身底盘连接点载荷作为危险工况用于静强度优化计算。

根据输出的校核结果，采用拓扑优化、料厚寻优、经验方案等优化手段，对白车身强度不合格零件进行结构优化，降低最大应力值以达到要求。

综合可以识别车身开发过程中常用典型工况无法覆盖的危险工况，这种危险工况可能跟车型的特有参数相关(如激励相位差恰好等于轴距或偶遇的单轮抬起)。通过本方法可以实现疲劳强度和静强度的协同优化，同时避免将具有特异性的危险工况作为常规工况考虑的额外成本支出，提高效率，缩短开发周期，节约企业成本。

搭建动力学模型可选用Adams、Simpack和Simcenter3D.Motion等动力学软件，疲劳计算可选用Fe-Safe或N-Code等主流疲劳分析软件，可以用同样的输入获取同样的输出。强度优化可选用Hypermesh或Ansa做有限元的前处理，Nastran、Abaqus或Ansys做计算。

增加常规分析工况，但会增加较多的额外工作量，且易造成过设计。

可在道路实测后针对问题零件、路谱等信息进行强度复算，但会拖慢研发周期，且存在容易造成无法找到最优改进方案的弊端。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，其特征在于：包括车身疲劳强度分析、危险工况识别与载荷提取及车身静强度优化分析；

所述车身疲劳强度分析：建立疲劳强度计算模型，设置路谱激励信号通道，计算基于单位载荷静强度应力应变结果的累计损伤，计算联合路谱累计损伤；

所述危险工况识别与载荷提取：包括疲劳寿命云图查看、高损伤路谱识别、高应力时刻识别和载荷提取；

所述车身静强度优化分析：基于危险工况载荷车身模型采用惯性释放方法进行静强度分析，针对此工况下强度不合格零件进行优化并复算疲劳强度。

2.根据权利要求1所述的一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，其特征在于：

所述建立疲劳强度计算模型，具体内容如下：

疲劳强度计算模型采用SWT模型，SWT模型假设在一个循环中的疲劳损伤是通过σ_maxε_a确定的，其中σ_max为最大拉应力，ε_a为应变幅，σ_maxε_a与疲劳寿命的关系如下式：

其中，σ′_f为疲劳强度系数；

ε′_f为疲劳韧度系数；

b为疲劳强度指数；

c为疲劳韧度指数；

E为材料弹性模量；

N_f为疲劳寿命。

3.根据权利要求2所述的一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，其特征在于：

所述设置路谱激励信号通道，具体包括：导入车身有限元分析模型计算文件和路谱文件，在模型的车身底盘连接点建立信号通道，用于加载路谱文件包含的位移激励。

4.根据权利要求3所述的一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，其特征在于：

所述计算基于单位载荷静强度应力应变结果的累计损伤，具体包括：

生成单位力工况模型：建立信号通道位置单位力的子分析工况，子分析工况个数为信号通道数与每个信号通道数自由度数的乘积，求解方法为惯性释放法；将计算得到的结果文件导入疲劳强度计算模型，结果文件中包含了车身在各个通道位置作用单位载荷状态下的应力应变数据，用于计算结构疲劳累计损伤值；

求解单独路谱累计损伤：为每个路谱建立一个疲劳强度分析工况并求解结构累计损伤值，用于待分析车辆性能的推测分析，道路环境为用于耐久性测试的强化坏路，应具有覆盖绝大多数恶劣路况情况的特征。

5.根据权利要求4所述的一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，其特征在于：

所述计算联合路谱累计损伤，具体内容如下：

根据每个路谱的循环次数建立联合工况并求解结构总的累计损伤值，计算公式：

累计损伤合计＝∑单独路谱累计损伤×路谱循环次数。

6.根据权利要求5所述的一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，其特征在于：

所述危险工况识别与载荷提取，具体包括以下步骤：

Step1疲劳强度结果后处理；

基于车身疲劳强度计算结果，生成累计损伤云图，查找不合格零件及不合格零件具体位置；

Step2结果比对；

将车身疲劳强度计算结果与车身静强度计算结果进行比对，查找疲劳强度不合格但静强度合格的零件。

Step3查询危险工况路谱；

查看各路谱独立累计损伤值，寻找累计损伤值最大的路谱；

Step4提取危险工况载荷；

生成载荷谱下不合格零件应力时域历程曲线，确定应力最大值时刻，在路谱文件中提取应力最大时刻车身底盘连接点作用力值，生成危险工况载荷文件，供静强度验算优化。

7.根据权利要求1所述的一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，其特征在于：

采用拓扑优化、料厚寻优、经验方案优化手段，对车身强度不合格零件进行结构优化，降低最大应力值以达到要求。

8.根据权利要求7所述的一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，其特征在于：

对优化后车身模型进行疲劳强度复算迭代，直至车身静强度和疲劳强度全部合格。

9.根据权利要求7所述的一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，其特征在于：

激励相位差恰好等于轴距或偶遇的单轮抬起这两个情况是识别出的危险工况中的两种常见情况。

10.根据权利要求5所述的一种车身强度危险工况识别及优化分析方法，其特征在于：

所述路谱通过平台车实测得来。

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