CN117172041A - 一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，包括车身有限元模型搭建；采用综合模态法对车身有限元模型进行简化处理，创建车身柔性体简化模型；ADAMS整车多体动力学模型搭建；数字化路面制作及虚拟试验场仿真；顶棚天窗玻璃关键位置变形量计算。本方法在产品设计初期模拟电动车在极端路面工况下的天窗玻璃间隙运动情况，分析仿真过程中车身和天窗玻璃之间的间隙变化，通过仿真结果指导优化设计，规避产品使用过程中的磕碰风险；仿真方法考虑了天窗玻璃、车身和底盘结构的装配关系，用虚拟路面高度还原实际路况，在设计初期规避天窗磕碰问题，优化了天窗玻璃间隙的设计流程，极大的缩短了研发周期，节约了研发成本。
Description
技术领域
本发明属于汽车技术领域，具体涉及一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙仿真分析方法。
背景技术
天窗玻璃是提高汽车室内采光的重要结构，随着电动车的逐渐普及，用户对驾乘体验的要求越来越高，尤其对于车顶玻璃的造型及采光效果有了更加严格的要求，从而导致天窗玻璃的布置空间逐渐增大。
当汽车通过扭曲路面时，车身会发生较大的扭曲变形，车顶横、纵梁结构和天窗玻璃容易干涉碰撞，长时间的运动干涉势必造成玻璃强度降低，极为严重时会导致玻璃碎裂，对乘员安全产生威胁。
按照现有的设计流程，白车身横、纵梁的扭转变形可以通过试验或者仿真获得，但未考虑整车的装配工况、实际路面的影响，试验或者仿真得到的变形往往无法准确还原天窗玻璃和车顶横、纵梁的干涉情况。另外，试制车辆下线后还需要在试验路面进行基本功能测试，一旦出现天窗玻璃磕碰的问题将会导致设计方案重新迭代，延长产品设计周期，无法在设计初期锁定天窗玻璃的布置方案，重复以上设计过程会造成极大的研发成本。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种基于虚拟试验场的电动车天窗间隙变形的仿真分析方法，以解决在产品设计初期模拟电动车在极端路面工况下的天窗玻璃间隙运动情况，分析仿真过程中车身和天窗玻璃之间的间隙变化，规避天窗磕碰的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，包括以下步骤：
A、车身有限元模型搭建
A1、车身及附属结构几何模型清理；
A2、车身、顶棚天窗玻璃2D面网格划分；
A3、车身非壳体部件、顶棚天窗玻璃3D体网格划分；
A4、零部件接触、焊点等连接关系定义；
A5、零部件材料定义和截面属性赋予；
B、采用综合模态法对车身有限元模型进行简化处理，创建车身柔性体简化模型；
C、ADAMS整车多体动力学模型搭建；
D、数字化路面制作及虚拟试验场仿真；
E、基于应力恢复发的顶棚天窗玻璃关键位置变形量计算。
进一步地，步骤A1，具体为：利用hypermesh导入附带天窗玻璃的车身几何模型，将内饰结构、螺栓、橡胶衬套进行几何清理，并将剩余的几何模型按名称进行分组。
进一步地，步骤A2，具体为：将步骤A几何文件导入ANSA，打开batch mesh模块定义网格尺寸、形状、几何特征和网格质量参数，采用批处理方法进行网格划分。
进一步地，步骤A3，具体为：将面网格文件导入hypermesh打开，对悬置炮塔、玻璃、胶条、电池包结构进行体网格划分，统一定义面网格和体网格的单元类型，三角形和四面体采用S3、S4单元，四面体采用C3D4单元，六面体采用C3D8单元，通过以上步骤完成车身网格划分。
进一步地，步骤A4，具体为：将车身骨架、防撞梁、行李箱、胶条、玻璃通过rb3单元进行连接，通过rigid单元连接螺栓装配的零部件，在车身和减振器、弹簧、副车架、控制臂的连接位置建立子系统装配节点，并通过rigid单元与附近零部件装配孔进行自由度耦合。
进一步地，步骤A5，具体为：对于弹性材料需要定义弹性模量、泊松比、密度属性，对于塑性材料还需要定义非线性刚度特性。
进一步地，步骤B，具体为：采用综合模态法对车身有限元模型进行简化处理，将车身复杂结通过关键的节点和1D单元进行表征，简化后模型通过NASTRAN软件进行自由模态计算，整体车身的模态信息通过计算赋予到临近的有限元节点和和1D单元上，得到包含车身模态信息的简化柔性体模型。
进一步地，步骤C，具体为：根据悬架系统零部件的硬点坐标、质量、惯量、弹性元件刚度、阻尼元件曲线等参数搭建悬架子系统，根据轮胎滚动半径、胎压等参数选择合适的轮胎模型，并将柔性体简化车身模型导入ADAMS创建车身子系统，最后建立各子系统之间的装配通讯关系，将悬架、车身、轮胎、制动、传动等子系统组合成整车模型。
进一步地，步骤D，具体为：使用3D激光扫描技术采集试验场真实路面的几何轮廓，将路面几何模型导入hypermesh进行路面网格划分，将生成的路面网格节点进行提取，用在ADAMS生成标准化路面文件，并将整车多提动力学模型和数字化路面进行匹配；打开整车模拟控制模块，保持仿真车速和实际车速相同，锁定方向盘，执行仿真操作并查看仿真动画，获得简化柔性体车身的变形仿真结果。
进一步地，步骤E，具体为：在车身有限元模型中提取天窗玻璃间隙校核位置的节点编号，使用应力恢复法将将步骤D生成的车身计算结果文件、柔性体简化计算中过程文件导入NASTRAN软件进行天窗玻璃间隙变形量计算，最后从计算结果文件中提取校核节点的变形量，并与设计标准进行对比，如果变形量大于设计值，需要重新布置天窗玻璃，增大初始间隙，重复以上步骤，直到设计达标。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于虚拟试验场的电动车天窗间隙变形的仿真分析方法，在产品设计初期模拟电动车在极端路面工况下的天窗玻璃间隙运动情况，分析仿真过程中车身和天窗玻璃之间的间隙变化，通过仿真结果指导优化设计，规避产品使用过程中的磕碰风险；本发明所提出的仿真方法考虑了天窗玻璃、车身和底盘结构的装配关系，用虚拟路面高度还原实际路况，在设计初期规避天窗磕碰问题，优化了天窗玻璃间隙的设计流程，极大的缩短了研发周期，节约了研发成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1本发明基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙仿真分析方法步骤流程图；
图2车身有限元模型；
图3车身简化线框模型；
图4整车多体动力学模型虚拟试验场仿真；
图5天窗玻璃间隙校核位置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，可用于电动车顶棚玻璃间隙仿真计算，该方法可有效降低天窗玻璃磕碰的风险，其步骤流程如下：
1、车身及附属结构几何模型清理；
2、车身、顶棚玻璃2D面网格划分；
3、车身非壳体部件、顶棚玻璃3D体网格划分；
4、零部件接触、焊点等连接关系定义；
5、零部件材料定义和截面属性赋予；
6、基于模态综合法的柔性体简化模型创建；
7、ADAMS整车多体动力学模型装配；
8、数字化路面制作及虚拟试验场仿真，简化柔性体车身变形结果文件导出；
9、基于应力恢复法的顶棚玻璃关键位置变形量计算，再完成变形量校核判断。
具体地，包括以下步骤：
首先，利用hypermesh导入附带天窗玻璃的车身几何模型进行几何清理，然后利用ANSA软件对清理后的几何模型进行面网格划分，并导入hypermesh软件进行悬置、玻璃、胶条等结构的体网格划分，定义零部件之间的接触和连接关系，建立材料属性并赋予零部件截面特征，以此完成车身有限元模型的搭建。
接着，直接利用车身模型进行有限元仿真计算需要消耗大量的计算资源，车身所包含的子结构众多，解算过程中容易出现难以收敛，本发明采用综合模态法对车身有限元模型进行简化处理，将车身复杂结通过关键的节点和1D单元进行表征，简化后模型通过NASTRAN软件进行自由模态计算，整体车身的模态信息通过计算赋予到临近的有限元节点和和1D单元上，得到包含车身模态信息的简化柔性体模型，大大减少了模型的在自由度。
然后，将简化柔性体车身模型导入ADAMS软件查看模态振型动画，保证柔性体简化模型能够包含原始车身有限元模型的主要模态信息。将匹配的前后悬架子系统、轮胎模型、传动子系统、制动子系统和柔性体车身模型进行装配，搭建整车刚柔耦合仿真模型。
再通过能够随整车移动的3D激光路面扫描技术获取实际路面几何轮廓信息，通过有限元逼近方法将点云几何轮廓网格化，完成高度还原实际路况的数字化路面建模，并将路面模型导入ADAMS软件与整车模型进行位置校对，从而完成天窗玻璃间隙校核的虚拟试验场仿真模型搭建。
接着，采用和实际车速相同的工况进行时域多体动力学模拟，路面激励通过轮胎、悬架系统传递到车身上，简化的柔性体车身模型记录时域变形信息，仿真结束后将包含变形信息的柔性体车身计算文件导出保存。
最后，在原始有限元车身模型上提取天窗玻璃间隙校核的关键节点编号，通过应力恢复方法将简化的柔性体虚拟路面仿真和车身有限元模型的其他节点进行关联，可以间接计算出天窗玻璃附件关键节点的变形结果，然后和设计要求进行对比，以此验证当前设计方案的间隙设计合理性。如果不满足设计要求，需要更改天窗玻璃布置方案，重新进行以上步骤的仿真工作，直到设计方案满足要求。
实施例1
第一步：车身及附属结构几何模型准备。将CATIA等几何建模软件创建的车身三维几何模型导入hypermesh软件，将内饰结构、螺栓、橡胶衬套等细节几何清理，并将剩余的几何模型按名称进行分组，方便后续网格划分和连接关系定义，清理后的几何模型保存为.stp格式。
第二步：车身、天窗玻璃面网格划分。将第一步的几何文件导入ANSA软件，打开batch mesh模块定义网格尺寸、形状、几何特征和网格质量参数(纵横比、雅可比、翘曲等)，采用批处理方法进行网格划分，相对于手动网格划分方法节省了大量工作时间，最后将面网格文件导出为.inp格式保存。
第三步：车身非壳体部件、天窗玻璃体网格划分。将面网格文件导入hypermesh打开，对悬置炮塔、玻璃、胶条、电池包等结构进行体网格划分，统一定义面网格和体网格的单元类型，三角形和四面体采用S3、S4单元，四面体采用C3D4单元，六面体采用C3D8单元，通过以上步骤完成车身网格划分。
第四步：零部件接触、焊点等连接关系定义。将车身骨架、防撞梁、行李箱、胶条、玻璃等零部件通过rb3单元进行连接，通过rigid单元连接螺栓装配的零部件。在车身和减振器、弹簧、副车架、控制臂的连接位置建立子系统装配节点，并通过rigid单元与附近零部件装配孔进行自由度耦合。
第五步：定义材料并赋予零部件材料属性。车身零部件种类众多，连接关系复杂，需要准确定义接近零部件真实物理特性的材料属性才能保证仿真的精确性。对于弹性材料需要定义弹性模量、泊松比、密度等属性，对于塑性材料还需要定义非线性刚度特性。通过以上步骤完成车身有限元模型的搭建(如图2)。
第六步：车身柔性体简化模型创建。对于上述有限元模型，在车身的梁柱、挡风玻璃、天窗玻璃，前机舱、防撞梁、轮边、侧围边缘采用1D plot单元描绘简化线框模型(如图3)，简化过程中应避免和焊点、刚性耦合单元等共享节点。然后对plot单元用连续数字重新编号，对于连接悬架等子系统的车身连接装配节点按规律进行编号并做好记录，将以上模型保存为.bdf计算文件。编写NASTRAN计算主文件，红色标注部分代表1D plot单元起止编号和悬架子系统车身连接点编号，并将包含线框单元的有限元模型文件和主文件放在同一文件夹下，利用NASTRAN提交主文件进行计算，计算结束后将模态综合法生成的.mnf文件进行保存，以上步骤实现车身有限元模型简化为柔性体线框模型。
第七步：ADAMS整车多体动力学模型搭建。根据悬架系统零部件的硬点坐标、质量、惯量、弹性元件刚度、阻尼元件曲线等参数搭建悬架子系统，根据轮胎滚动半径、胎压等参数选择合适的轮胎模型，并将.mnf柔性体简化车身模型导入ADAMS创建车身子系统，最后建立各子系统之间的装配通讯关系，将悬架、车身、轮胎、制动、传动等子系统组合成整车模型。对于搭建好的整车模型进行静态调试和动态调试，静态调试过程中在轮心加载垂向、纵向、侧性载荷，计算模型的三个主方向的刚度和试验结果是否一致，如果偏差较大，需要调节衬套、弹簧、稳定杆等弹性元件的刚度参数，使得刚度仿真结果和静态测试一致；动态调试过程中需要调节衬套、减振器等阻尼元件的动态阻尼特性，使得整车动态仿真统计结果和试验规律一致。
第八步：数字化路面制作及虚拟试验场仿真。使用3D激光扫描技术采集试验场真实路面的几何轮廓，将路面几何模型导入hypermesh进行路面网格划分，网格尺寸为5mm，将生成的路面网格节点进行提取，用在ADAMS生成标准化.crg路面文件，并将整车多提动力学模型和数字化路面进行匹配，保证轮胎和路面之间能够紧密接触。打开整车模拟控制模块，保持仿真车速和实际车速相同，锁定方向盘，避免仿真过程中模型和路面偏离，执行仿真操作并查看仿真动画(如图4)，获得简化柔性体车身的变形仿真结果，并导出为.mdf计算文件。
第九步：天窗玻璃关键位置变形量计算。在车身有限元模型中提取天窗玻璃间隙校核位置的节点编号(如图5)，使用应力恢复法将将第八步生成的车身mdf计算结果文件、柔性体简化计算中的.master、.DBALL、.IFPDAT过程文件导入NASTRAN软件进行天窗玻璃间隙变形量计算，最后从.op2计算结果文件中提取校核节点的变形量，并与设计标准进行对比，如果变形量大于设计值，需要重新布置天窗玻璃，增大初始间隙，重复以上步骤，直到设计达标。
本发明使用虚拟试验场方法进行天窗玻璃间隙的变形量仿真分析，考虑了车身和整车其他子系统之间的装配关系，高保真还原了真实路面环境，在设计初期就能高精度反映天窗玻璃间隙的变形情况，相比于试验测量和车身刚度计算两种方法具有独特优势，能够节省研发成本，缩短研发周期。使用模态综合和应力恢复两种方法进行模型简化和变形恢复，避免了使用完整有限元模型进行长时间计算导致的资源浪费和收敛困难，并且可以结合虚拟试验场进行不同路面工况的长时间仿真，最终的变形计算分析不限于天窗玻璃附近的节点。
注意，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，本发明不限于这里所述的特定实施例，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 (10)
1.一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、车身有限元模型搭建
A1、车身及附属结构几何模型清理；
A2、车身、顶棚天窗玻璃2D面网格划分；
A3、车身非壳体部件、顶棚天窗玻璃3D体网格划分；
A4、零部件接触、焊点等连接关系定义；
A5、零部件材料定义和截面属性赋予；
B、采用综合模态法对车身有限元模型进行简化处理，创建车身柔性体简化模型；
C、ADAMS整车多体动力学模型搭建；
D、数字化路面制作及虚拟试验场仿真；
E、基于应力恢复发的顶棚天窗玻璃关键位置变形量计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，其特征在于，步骤A1，具体为：利用hypermesh导入附带天窗玻璃的车身几何模型，将内饰结构、螺栓、橡胶衬套进行几何清理，并将剩余的几何模型按名称进行分组。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，其特征在于，步骤A2，具体为：将步骤A几何文件导入ANSA，打开batch mesh模块定义网格尺寸、形状、几何特征和网格质量参数，采用批处理方法进行网格划分。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，其特征在于，步骤A3，具体为：将面网格文件导入hypermesh打开，对悬置炮塔、玻璃、胶条、电池包结构进行体网格划分，统一定义面网格和体网格的单元类型，三角形和四面体采用S3、S4单元，四面体采用C3D4单元，六面体采用C3D8单元，通过以上步骤完成车身网格划分。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，其特征在于，步骤A4，具体为：将车身骨架、防撞梁、行李箱、胶条、玻璃通过rb3单元进行连接，通过rigid单元连接螺栓装配的零部件，在车身和减振器、弹簧、副车架、控制臂的连接位置建立子系统装配节点，并通过rigid单元与附近零部件装配孔进行自由度耦合。
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，其特征在于，步骤A5，具体为：对于弹性材料需要定义弹性模量、泊松比、密度属性，对于塑性材料还需要定义非线性刚度特性。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，其特征在于，步骤B，具体为：采用综合模态法对车身有限元模型进行简化处理，将车身复杂结通过关键的节点和1D单元进行表征，简化后模型通过NASTRAN进行自由模态计算，整体车身的模态信息通过计算赋予到临近的有限元节点和和1D单元上，得到包含车身模态信息的简化柔性体模型。
8.根据权利要求1所述的一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，其特征在于，步骤C，具体为：根据悬架系统零部件的硬点坐标、质量、惯量、弹性元件刚度、阻尼元件曲线等参数搭建悬架子系统，根据轮胎滚动半径、胎压等参数选择合适的轮胎模型，并将柔性体简化车身模型导入ADAMS创建车身子系统，最后建立各子系统之间的装配通讯关系，将悬架、车身、轮胎、制动、传动等子系统组合成整车模型。
9.根据权利要求1所述的一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，其特征在于，步骤D，具体为：使用3D激光扫描技术采集试验场真实路面的几何轮廓，将路面几何模型导入hypermesh进行路面网格划分，将生成的路面网格节点进行提取，用在ADAMS生成标准化路面文件，并将整车多提动力学模型和数字化路面进行匹配；打开整车模拟控制模块，保持仿真车速和实际车速相同，锁定方向盘，执行仿真操作并查看仿真动画，获得简化柔性体车身的变形仿真结果。
10.根据权利要求1所述的一种基于虚拟试验场的电动车天窗玻璃间隙的仿真分析方法，其特征在于，步骤E，具体为：在车身有限元模型中提取天窗玻璃间隙校核位置的节点编号，使用应力恢复法将将步骤D生成的车身计算结果文件、柔性体简化计算中过程文件导入NASTRAN软件进行天窗玻璃间隙变形量计算，最后从计算结果文件中提取校核节点的变形量，并与设计标准进行对比，如果变形量大于设计值，需要重新布置天窗玻璃，增大初始间隙，重复以上步骤，直到设计达标。
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