專利名稱：箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于汽車車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域，主要用于汽車的概念設(shè)計(jì)階段的抗撞性研究。具體涉及一種箱型截面(Box section)薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法，作為概念車身有限元模型中，對(duì)箱型截面薄壁梁在車身碰撞中的彎曲變形進(jìn)行分析。
背景技術(shù)：
箱型截面薄壁梁是車身承載部件中較常見的結(jié)構(gòu)，例如車身前、后縱梁。掌握箱型截面薄壁梁的彎曲特性是車身產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段達(dá)到抗撞性能指標(biāo)的基礎(chǔ)。在汽車車身概念設(shè)計(jì)中，首先要建立汽車的概念模型，它是對(duì)詳細(xì)模型的高度簡(jiǎn)化，由于概念車身有限元模型中用殼單元模擬薄壁梁是不現(xiàn)實(shí)的，因此構(gòu)成車身的吸能部件均被縮減為簡(jiǎn)化的梁?jiǎn)卧elgrade大學(xué)的Kecman通過大量的試驗(yàn)，總結(jié)并推導(dǎo)了箱型薄壁梁的彎曲特性簡(jiǎn)化計(jì)算方法，但此方法中的某些關(guān)鍵參數(shù)來(lái)源于半經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)。麻省理工(MIT)的 T. Wierzbicki等人提出了滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)容許條件的箱型薄壁梁軸向壓潰特性的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。Louisville大學(xué)的Y. C. Liu等人忽略了面內(nèi)的延展變形，分別推導(dǎo)了六邊型、槽型和圓型截面薄壁梁的彎曲特性計(jì)算方法。目前尚無(wú)滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)容許條件的箱型薄壁梁彎曲特性的數(shù)值計(jì)算方法相關(guān)的研究成果。在發(fā)生彎曲變形時(shí)，出現(xiàn)的塑性鉸線被視為薄壁梁結(jié)構(gòu)變形能量耗散的唯一途徑。本發(fā)明通過大量試驗(yàn)以及數(shù)值模擬，針對(duì)箱型截面薄壁梁提出簡(jiǎn)化分析方法，此方法滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)容許條件，能夠在縮減建模之前，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的抗彎性能，從而避開了非線性問題繁瑣的建模及分析過程。通過國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)檢索，在汽車車身概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，未發(fā)現(xiàn)有類似的針對(duì)箱型截面薄壁梁結(jié)構(gòu)彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有汽車車身概念設(shè)計(jì)技術(shù)中建模及分析過程十分繁瑣的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法，即利用箱型截面薄壁梁結(jié)構(gòu)在受到非軸向載荷作用下的彎曲變形機(jī)理，提出了一種改進(jìn)的、滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)容許條件的彎曲特性分析方法。利用此方法，可以得到彎曲過程中不同的塑性鉸線及其產(chǎn)生的相對(duì)轉(zhuǎn)角，以及塑性鉸區(qū)域耗散能量的表達(dá)形式。在僅需要箱型截面薄壁梁結(jié)構(gòu)的截面幾何參數(shù)和材料屈服極限的條件下，即可通過得到的解析表達(dá)式求得近似的整體結(jié)構(gòu)在彎曲過程中彎矩與塑性轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線(Μ(θ)-Θ曲線)。本發(fā)明提供的簡(jiǎn)化模型能夠更準(zhǔn)確模擬箱型截面薄壁梁，可應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)階段對(duì)車身結(jié)構(gòu)中類似薄壁梁部件彎曲吸能變形的模擬。本發(fā)明主要通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)將各條塑性鉸線按其長(zhǎng)度是否變化進(jìn)行分類；
(2)計(jì)算沿各條塑性鉸線耗散的能量率；(3)計(jì)算由凸起的環(huán)形表面耗散的能量率；(4)計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的彎曲特性。其中，步驟(1)中將塑性鉸線分為①長(zhǎng)度固定的鉸線，包括凹陷平面邊界、拉伸平面邊界、膨脹平面邊界；②滾動(dòng)的鉸線；③環(huán)形表面。結(jié)合附圖中的實(shí)例，將塑性鉸線分為(為簡(jiǎn)化計(jì)算，并考慮到整體結(jié)構(gòu)的幾何對(duì)稱性，僅列出了一半體積)①長(zhǎng)度固定的鉸線包括凹陷平面邊界GH、EF、AC ；拉伸平面邊界KN、LM ；膨脹平面邊界GK、EL、KL。②滾動(dòng)的鉸線GA、EA、KA、LA。③環(huán)形表面點(diǎn)A區(qū)域。設(shè)簡(jiǎn)化模型的截面幾何參數(shù)為Ifl―和1_，厚度為t，在彎曲過程中，塑性轉(zhuǎn)角為 θ，彎曲區(qū)域長(zhǎng)度為池，且其值等于Iflange和Iweb中的較小者。步驟( 包括計(jì)算塑性鉸線長(zhǎng)度、計(jì)算塑性鉸線的相對(duì)轉(zhuǎn)角、計(jì)算各條塑性鉸線耗散的能量率，具體為沿任意塑性鉸線耗散的能量率Ei可表示為Ei = Ii · M0 · COi式中，i為塑性鉸線條數(shù)，Ii為塑性鉸線的長(zhǎng)度，Mtl為發(fā)生塑性彎曲時(shí)的單位彎矩， 它是由結(jié)構(gòu)幾何尺寸和材料屬性決定的，Mtl= σ 0t2/4, 流變應(yīng)力，t是薄壁梁的壁厚， Qi為沿對(duì)應(yīng)的塑性鉸線產(chǎn)生的相對(duì)轉(zhuǎn)角。需要注意的是，步驟O)中所述的“塑性鉸線”僅包括步驟(1)所述的第一類和第二類塑性鉸線，即①長(zhǎng)度固定的鉸線，包括凹陷平面邊界、拉伸平面邊界、膨脹平面邊界； ②滾動(dòng)的鉸線。步驟( 考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)容許的連續(xù)速度場(chǎng)，計(jì)算環(huán)形表面耗散的能量率，即Etor = S 5(ΜΦΦ κ ΦΦ+ΝΦΦ ε )dS式中，κ 和ε 分別表示轉(zhuǎn)動(dòng)速率張量和拉伸速率張量，彎矩11 和薄膜力 Ν 均由柯西應(yīng)力張量定義，S為板殼的中性面面積，Φ為環(huán)的圓周角。需要注意的是，步驟(3)中所述的“環(huán)形表面”為步驟(1)所述的第三類塑性鉸線， 即③環(huán)形表面。步驟(4)將步驟⑵中得到的各條塑性鉸線耗散的總能量率與步驟(3)得到的環(huán)形表面耗散的能量率相加，得到整體結(jié)構(gòu)的彎曲特性表達(dá)形式，具體為在塑性轉(zhuǎn)角為θ時(shí)，各條塑性鉸線及環(huán)形表面耗散的總體能量率為Ebox(O) = YjE人 θ) +Et。r{6)
i在塑性轉(zhuǎn)角為θ時(shí)，彎矩Μ(θ)與塑性轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系，即整體結(jié)構(gòu)的彎曲特性的表達(dá)形式為式中，Δ θ表示塑性轉(zhuǎn)角θ的微小增量。本發(fā)明的有益效果為通過該箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法，能夠很好地滿足汽車概念設(shè)計(jì)階段中對(duì)車身簡(jiǎn)化框架結(jié)構(gòu)建模及抗撞性分析的需要，并能夠輔助設(shè)計(jì)人員快速提取此類薄壁梁結(jié)構(gòu)的抗彎特性，避免了傳統(tǒng)有限元分析及試驗(yàn)的繁瑣工作，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)初步設(shè)計(jì)方案的性能快速評(píng)估和快速修改，縮短了設(shè)計(jì)周期。


圖1箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法流程2箱型截面薄壁梁彎曲變形的褶皺模型(一半體積)圖3箱型直梁縱向截面的彎曲示意4點(diǎn)A在yz平面內(nèi)的坐標(biāo)圖5面KAG與面GKLE的相對(duì)轉(zhuǎn)角η ( 一半體積)圖6環(huán)形面的俯視7截面1的彎矩和塑性轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線對(duì)比圖8截面2的彎矩和塑性轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線對(duì)比圖9截面3的彎矩和塑性轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線對(duì)比圖10截面4的彎矩和塑性轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線對(duì)比圖11截面5的彎矩和塑性轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線對(duì)比
具體實(shí)施方案下面，將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹。圖1為本發(fā)明的箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法流程圖，由圖可知，本發(fā)明將整體技術(shù)路線概括為四個(gè)步驟(1)將各條塑性鉸線按其長(zhǎng)度是否變化進(jìn)行分類；(2)計(jì)算沿各條塑性鉸線耗散的能量率；(3)計(jì)算由凸起的環(huán)形表面耗散的能量率；(4)計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的彎曲特性。在發(fā)生彎曲變形時(shí)，出現(xiàn)的塑性鉸線被視為薄壁梁結(jié)構(gòu)變形能量耗散的唯一途徑。因此，本發(fā)明通過對(duì)彎曲變形區(qū)域內(nèi)的每段塑性鉸線進(jìn)行標(biāo)識(shí)，計(jì)算每段所耗散的能量率，為滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)容許條件，計(jì)算了由凸起的環(huán)形表面耗散的能量率，最終得到箱型薄壁梁整體結(jié)構(gòu)所耗散的能量率。圖2為本發(fā)明的箱型截面薄壁梁彎曲變形的褶皺模型，下面具體介紹步驟O)中計(jì)算沿各條塑性鉸線耗散的能量率的計(jì)算方法及步驟(3)中環(huán)形表面耗散的能量率的計(jì)算方法
步驟O)中計(jì)算各條塑性鉸線耗散的能量率主要包括以下兩步計(jì)算沿固定鉸線耗散的能量率和沿滾動(dòng)鉸線耗散的能量率。結(jié)合圖2、圖3、圖4和圖5做具體介紹設(shè)所有的塑性變形都發(fā)生在塑性鉸線上，且塑性鉸線可分為兩種類型固定塑性鉸線和移動(dòng)塑性鉸線，固定塑性鉸線包括GH、EF、AC、KN、LM、GK、EL、KL ；移動(dòng)塑性鉸線包括 GA、EA、KA、LA。點(diǎn)B的坐標(biāo)可以表示為xB = h
權(quán)利要求
1 一種箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法，包括以下步驟1)將各條塑性鉸線按其長(zhǎng)度是否變化進(jìn)行分類，包括長(zhǎng)度固定的鉸線，滾動(dòng)的鉸線， 環(huán)形表面，長(zhǎng)度固定的鉸線，包括凹陷平面邊界、拉伸平面邊界、膨脹平面邊界；2)計(jì)算沿各條塑性鉸線耗散的能量率，包括計(jì)算塑性鉸線長(zhǎng)度、計(jì)算塑性鉸線的相對(duì)轉(zhuǎn)角、計(jì)算各條塑性鉸線耗散的能量率；3)計(jì)算由凸起的環(huán)形表面耗散的能量率，考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)容許的連續(xù)速度場(chǎng)，計(jì)算環(huán)形表面耗散的能量率；4)計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的彎曲特性，將步驟2)中得到的各條塑性鉸線耗散的總能量率與步驟3)得到的環(huán)形表面耗散的能量率相加，得到整體結(jié)構(gòu)的彎曲特性表達(dá)形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法，其特征在于，所述的步驟2、中，沿任意塑性鉸線耗散的能量率Ei可表示為Ei = Ii · M0 · Coi式中，i為塑性鉸線條數(shù)，Ii為塑性鉸線的長(zhǎng)度，Mtl為發(fā)生塑性彎曲時(shí)的單位彎矩，它是由結(jié)構(gòu)幾何尺寸和材料屬性決定的，Mtl = σ 0t2/4, c^為流變應(yīng)力，t是薄壁梁的壁厚，Coi 為沿對(duì)應(yīng)的塑性鉸線產(chǎn)生的相對(duì)轉(zhuǎn)角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法，其特征在于，所述的步驟幻計(jì)算環(huán)形表面耗散的能量率，即Etor _ f 3(ΜφφΚφ φ +N φ φ ε φ φ) dS式中，和￡ 分別表示轉(zhuǎn)動(dòng)速率張量和拉伸速率張量，彎矩11 和薄膜均由柯西應(yīng)力張量定義，S為板殼的中性面面積，Φ為環(huán)的圓周角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法，其特征在于，所述的步驟4)整體結(jié)構(gòu)的彎曲特性表達(dá)形式為在塑性轉(zhuǎn)角為θ時(shí)，各條塑性鉸線及環(huán)形表面耗散的總體能量率為i在塑性轉(zhuǎn)角為θ時(shí)，彎矩Μ(θ)與塑性轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系，即整體結(jié)構(gòu)的彎曲特性的表達(dá)形式為式中，Δ θ表示塑性轉(zhuǎn)角θ的微小增量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡(jiǎn)化分析方法，屬于汽車車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域，主要用于汽車的概念設(shè)計(jì)階段的抗撞性研究，作為概念車身有限元模型中，對(duì)箱型截面薄壁梁在車身碰撞中的彎曲變形進(jìn)行分析。本發(fā)明主要由四個(gè)步驟組成，即將各條塑性鉸線按其長(zhǎng)度是否變化進(jìn)行分類、計(jì)算沿各條塑性鉸線耗散的能量率、計(jì)算由凸起的環(huán)形表面耗散的能量率、計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的彎曲特性。本發(fā)明能夠很好地滿足汽車概念設(shè)計(jì)階段中對(duì)車身簡(jiǎn)化框架結(jié)構(gòu)建模及抗撞性分析的需要，并能夠輔助設(shè)計(jì)人員快速提取此類薄壁梁結(jié)構(gòu)的抗彎特性，避免了傳統(tǒng)有限元分析及試驗(yàn)的繁瑣工作，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)初步設(shè)計(jì)方案的性能快速評(píng)估和快速修改，縮短了設(shè)計(jì)周期。
文檔編號(hào)G01B21/32GK102322842SQ201110136359
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者左文杰, 徐濤, 李亦文, 李恒, 李行, 程鵬 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)