箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法
2023-05-03 17:02:26
專利名稱：箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法
技術領域：
本發明屬於汽車車身設計領域，主要用於汽車的概念設計階段的抗撞性研究。具體涉及一種箱型截面(Box section)薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法，作為概念車身有限元模型中，對箱型截面薄壁梁在車身碰撞中的彎曲變形進行分析。
背景技術：
箱型截面薄壁梁是車身承載部件中較常見的結構，例如車身前、後縱梁。掌握箱型截面薄壁梁的彎曲特性是車身產品在概念設計階段達到抗撞性能指標的基礎。在汽車車身概念設計中，首先要建立汽車的概念模型，它是對詳細模型的高度簡化，由於概念車身有限元模型中用殼單元模擬薄壁梁是不現實的，因此構成車身的吸能部件均被縮減為簡化的梁單元。Belgrade大學的Kecman通過大量的試驗，總結並推導了箱型薄壁梁的彎曲特性簡化計算方法，但此方法中的某些關鍵參數來源於半經驗公式的推導。麻省理工(MIT)的 T. Wierzbicki等人提出了滿足運動學容許條件的箱型薄壁梁軸向壓潰特性的簡化計算方法。Louisville大學的Y. C. Liu等人忽略了面內的延展變形，分別推導了六邊型、槽型和圓型截面薄壁梁的彎曲特性計算方法。目前尚無滿足運動學容許條件的箱型薄壁梁彎曲特性的數值計算方法相關的研究成果。在發生彎曲變形時，出現的塑性鉸線被視為薄壁梁結構變形能量耗散的唯一途徑。本發明通過大量試驗以及數值模擬，針對箱型截面薄壁梁提出簡化分析方法，此方法滿足運動學容許條件，能夠在縮減建模之前，預測結構的抗彎性能，從而避開了非線性問題繁瑣的建模及分析過程。通過國內外相關文獻檢索，在汽車車身概念設計領域中，未發現有類似的針對箱型截面薄壁梁結構彎曲特性的簡化分析方法。
發明內容
針對現有汽車車身概念設計技術中建模及分析過程十分繁瑣的問題，本發明的目的在於提出一種箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法，即利用箱型截面薄壁梁結構在受到非軸向載荷作用下的彎曲變形機理，提出了一種改進的、滿足運動學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生的相對轉角，以及塑性鉸區域耗散能量的表達形式。在僅需要箱型截面薄壁梁結構的截面幾何參數和材料屈服極限的條件下，即可通過得到的解析表達式求得近似的整體結構在彎曲過程中彎矩與塑性轉角之間的關係曲線(Μ(θ)-Θ曲線)。本發明提供的簡化模型能夠更準確模擬箱型截面薄壁梁，可應用於概念設計階段對車身結構中類似薄壁梁部件彎曲吸能變形的模擬。本發明主要通過以下步驟實現(1)將各條塑性鉸線按其長度是否變化進行分類；
(2)計算沿各條塑性鉸線耗散的能量率；(3)計算由凸起的環形表面耗散的能量率；(4)計算整體結構的彎曲特性。其中，步驟(1)中將塑性鉸線分為①長度固定的鉸線，包括凹陷平面邊界、拉伸平面邊界、膨脹平面邊界；②滾動的鉸線；③環形表面。結合附圖中的實例，將塑性鉸線分為(為簡化計算，並考慮到整體結構的幾何對稱性，僅列出了一半體積)①長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滾動的鉸線GA、EA、KA、LA。③環形表面點A區域。設簡化模型的截面幾何參數為Ifl―和1_，厚度為t，在彎曲過程中，塑性轉角為 θ，彎曲區域長度為池，且其值等於Iflange和Iweb中的較小者。步驟( 包括計算塑性鉸線長度、計算塑性鉸線的相對轉角、計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，Ii為塑性鉸線的長度，Mtl為發生塑性彎曲時的單位彎矩， 它是由結構幾何尺寸和材料屬性決定的，Mtl= σ 0t2/4, 流變應力，t是薄壁梁的壁厚， Qi為沿對應的塑性鉸線產生的相對轉角。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滾動的鉸線。步驟( 考慮運動學容許的連續速度場，計算環形表面耗散的能量率，即Etor = S 5(ΜΦΦ κ ΦΦ+ΝΦΦ ε )dS式中，κ 和ε 分別表示轉動速率張量和拉伸速率張量，彎矩11 和薄膜力 Ν 均由柯西應力張量定義，S為板殼的中性面面積，Φ為環的圓周角。需要注意的是，步驟(3)中所述的「環形表面」為步驟(1)所述的第三類塑性鉸線， 即③環形表面。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)得到的環形表面耗散的能量率相加，得到整體結構的彎曲特性表達形式，具體為在塑性轉角為θ時，各條塑性鉸線及環形表面耗散的總體能量率為Ebox(O) = YjE人 θ) +Et。r{6)
i在塑性轉角為θ時，彎矩Μ(θ)與塑性轉角θ之間的關係，即整體結構的彎曲特性的表達形式為式中，Δ θ表示塑性轉角θ的微小增量。本發明的有益效果為通過該箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法，能夠很好地滿足汽車概念設計階段中對車身簡化框架結構建模及抗撞性分析的需要，並能夠輔助設計人員快速提取此類薄壁梁結構的抗彎特性，避免了傳統有限元分析及試驗的繁瑣工作，從而實現了對初步設計方案的性能快速評估和快速修改，縮短了設計周期。
圖1箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法流程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A在yz平面內的坐標圖5面KAG與面GKLE的相對轉角η ( 一半體積)圖6環形面的俯視7截面1的彎矩和塑性轉角的關係曲線對比圖8截面2的彎矩和塑性轉角的關係曲線對比圖9截面3的彎矩和塑性轉角的關係曲線對比圖10截面4的彎矩和塑性轉角的關係曲線對比圖11截面5的彎矩和塑性轉角的關係曲線對比
具體實施方案下面，將結合附圖對本發明做進一步的介紹。圖1為本發明的箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法流程圖，由圖可知，本發明將整體技術路線概括為四個步驟(1)將各條塑性鉸線按其長度是否變化進行分類；(2)計算沿各條塑性鉸線耗散的能量率；(3)計算由凸起的環形表面耗散的能量率；(4)計算整體結構的彎曲特性。在發生彎曲變形時，出現的塑性鉸線被視為薄壁梁結構變形能量耗散的唯一途徑。因此，本發明通過對彎曲變形區域內的每段塑性鉸線進行標識，計算每段所耗散的能量率，為滿足運動學容許條件，計算了由凸起的環形表面耗散的能量率，最終得到箱型薄壁梁整體結構所耗散的能量率。圖2為本發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)中計算沿各條塑性鉸線耗散的能量率的計算方法及步驟(3)中環形表面耗散的能量率的計算方法
步驟O)中計算各條塑性鉸線耗散的能量率主要包括以下兩步計算沿固定鉸線耗散的能量率和沿滾動鉸線耗散的能量率。結合圖2、圖3、圖4和圖5做具體介紹設所有的塑性變形都發生在塑性鉸線上，且塑性鉸線可分為兩種類型固定塑性鉸線和移動塑性鉸線，固定塑性鉸線包括GH、EF、AC、KN、LM、GK、EL、KL ；移動塑性鉸線包括 GA、EA、KA、LA。點B的坐標可以表示為xB = h
權利要求
1 一種箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法，包括以下步驟1)將各條塑性鉸線按其長度是否變化進行分類，包括長度固定的鉸線，滾動的鉸線， 環形表面，長度固定的鉸線，包括凹陷平面邊界、拉伸平面邊界、膨脹平面邊界；2)計算沿各條塑性鉸線耗散的能量率，包括計算塑性鉸線長度、計算塑性鉸線的相對轉角、計算各條塑性鉸線耗散的能量率；3)計算由凸起的環形表面耗散的能量率，考慮運動學容許的連續速度場，計算環形表面耗散的能量率；4)計算整體結構的彎曲特性，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)得到的環形表面耗散的能量率相加，得到整體結構的彎曲特性表達形式。
2.根據權利要求1所述的箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法，其特徵在於，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，Ii為塑性鉸線的長度，Mtl為發生塑性彎曲時的單位彎矩，它是由結構幾何尺寸和材料屬性決定的，Mtl = σ 0t2/4, c^為流變應力，t是薄壁梁的壁厚，Coi 為沿對應的塑性鉸線產生的相對轉角。
3.根據權利要求1所述的箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法，其特徵在於，所述的步驟幻計算環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￡ 分別表示轉動速率張量和拉伸速率張量，彎矩11 和薄膜均由柯西應力張量定義，S為板殼的中性面面積，Φ為環的圓周角。
4.根據權利要求1所述的箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法，其特徵在於，所述的步驟4)整體結構的彎曲特性表達形式為在塑性轉角為θ時，各條塑性鉸線及環形表面耗散的總體能量率為i在塑性轉角為θ時，彎矩Μ(θ)與塑性轉角θ之間的關係，即整體結構的彎曲特性的表達形式為式中，Δ θ表示塑性轉角θ的微小增量。
全文摘要
本發明公開了一種箱型截面薄壁梁彎曲特性的簡化分析方法，屬於汽車車身設計領域，主要用於汽車的概念設計階段的抗撞性研究，作為概念車身有限元模型中，對箱型截面薄壁梁在車身碰撞中的彎曲變形進行分析。本發明主要由四個步驟組成，即將各條塑性鉸線按其長度是否變化進行分類、計算沿各條塑性鉸線耗散的能量率、計算由凸起的環形表面耗散的能量率、計算整體結構的彎曲特性。本發明能夠很好地滿足汽車概念設計階段中對車身簡化框架結構建模及抗撞性分析的需要，並能夠輔助設計人員快速提取此類薄壁梁結構的抗彎特性，避免了傳統有限元分析及試驗的繁瑣工作，從而實現了對初步設計方案的性能快速評估和快速修改，縮短了設計周期。
文檔編號G01B21/32GK102322842SQ201110136359
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月25日 優先權日2011年5月25日
發明者左文杰, 徐濤, 李亦文, 李恆, 李行, 程鵬 申請人:吉林大學