基于车身钣金法向刚度分析实现车身结构优化的方法

【技术领域】

本发明涉及一种实现车身结构优化的方法，尤其涉及一种基于车身钣 金法向刚度分析实现车身结构优化的方法。

【背景技术】

在现有的车身结构设计中，很少考虑到车身钣金的法向刚度和声辐射 特性，而且也没有现成的应用软件进行这方面的计算。例如，在公开号为 CN101718630A、题为“车门内饰板冲击器及确定车门内饰板刚度值的方 法”的专利文献中，它提供了一种基于冲击器对内饰板各区域冲击过程中 的动力学参数来获得刚度值以优化内饰板结构的方法，但在该文献中并没 有披露针对内饰板结构的法向刚度特性进行任何分析处理。又如，在公开 号为CN1815229、题为“一种预测汽车蒙皮表面阻尼处理结构声辐射的方 法”的专利文献中公开了一种首先对汽车蒙皮表面阻尼处理结构进行有限 元建模、然后进行声辐射分析计算的方法，以由此来解决结构表面阻尼处 理后的声辐射预测问题，在该方法中同样也没有涉及到结构法向刚度方面 的分析、计算处理过程。

此外，在现有技术中，对于车身阻尼的设计处理常是完全根据经验来 进行的，而现有软件也并未提供这方面的功能，这就使得并不能真正有效 地提供并实施科学的阻尼优化方案，从而造成了材料、人力和工时等方面 的不必要浪费，同时也不利于诸如车辆轻量化、燃油消耗经济化和高效化、 低碳、低消耗等具有现实积极意义的目标的实现。

【发明内容】

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于车身钣金法向刚度分析实 现车身结构优化的方法，以便通过快速评价车身钣金的法向刚度特性来有 效确定车身钣金刚度薄弱区，然后在刚度薄弱区内针对性地采取设置加强 筋、粘贴阻尼垫等措施来优化车身结构，从而解决现有技术中存在的上述 问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于车身钣金法向刚度分析实现车身结构优化的方法，其包括以 下步骤：

A、通过进行有限元计算处理获得车身节点的刚度矩阵[K]，并通过公 式[U]＝[K]^-1·[F]获得车身节点的位移矩阵[U]，其中[F]为作用在每个车身节 点上的力组成的力矩阵，[K]^-1是所述刚度矩阵[K]的逆矩阵；

B、将所述逆矩阵[K]^-1向车身节点的法向方向进行投影以获得车身节 点的法向刚度矩阵[K_n]的逆矩阵[K_n]^-1，并通过公式[U_n]＝[K_n]^-1获得车身节 点的法向位移矩阵[U_n]，所述法向刚度是指车身钣金结构上的节点的法向 方向的刚度，即为在该节点的法向方向施加的力与受该力作用产生的法向 位移的比值；

C、将获得的所述法向位移矩阵[U_n]转换成能被有限元后处理软件识 别的格式，并导入有限元后处理软件显示车身节点的法向位移云图；以及

D、根据所述车身节点的法向位移云图的显示结果来确定车身钣金刚 度薄弱区以便进行车身结构优化处理。

在上述的基于车身钣金法向刚度分析实现车身结构优化的方法中，优 选地，所述步骤B中求解所述逆矩阵[K_n]^-1的步骤具体包括：

b1、在车身节点的法向向量中，利用节点坐标求解出一个壳单元的任 意两条相交边的向量v₁＝(x₂-x₁，y₂-y₁)和v₂＝(x₃-x₁，y₃-y₁)，其中(x₁，y₁)是 向量v₁和v₂的相交点坐标，(x₂，y₂)是向量v₁的另一端点坐标，(x₃，y₃)是向 量v₂的另一端点坐标；

b2、计算向量v₁和v₂的叉积，从而得到所述壳单元的法向向量

b3、重复步骤b1-b2，从而得到与所述壳单元相邻的另一个壳单元的 法向向量s₂；

b4、计算法向向量s₁与s₂的点积，从而得到第一个节点的法向向量 v_n＝s₁·s₂；以及

b5、重复步骤b1-b4，从而获得车身节点的法向向量矩阵[v_n]，并通 过公式[K_n]^-1＝[K]^-1·[v_n]获得所述逆矩阵[K_n]^-1。

在上述的基于车身钣金法向刚度分析实现车身结构优化的方法中，优 选地，所述步骤D中的车身结构优化处理包括在所述车身钣金刚度薄弱 区中设置刚度加强结构和/或阻尼部件。

在上述的基于车身钣金法向刚度分析实现车身结构优化的方法中，优 选地，所述阻尼部件为阻尼垫。

在上述的基于车身钣金法向刚度分析实现车身结构优化的方法中，优 选地，所述阻尼垫被粘贴在所述车身钣金刚度薄弱区中。

本发明的有益效果在于：通过采用本发明的基于车身钣金法向刚度分 析实现车身结构优化的方法，可以基于钣金法向刚度分析快速地确定车身 钣金结构中需要进行优化的区域，通过将解析计算和通用的有限元软件相 结合而能够方便快捷、直观地评价车身钣金的刚度特性，并由此可以真正 有效地提供并实施科学的车身结构优化方案，从而消除现有技术中存在的 耗费不必要的材料、人力和工时等弊端，有助于实现车辆轻量化、提高燃 油经济性、降低碳排放量等有益目标，以创造出更多的社会和经济效益。

【附图说明】

以下将结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描 述。其中：

图1是本发明方法中涉及的车身钣金节点法向刚度示意图；

图2是本发明方法中涉及的壳单元面法向向量求解示意图；

图3是本发明方法中涉及的车身钣金节点法向向量求解示意图；

图4显示出了通过应用本发明方法的一个实施例所获得的车身钣金 法向位移云图；

图5A-5F分别对应显示出了图4中的前围板、前地板、后座椅地板、 备胎舱地板、尾部外板和尾部内板的法向位移云图；

图6A显示出了通过应用本发明方法的实施例提供的阻尼垫优化设计 方案；

图6B显示出了采用传统方式提供的阻尼垫设计方案；以及

图7是采用本发明方法的实施例进行车身结构优化前、后的驾驶人员 耳部声压响应对比曲线图。

【具体实施方式】

总体而言，本发明提供了一种实现车身结构优化的方法，它是基于车 身钣金法向刚度分析来获得科学的结构优化方案，从而非常有针对性地对 车身结构的实际薄弱处进行有效的优化处理。以下将具体结合图1-3来详 细描述本发明中涉及车身钣金法向刚度分析和计算的一些概念及术语，以 便于能够更为清楚地理解本发明所具备的优点和特点。

请参阅图1，首先将说明车身钣金法向刚度的计算。在本文中，车身 钣金法向刚度被定义为车身钣金结构上的节点的法向方向的刚度，即在如 图1所示的车身钣金结构上一节点的法向方向施加力f_n，然后以该节点受 到力f_n作用后的法向位移u_n作为该工况下的输出，则车身钣金在该节点 的法向刚度即为：f_n/u_n。

然而，对于车身这种复杂系统，实际上如果直接应用解析法来计算车 身钣金在每个节点的法向刚度是相当困难的，即便采用现有的有限元软件 可以计算并输出每个节点的刚度，但其也并不是法向刚度。另外，由于在 有限元后处理软件中只能显示出位移和应力等结果，而并不能直接显示节 点刚度。但在单位力作用下，刚度与位移变形存在着互为倒数的关系，所 以可以先求解出节点法向刚度，然后再求解出节点的法向位移。

首先，通过有限元计算处理来获得车身节点的刚度矩阵[K]，然后可 以通过以下的公式(1)来获得每个车身节点的位移矩阵[U]：

[U]＝[K]^-1·[F]                                        (1)

在上式中，[F]为作用在每个车身节点上的力组成的矩阵，假定每个 车身节点所受的力为单位力，则求解法向位移矩阵的问题就被转化为解求 法向刚度的逆矩阵的问题了。

由以上公式(1)得到的位移是受力节点在全局坐标系下的位移，而并 不是车身钣金在受力节点位置的法向方向的位移。这样，如果要得到法向 位移矩阵[U_n]就必须求解系统的法向刚度矩阵[K_n]的逆矩阵[K_n]^-1，即需要 将现有刚度矩阵的逆矩阵[K]^-1向节点的法向方向进行投影计算，然后通过 以下的公式(2)获得车身节点的法向位移矩阵[U_n]：

[U_n]＝[K_n]^-1                                (2)

然后，将通过以上过程所获得的法向位移矩阵[U_n]转换成能被有限元 后处理软件识别的格式，并将其导入有限元后处理软件显示出车身节点的 法向位移云图，从而根据该车身节点的法向位移云图的显示结果来确定车 身钣金刚度薄弱区，以便相应地采用各种车身结构优化处理措施。

在以上计算求解逆矩阵[K_n]^-1的过程中，由于受到计算精度的限制， 使用现有的有限元软件可能不易于输出全部节点的法向向量。因此，在本 发明中还特别提供了一种优选的解析计算方法以便于可以更加快速、准确 地完成对逆矩阵[K_n]^-1的求解，以下将结合图2和图3进行具体说明。

如图2所示，在求解节点法向向量时，可以首先利用节点的坐标通过 下列公式(3)、(4)来求解出壳单元1的任意两条相交边的向量v₁和v₂，这 些公式中的(x₁，y₁)是向量v₁和v₂的相交点坐标，(x₂，y₂)是向量v₁的另一端 点坐标，(x₃，y₃)是向量v₂的另一端点坐标：

v₁＝(x₂-x₁，y₂-y₁)            (3)

v₂＝(x₃-x₁，y₃-y₁)            (4)

然后，再通过式(5)计算v₁和v₂的叉积来得到壳单元1的法向向量s₁：

$s_1=v_1\otimes v_2---\left(5\right)$

随后，采用同样的方式得到相邻的壳单元2的法向向量s₂。如图3所 示，再应用下列公式(6)来求解s₁与s₂的点积，就可以得到第一个节点的法 向向量v_n：

v_n＝s₁·s₂                    (6)

重复以上步骤，就可以获得车身节点的法向向量矩阵[v_n]，然后通过 以下的公式(7)就能获得上述的法向刚度矩阵[K_n]的逆矩阵[K_n]^-1：

[K_n]^-1＝[K]^-1·[v_n]           (7)

下面将通过一个具体示例来对本发明的基于车身钣金法向刚度分析 实现车身结构优化的方法进行详细地示范性说明。

请参考图4，它显示出了在一个两箱车型的开发过程中应用本发明方 法的一个实施例所获得的车身钣金法向位移云图(也可称其为车身钣金法 向刚度云图)，在该图4中非常直观地图示出了其中的刚度薄弱区域，即 图中的倾斜交叉线填充区域。此外，在随后的图5A-5F中更为详尽、清楚 地显示出了这些刚度薄弱区域。在图5A-5F中，它们相应地显示出了图4 中分别使用标记A、B、C、D、E、F进行标示的前围板、前地板、后座 椅地板、备胎舱地板、尾部外板和尾部内板的法向位移云图，这样就可以 根据图示的客观结果直观并准确地定位需要进行优化处理的位置，从而便 于据此提供科学的结构优化技术方案。

具体而言，在被定位的刚度薄弱区中可以设置刚度加强结构(例如， 采用加强筋或其他的任意适宜形状结构的加强件等)，也可以设置阻尼部 件(例如，采用阻力垫或其他的任何适用件等)，或者同时结合前述两种方 式以及其他可能方式进行综合优化处理。

例如，针对图4所示的结果，可以采用以下措施进行改进：

第一，对其中尾门内板和外板进行加强筋处理；

第二，增加两侧围后部内板对外板的支撑支架，以降低侧围外板后部 区域的振动和声辐射风险；

第三，在刚度薄弱区域粘贴经优化后的阻尼垫，阻尼垫的大小与车身 钣金法向位移云图中所示刚度薄弱区域大小相同或大致相同，例如在图 6A中图示出的应用本发明方法的实施例提供的阻尼垫优化设计方案。

作为对比，在图6B中也示出了采用传统设计方式的阻尼垫布置方案， 即在面积较大、较平坦的乘员室钣金上敷设阻尼垫，在例如前地板、备胎 舱地板上铺满阻尼垫。比较通过应用上述的本发明方法的实施例提供的阻 尼垫优化方案(图6A)和传统设计方案(图6B)，采用前者可以实现减轻重 量约50％。并且，还可以发现：尽管防火墙、轮罩等部件是需要给予重点 关注的区域，然而通过车身钣金法向位移云图观察这些区域后确实可以对 它们仅需进行小面积铺设或者根本无需铺设阻尼垫，从而不必耗费不必要 的材料、人力和工时而同时能够保证相同、甚至更加好的技术效果，从而 促进汽车轻量化、提高燃油经济性、节能减排等目标实现。

此外，在图7中还分别示出了在采用本发明方法的实施例进行车身结 构优化前、后的驾驶人员耳部声压响应对比曲线，其中曲线I对应的是在 原结构下的驾驶人员耳部声压响应曲线、曲线II对应的是采用传统方式 在原结构上设置传统阻尼垫后的驾驶人员耳部声压响应曲线、曲线III对 应的是采用本发明方法的实施例在设置了原结构上设置阻尼垫和加强筋 后的驾驶人员耳部声压响应曲线。通过图7可以发现经过改进的车身在很 宽频率范围内声压响应幅值都有明显地降低，而且在阻尼垫减重约50％ 的情况下，改进方案的声响应与传统阻尼垫设置方案的声响应大体相当。 由此可见，采用本发明方法确实可以获得非常显著的技术效果，并能够创 造出可观的社会和经济效益，因此颇为值得在汽车技术领域以及其他类似 技术领域中进行推广应用。

以上列举了若干具体实施例来详细阐明本发明的基于车身钣金法向 刚度分析实现车身结构优化的方法，这些个例仅供说明本发明的原理及其 实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情 况下，本领域的普通技术人员还可以做出各种变形和改进。因此所有等同 的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。