SimSolid在车身开发中的工程应用

BIW_SIMSOLID.zip

一 工程背景

       当今各大主机厂为了降低开发成本，快速抢占市场，普遍采用平台化开发策略，通过改变车身外造型和车身尺寸，实现家族产品的多样化设计，满足人们个性化的需求。因此，设计师在开发平台车型的基础车时面临了巨大挑战，就是确保车身的基础框架设计具有良好的稳健性，即车身在整体尺寸发生适度改变时，依然保持良好的综合性能。这就要求设计工程师能够在产品结构发生改变时，快速评估结构变化对性能造成的影响。面对复杂的车身结构和多学科性能的要求，即便是经验丰富的专家在短时间内也很难给出准确的评估。所以，对于广大的设计工程师需要借助高效的工具，对车身结构做出快速准确的评估，保证设计方向的准确性。

       本帖旨在探讨，如何借助SimSolid软件辅助解决汽车工程中的涉及的实际问题。

二 问题描述

       静态刚度和动态刚度是评价车身结构的基本性能。如果车身的基础框架不变，那么整体尺寸发生变化会对车身性能产生什么影响。本课题中基础车长宽尺寸为4330×1650，变型车长宽尺寸为4765×1970，车身模型尺寸如下图1所示。

                                                                  图1 车身尺寸对比图

三 模型设置

      在车身设计前期，白车身框架结构采用连续封闭的几何实体，在详细设计阶段根据截面等效原理转化成钣金结构。因此它们在力学性能表现上具有一致性。首先以基础车身结构为例，说明在SimSolid中，如何实现模型设置的具体操作。

①导入几何模型：操作路径Project→import from file→选择方案1的几何文件保存位置→确定导入。

②几何模型检查：导入几何后，通过Check geometry defects，检查几何是否存在缺陷，如果提示信息no defects are found，点击ok。

③设置基本单位：点击单位按钮，或者双击结构树下Units，设置基本单位，具体如图2。

                                                                      图2 单位设置

④定义材料属性：选择默认材料为Steel，弹性模型2.1E5，泊松比0.3，密度7.85E-9。

⑤设置求解参数：max number of adaptive solution=5，其余采用默认设置，如图3所示。

                                                                 图3 求解设置

⑥定义加载区域：点击Assembly→create spot，创建约束及加载区域。详细设置如图4所示。

                                                             图4 加载区域定义

四 工况定义

本课题分析了车身结构的扭转刚度、弯曲刚度和动态刚度。

①扭转刚度

约束后减震器安装位置的自由度，在前减震器分别加载方向相反的集中力，大小为1500N，定义如下图5。

                                                          图5 扭转集中载荷定义

②弯曲刚度

约束后减震器安装位置的自由度，并释放前减震器X方向自由度，在车身中部施加Z向3000N集中力，如图6。

③动态刚度：点击Analysis→Modal，设置提取前6阶模态。

五 提交计算

     至此完成基础车模型的分析定义，包括几何导入、材料设置及工况定义，命名为design study1_baseline。重复Project→import from file→选择变型车的几何文件保存位置→确定导入，命名为design study2，并完成分析设置。

    点击Run all analyses，等待几分钟后完成所有工况求解。

六 结果分析

       点击Result plot，选择Displacement Magnitude，显示位移云图。点击动画播放，查看变形趋势，

初步检查工况定义是否正确。

      确认分析无误，选择Displacement 位移云图，查看结构各个工况下的具体变形。

①静态刚度分析：通过simsolid的结果查询工具，可以定量统计并计算车身的刚度值，其中，

                               扭转刚度=扭矩÷转角；弯曲刚度=垂向载荷÷垂向位移

弯曲工况和扭转工况的位移结果如图7所示，刚度计算结果如表1所示。

                                                    图7 静态刚度位移对比云图

由刚度对比表可知，变型车扭转刚度提升了，但是弯曲刚度有所下降。因为车身加长，会导致弯曲刚度下降。对于车身抗扭转性能，一方面车身加长不利于抗扭转性能。另一方面车身加宽，有利于提升扭转刚度。对于这对矛盾的因素，很难主管做出判断。借助SimSolid快速做出准确评估，体现了该软件的工程应用价值。

②动态刚度分析：点击Result plot，选择Displacement Magnitude，显示位移云图。点击动画播放，查看各阶模态的振型变化，各阶振型结果如图8所示，模态贡献因子及柱状图如图9所示。

        由结果可以看出，车身尺寸的变化对各阶模态及模态贡献因子的影响比较复杂。

                                               图8 各阶振型的位移云图

                                                       图9 模态贡献因子

六 总结

①车身尺寸变化，对车身性能影响明显，借助SimSolid快速对影响趋势做出准确判断。

②车身加长不利于弯曲刚度，车身加宽有利于提升扭转刚度，对模态影响需具体分析。

③SimSolid帮助工程师快速地准确评估设计改变对性能的影响，体现出软件的核心工程价值。