¿Cuáles son los pasos específicos para el análisis modal en UG 6.0? Proporcione ejemplos y explique claramente los botones de comando y los pasos de operación. ¡Esta es tecnología profesional! ¡Muchas gracias!
En primer lugar, se discutió cómo completar el modelo numérico de la carrocería del autobús en el software UG y cómo simplificar y transformar este modelo numérico en un modelo de elementos finitos de la carrocería del autobús. La estructura del bastidor se llevó a cabo en el software ANSYS. La resistencia y rigidez de la estructura de la carrocería del automóvil se analizaron en tres condiciones de trabajo: condición de flexión estática, condición de torsión y condición de torsión de flexión, y se realizó un análisis dinámico del automóvil.
Diseño de la superficie de la carrocería del autobús basado en el software UG. La superficie de la carrocería del autobús es diferente de la superficie de la carrocería del automóvil. Las superficies más complejas se concentran en la parte delantera y trasera del automóvil. y el techo son relativamente simples. Por lo tanto, el método de construcción más conveniente para la superficie exterior de la carrocería del autobús es comenzar directamente desde los contornos bidimensionales de la carrocería del automóvil, dibujar los contornos principales de la carrocería del automóvil en la computadora y luego construir el modelo de la superficie exterior de la carrocería del coche basándose en estos contornos. A partir de esto se determinaron 9 líneas de contorno de la superficie exterior de la carrocería del vehículo, a través de las cuales se puede determinar la forma básica de la superficie exterior de la carrocería del vehículo. Por ejemplo, la superficie curva lateral puede venir dada por. la curva 1 se barre paralela a la curva c2; la superficie del techo está formada por las curvas c6, c4 y c8 barridas a lo largo de la curva 0; la superficie de la pared trasera está formada por las curvas 0 y c9 barridas a lo largo de la curva c8; la superficie de la pared frontal es relativamente compleja. Además de las líneas de contorno principales c5 y c6 de la superficie exterior de la carrocería del automóvil, es necesario construir tres curvas adicionales de acuerdo con las características de forma de la carrocería del automóvil para generar la superficie de la pared frontal.
La línea de contorno de la vista principal de los paneles laterales (los lados izquierdo y derecho del autobús son simétricos, puede elegir una de las líneas de contorno del panel lateral desde la vista superior (generalmente una línea recta en la vista); medio, con ambos extremos estrechados hacia adelante y hacia atrás por una cubierta superior desplazada) Línea de contorno de la vista lateral de la cubierta superior (generalmente la cubierta superior es un arco grande, con ambos extremos siendo líneas de arco invertidas tangentes a la parte superior) del contorno de la vista principal de los paneles laterales); la intersección de la pared frontal y la línea de contorno de la pared lateral
(Los lados izquierdo y derecho del autobús son simétricos. c6: La línea de contorno donde está el frente); la pared y el techo se cruzan. c7: La línea de contorno donde se cruzan la pared trasera y la pared lateral (los lados izquierdo y derecho del autobús son simétricos). c8: La pared trasera y la cubierta del techo. >
c9: líneas de contorno de vista lateral trasera
Para garantizar la suavidad de las líneas de contorno, la función de análisis de curvas del software UG se utiliza para analizar estas 9 líneas. Analizar, editar y ajustar. curvatura del contorno de la superficie exterior de la carrocería del automóvil
3 métodos de análisis:
1 Diseño del marco de la carrocería del automóvil basado en el software UG
Desde. la forma y el tamaño de la sección del bastidor de la carrocería del autobús permanecen sin cambios en diferentes posiciones espaciales, cuando se construye el bastidor de la carrocería del autobús con UG, se puede utilizar el método de escaneo de superficie para obtener la trayectoria de movimiento espacial de la sección de varilla del bastidor (es decir, el centro línea de la superficie exterior de las varillas del bastidor de la carrocería), y el modelo sólido del bastidor de la carrocería se puede obtener barriendo esta sección a lo largo de su trayectoria de movimiento espacial. Y debido a que el bastidor de la carrocería del autobús es una estructura de varillas espacialmente de múltiples niveles, lo es. dividido en chasis durante el diseño específico de las seis partes de la pared frontal, la pared trasera, la pared izquierda, la pared derecha y la cubierta superior, el diseño de distribución se lleva a cabo primero de acuerdo con los parámetros de diseño de las seis partes grandes. el diseño del chasis se lleva a cabo primero para determinar los conjuntos del chasis. Después de la posición de diseño específica, los paneles laterales delantero, trasero, izquierdo y derecho y la cubierta superior se diseñan en función de algunos parámetros clave en el diseño del chasis; diseño de disposición del área del modelo digital de la superficie del cuerpo y el esqueleto que se han establecido en UG. Los parámetros se obtienen calculando la línea de intersección entre la estructura del cuerpo y el modelo numérico de la superficie del cuerpo, que es la línea central de la superficie exterior del cuerpo. varillas del marco y construir un modelo de marco de alambre de seis piezas de la carrocería basado en la estructura de la carrocería del autobús. Si es necesario, seleccione las secciones de componentes del marco apropiadas, como rectangulares, en forma de canal, en forma de L (ángulo de acero) y en I. moldeado, etc., y luego escanee las secciones a lo largo del modelo de estructura de alambre de seis piezas de la carrocería para construir un modelo de esqueleto de seis piezas de la carrocería para su uso final. El módulo de ensamblaje de UG ensambla todo el vehículo y genera el diagrama de la estructura de la carrocería. /p>
2 Simplificación del modelo
Porque al establecer el modelo de elementos finitos de la carrocería, es necesario reflejar fielmente la estructura real de la carrocería del autobús y tratar de utilizar la menor cantidad de unidades. y formas unitarias lo más simples posible para garantizar una mayor precisión de cálculo y reducir la escala del problema. En el modelo de elementos finitos, generalmente utilizamos artificialmente una línea que pasa por el centroide de la sección. Se utilizan líneas rectas en lugar de miembros reales con cierta cruz. -dimensiones seccionales.
Por lo tanto, cuando utilice el programa de interfaz de datos del software ANSYS para importar el diagrama de estructura del esqueleto del bus completado en UG, solo necesita importar el diagrama de estructura alámbrica del esqueleto del cuerpo y simplificarlo de la siguiente manera: 1. Omita la piel y algunos elementos que no soportan carga. componentes 2. Las vigas microcurvadas en la carrocería del automóvil se enderezan, y algunos componentes con curvaturas más pequeñas en los paneles laterales y el techo se ven como compuestos de segmentos de unidades de vigas rectas. 3. Para dos componentes que están muy cerca pero no superpuestos; Se puede considerar que el punto de conexión cruzada está simplificado a un nodo para su procesamiento. 4. Para los ejes de componentes adyacentes que no se superponen en el espacio, aparecen dos nodos muy cercanos, y sus deformaciones son muy similares en cuanto a propiedades mecánicas. Se simplifican en un par de nodos maestro-esclavo, evitando así posibles problemas. La condición patológica de la matriz de rigidez total también puede mejorar la eficiencia del análisis estructural. 5. Para dos vigas soldadas que se superponen en el espacio, si la distancia a entre sus líneas centrales es grande, la traslación de la línea central de una de las vigas provocará un error no despreciable. Entonces se puede agregar una viga con una longitud a. al modelo (la sección transversal de la viga, el parámetro de propiedad del material es el mayor de las dos vigas) para conectar las dos vigas. Por ejemplo, hay una gran "excentricidad" entre el travesaño inferior y la viga longitudinal del marco. La viga transversal se coloca sobre la viga longitudinal del marco y la distancia entre los dos ejes es 0,5 (h + H). Para acercar el modelo a la realidad, considere los nodos de las dos conexiones longitudinales entre la viga inferior y el marco, y suponga que hay una conexión de brazo rígido entre ellos 6. Para dos vigas soldadas en la misma dirección, la La resistencia de la junta de soldadura es aproximada a la resistencia interna del material, por lo tanto, se puede simplificar tratándola como una viga;
7. . Las vigas se representan mediante elementos lineales. Para satisfacer la relación topológica espacial de la intersección de las vigas, algunas de las líneas de los elementos de la viga deben extenderse hasta que se intersequen. Este proceso reducirá en gran medida la rigidez de los elementos de la viga, lo que hará que la solución de desplazamiento sea demasiado grande y la. La solución de estrés es demasiado pequeña. Al mismo tiempo, se agregó peso adicional. El método de compensación de rigidez se utiliza para reducir el error. Después de comparar los resultados antes y después de la compensación, se ha verificado que este método es simple y efectivo. Tome la flexión en el plano del elemento de viga xoy ((1 eje es el eje x, 2 eje es el eje z) como ejemplo para ilustrar el método de compensación. El elemento finito del elemento Hermite de dos nodos se utiliza para resolver la matriz de rigidez del elemento K" y el desplazamiento de la ecuación Ka=p Vector 1, donde l es la longitud del elemento de viga a lo largo del eje 1, es la deflexión en el nodo del elemento 1 y p es el ángulo en el nodo del elemento l. Dado que el elemento de viga en el modelo es más largo que el real, se le puede pasar Cambiar E o Iz para compensar el cambio, de modo que K" permanezca básicamente sin cambios. 8. Determine la longitud unitaria l. Cuando se utiliza el método de elementos finitos para analice el problema de flexión de la viga, en la unidad Hermite de dos nodos, la función de prueba (función de forma) adopta el polinomio completo de tercer orden, el error de la solución de desplazamiento es o (l. Si la longitud de la unidad de viga es demasiado larga, provocará un gran error de desplazamiento Al analizar el modelo de unidad de viga de la carrocería del vehículo, FEA ha verificado que cuando la longitud de la unidad de viga es de 15400 mm, la solución ha convergido con una precisión suficiente. La longitud de la unidad de viga l no debe dividirse demasiado. Si la longitud de la unidad de viga Z es demasiado pequeña (cerca del tamaño de la sección transversal), el principio de grados de libertad maestro-esclavo ya no se aplicará y la unidad modelo no se simplificará a una unidad de viga. La diferencia en la longitud 1 de cada elemento de viga adyacente no debe ser demasiado grande. La teoría y la práctica han demostrado que una diferencia demasiado grande en l provocará una pared de rigidez mayor, lo que fácilmente conducirá a conjuntos rígidos mal acondicionados y a ninguna solución a las ecuaciones. Basado en el principio de simplificación del modelo, el bastidor de la carrocería del prototipo se divide en 3044 unidades con diferentes longitudes y formas de sección transversal y 5929 nodos
3 Procesamiento de carga
En. En el modelo de cálculo de la carrocería, la carga se puede procesar de la siguiente manera: 1. Para el peso propio del bastidor de la carrocería del vehículo, ingrese la densidad del material del bastidor y la aceleración de la gravedad en el programa de preprocesamiento del software ANSYS, y el programa. ajusta automáticamente el factor de carga unitaria de acuerdo con la forma de la sección transversal de la unidad de entrada y las constantes reales. La información se incluye en la carga total para el cálculo.
2. o bastidor, como conjunto de motor, llanta de refacción, batería, tanque de combustible, etc., se puede usar como centralizado. La carga actúa sobre el nodo correspondiente de acuerdo con la posición real del punto de colocación y la gravedad compartida por cada posición <. /p>
3. La capacidad de carga, como la gravedad de los ocupantes y asientos, se puede utilizar como carga concentrada, según el punto de apoyo se asigna a los nudos de las vigas correspondientes. pasajeros de pie en el vehículo, el número real de personas de pie por metro cuadrado se puede aplicar al piso como una carga uniforme y transmitirse a la unidad de viga del chasis, ya que la fuerza interna se considera en el método de elementos finitos o se transmiten fuerzas externas. por nodos, y los términos de carga en la ecuación de rigidez general son cargas de nodo. Por lo tanto, cuando el elemento de viga está sujeto a cargas uniformes u otras cargas no nodales, debe desplazarse hacia los nodos, es decir, las cargas no nodales son. convertidas en cargas concentradas con efectos equivalentes en los nodos (llamadas cargas de nodo equivalentes).
El método de desplazamiento de carga no nodal es el siguiente
Los desplazamientos en ambos extremos de la unidad con cargas no nodales están completamente restringidos, y luego la reacción en ambos extremos de la unidad de viga se obtiene de acuerdo con la Método para encontrar fuerzas de reacción de soporte en mecánica de materiales. La fuerza se llama fuerza del extremo fijo y se registra como Qiu}02. Invierta el signo de la fuerza del extremo fijo y realice la transformación de coordenadas para obtener la carga de nodo equivalente en el sistema de coordenadas general. que se puede introducir directamente en la carga de la ecuación de rigidez general del vector de estructura para realizar cálculos. En el software ANSYS, si primero carga el modelo de elementos finitos de la carrocería del automóvil y luego realiza el mallado, puede convertir directamente las cargas que no son de nodos en cargas de nodos equivalentes.
4 Restricciones de límites
Además de ser un elemento elástico, la ballesta también desempeña un papel de guía, por lo que tiene rigidez en todas las direcciones y tiene rigidez. en otras direcciones, la rigidez en la dirección vertical es mucho mayor que en la dirección vertical, por lo que se utiliza una estructura de viga rígida-viga flexible para simular la ballesta. Ignore la deformación de los neumáticos en el procesamiento de restricciones. La rigidez del resorte de suspensión K es equivalente a la rigidez a la flexión vertical de la viga flexible horizontal, para que el desplazamiento vertical cuando está estresada sea mucho menor que el desplazamiento vertical de la viga flexible horizontal, la rigidez axial; se toma como 6.0x106N/mm. La sección de la viga rígida se toma como un cuadrado y el área se calcula mediante la fórmula A=KxLIE.
5. Condiciones de trabajo del análisis de resistencia
Las condiciones de funcionamiento de los turismos son muy complejas, incluidas las condiciones de flexión, torsión, giro y aceleración, etc. Los análisis teóricos, las pruebas en interiores y la práctica de uso muestran que las dos condiciones de trabajo que están directamente relacionadas con la resistencia de la estructura de la carrocería del automóvil son la flexión y la torsión.
I. Condición de flexión
Cuando un automóvil de pasajeros viaja a alta velocidad en una carretera plana, la fuerza de reacción de la carretera provoca que la carrocería para soportar una carga vertical simétrica. Provoca una deformación por flexión del cuerpo, cuyo tamaño depende de la carga estática y la aceleración vertical que actúa en todas partes del cuerpo. En ANSYS, los seis grados de libertad de las cuatro ruedas están restringidos para simular y calcular la rigidez y resistencia de la carrocería del automóvil cuando el autobús circula con carga completa en una carretera plana a alta velocidad y genera cargas dinámicas verticales simétricas. 2. Condiciones de trabajo torsionales
Las condiciones de trabajo torcidas son la condición de deformación más grave de la carrocería del automóvil. Generalmente ocurre cuando el automóvil pasa por carreteras en mal estado a baja velocidad. La carga dinámica en tales condiciones de torsión cambia muy lentamente con el tiempo. Por supuesto, la carga inercial también es muy pequeña en este momento, por lo que las características de torsión de la carrocería del automóvil pueden considerarse aproximadamente estáticas. Una cosa es que la resistencia del esqueleto bajo una prueba de torsión estática puede reflejar la resistencia real. En otras palabras, los grandes puntos de tensión en el marco durante la torsión estática se pueden utilizar para determinar los grandes puntos de tensión durante la carga dinámica. En este artículo se analizarán dos condiciones de torsión, la condición de suspensión de la rueda delantera derecha y la condición de suspensión de la rueda trasera izquierda. Al restringir los grados de libertad de traslación de la rueda trasera izquierda en las direcciones X, Y y Z y la libertad de rotación en la dirección Z, y los grados de libertad de traslación de las ruedas traseras izquierda y derecha en la dirección Z, la rueda delantera derecha del vehículo La carrocería está suspendida en el aire y la rueda trasera izquierda se simula en condiciones de torsión en un foso. Al restringir la libertad de traslación de la rueda delantera derecha en las direcciones X, Y y Z y la libertad de rotación en la dirección Z, y la libertad de traslación de la rueda delantera izquierda y la rueda trasera derecha en la dirección Z, la rueda delantera izquierda de la carrocería del vehículo es suspendido en el aire y la rueda trasera derecha simula condiciones de torsión en un foso.
4.2.2 Análisis de rigidez de las condiciones de trabajo
La rigidez de la estructura de la carrocería del vehículo se refiere a las características de la relación entre carga y deformación reflejada por la estructura de la carrocería del vehículo. Una rigidez insuficiente provocará una gran deformación de los marcos de las puertas, los marcos de las ventanas y otras aberturas de la carrocería del automóvil, lo que provocará que las puertas se atasquen, se rompan los vidrios y se suelte el sellado, lo que provocará problemas como fugas de lluvia, filtraciones de agua y caída de los adornos interiores. Causa una baja frecuencia de vibración de la carrocería del automóvil. Se produce una vibración estructural que destruye la capa protectora en la superficie de la carrocería del automóvil y el sellado de la carrocería, debilitando así la resistencia a la corrosión. La rigidez de la carrocería incluye la rigidez a la torsión y la rigidez a la flexión. Los análisis teóricos y muchos resultados de pruebas muestran que la deformación por flexión de la carrocería del autobús es muy pequeña, por lo que sólo es necesario considerar la rigidez a la torsión en condiciones de flexión y torsión. Usamos el ángulo de torsión relativo de la diagonal de la carrocería entre la longitud total del vehículo, el ángulo de torsión relativo de las vigas superiores izquierda y derecha y el ángulo de torsión relativo de las dos vigas longitudinales del chasis para expresar la deformación torsional del cuerpo.
4.2.3 Investigación sobre características dinámicas
Uso del método de síntesis modal para estudiar las características de vibración de todo el vehículo y la frecuencia modal de la carrocería del vehículo. La estructura cuando se aplican cargas dinámicas es uno de los parámetros más importantes.
Se puede utilizar para predecir la posibilidad de interferencia dinámica entre la carrocería y otros componentes como el sistema de suspensión, la superficie de la carretera, el motor y el sistema de transmisión. Generalmente, se espera que se pueda evitar la frecuencia máxima de vibración. Modelo general de primer orden de la estructura corporal. Cuanto mayor sea la frecuencia del estado, mejor.
4.3.1 Resultados y análisis del cálculo de resistencia
1. /p>
En condiciones de flexión, la tensión de flexión de la carrocería del automóvil se muestra en la Figura 4.3. Las áreas donde se concentra la tensión de flexión incluyen: la viga longitudinal principal del chasis y las vigas de soporte de ballestas delanteras y traseras (50-90 Mpa) el área de conexión de transición entre la mitad del techo y el borde superior de la ventana lateral (); 30-40Mpa); la mitad superior del pilar de la puerta central. El área cerca de la parte superior del pilar de la puerta delantera (10-40MPa). Los lugares con mayor tensión son las vigas longitudinales principales del chasis y las vigas de soporte de ballestas traseras. El valor de tensión es 90MPao
2. Condición de suspensión de la rueda delantera derecha
Bajo la condición de suspensión de la rueda delantera derecha, la distribución de tensiones en la dirección X de la carrocería del vehículo se muestra en la Figura 4.4. Las áreas con tensión concentrada incluyen: la viga longitudinal principal del chasis y las vigas de soporte de ballestas delanteras y traseras (60-123 Mpa); el área de conexión de transición entre la mitad del techo y el borde superior de la ventana lateral (40-60 Mpa); ): la mitad superior del área cercana al pilar de la puerta central (60-70 MPa). Entre ellos, el lugar con mayor tensión es la posición de la viga longitudinal principal del chasis y la viga de soporte de ballesta trasera. El valor de tensión es 123Mpao
3. está suspendido en el aire
Cuando la rueda trasera izquierda está suspendida, la distribución de tensión en la dirección X de la carrocería del vehículo se muestra en la Figura 4.5. Las áreas con tensión concentrada incluyen: la viga longitudinal principal del chasis y las vigas de soporte de ballestas delanteras y traseras (80 a 125 Mpa); el área de conexión de transición entre la mitad del techo y el borde superior de la ventana lateral (60 a 90 Mpa); ); la mitad superior del pilar de la puerta central. Área cercana (90-177MPa). El lugar con mayor tensión es la viga de la puerta del medio, con un valor de tensión de 177MPa
A través de los cálculos de los tres anteriores condiciones de trabajo, sabemos que el nivel de tensión del bastidor de la carrocería en condiciones de flexión es pequeño y el número de unidades con valores de tensión superiores a 50 Mpa es 30, lo que representa solo el 0,9% del número total de unidades debajo del frente derecho; En condiciones de suspensión de ruedas, el nivel de tensión del bastidor de la carrocería es mayor que en condiciones de flexión. Dado que el motor está montado en la parte trasera, la condición de suspensión de la rueda trasera izquierda (condición combinada de flexión y torsión) es la peor condición de trabajo cuando el autobús está conduciendo. Teniendo en cuenta la carga dinámica, la fatiga y la concentración de tensiones causadas por defectos del material durante la conducción del autobús, tomando el factor de seguridad como 1,5, el límite elástico permitido del material del marco acero Q215A3 [cr] -153MPa, el material del chasis 09SiV bajo Estructura de aleación El límite elástico permitido del acero es de 220 MPa. Se puede ver que en condiciones de flexión y torsión, la tensión en la posición de la viga de la puerta en la puerta del medio excede la tensión permitida y es necesario optimizar el tamaño de la sección transversal de la viga de la puerta. Además, desde la perspectiva de toda la estructura, la distribución de tensiones es desigual y varía en magnitud en varios órdenes de magnitud. Esto sin duda provocará un desperdicio de materiales y aumentará el peso de toda la carrocería del coche. Por lo tanto, desde la perspectiva de la tensión, los materiales se pueden utilizar de forma racional y económica optimizando el espesor del acero cuadrado. El valor de tensión en la intersección de varias vigas es particularmente grande. Después de eliminar algunos elementos removibles, el valor de tensión en la intersección se reducirá considerablemente.
4.3.2 Resultados y análisis del cálculo de rigidez
1. Estado de la suspensión de la rueda delantera derecha
Carrocería hay un gran desplazamiento en el área de la esquina frontal derecha desde el techo hasta todas las partes del marco, y el desplazamiento es mayor cuanto más cerca de la esquina
El desplazamiento máximo hacia abajo en la dirección vertical es 11,868 mm. La deformación de la carrocería del automóvil se muestra en la Figura 4.6
4.3.3 Resultados y análisis del cálculo modal
Análisis modal El objetivo principal es calcular la frecuencia natural y la forma de vibración de la carrocería del automóvil.
Las frecuencias naturales de sexto orden del modelo de estructura espacial general del cuerpo se muestran en la Tabla 4.9, y las deformaciones de las primeras formas de vibración del cuerpo de seis ordenes se muestran en las Figuras 4.10-4.15
Figura 4.15 Diagrama de forma de vibración de sexto orden del bastidor de la carrocería del vehículo
El diseño de optimización dinámica del bastidor de la carrocería del vehículo requiere que el modal La frecuencia del bastidor del vehículo se escalona con la frecuencia de excitación de la carga. Al mismo tiempo, para evitar el efecto combinado del modo de flexión de primer orden y el modo de torsión de primer orden, se requiere que las dos frecuencias naturales estén escalonadas en más de 3 Hz. Aunque el modelo de autobús omite la influencia de la piel y los componentes que no soportan carga, la frecuencia natural calculada de la carrocería es menor que la real. Sin embargo, las primeras seis frecuencias naturales del autobús se concentran en 5-13 Hz. la frecuencia de excitación de la carretera es a menudo inferior a 20 Hz, y las frecuencias naturales del modo de flexión de primer orden y del modo de torsión de primer orden solo se compensan en aproximadamente 2 Hz. Por lo tanto, los componentes que producen vibraciones locales durante la conducción del vehículo. El autobús se verá estimulado por esto para formar una fuente de ruido dentro del autobús. Afecta la comodidad de los pasajeros.
4.4 Conclusión
Se puede ver a partir de los resultados del cálculo del modelo original que hay tres áreas de alta tensión en el bastidor de la carrocería del automóvil: medio El área cerca de los pilares de las puertas; el área de conexión de transición entre la mitad del techo y el borde superior de la ventana lateral y la posición de la viga longitudinal principal del chasis y las vigas de soporte de ballestas delanteras y traseras. 2. De los resultados del cálculo se puede ver que la deformación y la tensión del bastidor del automóvil son pequeñas en condiciones de flexión, lo que indica que el automóvil cumple con los requisitos de resistencia y rigidez bajo carga estática bajo la condición de que la rueda trasera izquierda esté; suspendido, excepto en la puerta central de la carrocería. La tensión en la parte media de la viga superior de la puerta excede la tensión permitida, y la tensión en otras unidades del marco de la carrocería no excede la tensión permitida. La condición de suspensión de la rueda trasera izquierda es la condición de deformación más grave de la carrocería del vehículo. De hecho, debido a que el vehículo es un autobús urbano, una condición de torsión tan severa es imposible, por lo que la estructura de la carrocería del vehículo puede cumplir con los requisitos de resistencia.
3. De los resultados del cálculo se puede ver que la deformación del bastidor de la carrocería es relativamente pequeña para la rigidez de la carrocería, la deformación diagonal de las puertas y ventanas es particularmente importante. de la estructura general. Se puede ver a partir de los datos de deformación compilados de cada nodo del bastidor de la carrocería en condiciones de flexión y torsión que el desplazamiento diagonal de cada puerta y ventana es pequeño en condiciones de flexión y torsión, por lo que la estructura de la carrocería del vehículo puede cumplir con los requisitos de rigidez.
4. Del análisis modal de la carrocería del automóvil, se puede ver que las primeras seis frecuencias naturales del bastidor de la carrocería son todas inferiores a 20 Hz, y la frecuencia de excitación de la carretera suele ser menor. La vibración provoca un ruido excesivo en el automóvil. Por lo tanto, es necesario llevar a cabo un diseño de optimización dinámica de la estructura de la carrocería y aumentar la frecuencia natural de la carrocería.
5 Diseño óptimo de la estructura de la carrocería de un automóvil
5.1 Conceptos básicos de diseño óptimo Los problemas generales de ingeniería son Hay muchas soluciones de diseño factibles. Cómo encontrar la mejor solución entre las muchas soluciones factibles de acuerdo con las tareas y requisitos de diseño es la tarea principal del trabajador del diseño. La práctica ha demostrado que el diseño óptimo de la estructura es un método eficaz para garantizar un excelente rendimiento del producto, reducir el peso o volumen de la estructura y reducir el costo del proyecto. El surgimiento de los métodos de optimización se remonta a la era de Newton, Lagrange y Cauchy. Newton, Leibnitz y Weirstrass sentaron las bases para el cálculo variacional; Lagrange creó un método de optimización de problemas restringidos que contenía multiplicadores específicos y lo denominó Método de Cauchy. Aplicó por primera vez el método de descenso más pronunciado para resolver problemas de minimización sin restricciones. A pesar de esto, hubo pocos avances en los métodos de optimización hasta mediados del siglo XX. No fue hasta más tarde que la aparición de computadoras de alta velocidad hizo posible optimizar los programas, lo que impulsó el desarrollo de varios métodos nuevos. Antes de la década de 1950, los métodos matemáticos utilizados para resolver problemas de optimización se limitaban a los métodos diferenciales clásicos y los métodos variacionales. El principal avance en el campo de los métodos numéricos de optimización sin restricciones no se produjo en el Reino Unido hasta la década de 1960. Los métodos de programación matemática se utilizaron por primera vez para la optimización estructural y se convirtieron en la base teórica de los métodos de optimización en programación lineal y programación no lineal. están entre ellos. En 1947, Dantzig propuso el método simplex para resolver problemas de programación lineal; en 1957, Bellman propuso la teoría de optimización para problemas de programación dinámica.
A principios de la década de 1960, Zoutendijk y Rosen hicieron grandes contribuciones a la programación no lineal. La investigación de Canon, Fiacco y McClomick permite resolver muchos problemas de programación no lineal utilizando métodos de optimización sin restricciones. La programación geométrica fue desarrollada por Duffin, Zener y Peterson en los años 1960. En resumen, el trabajo de diseño de optimización incluye las dos partes siguientes: 1. Transformar el modelo físico del problema de diseño en un modelo matemático. Al establecer el modelo matemático, seleccione las variables de diseño, enumere la función objetivo y proporcione las restricciones. 2. El uso de métodos de optimización apropiados para resolver modelos matemáticos se puede reducir al problema de encontrar el valor extremo y el valor óptimo de la función objetivo en determinadas condiciones. El diseño de optimización mecánica consiste en seleccionar variables de diseño, establecer una función objetivo y obtener el valor óptimo bajo una carga dada o condiciones ambientales, dentro de las limitaciones del rendimiento, la relación de tamaño geométrico u otros factores del producto mecánico. El diseño de optimización de ingeniería real se puede dividir en dos ramas: método de programación matemática y método de criterio según sus diferentes principios. Según sus diferentes niveles de optimización, se puede dividir en optimización del esquema general y optimización de parámetros de diseño.
5.2 Optimización del diseño en el software ANSYS
El programa ANSYS proporciona un proceso cíclico de análisis, evaluación y corrección para optimizar el plan de diseño inicial. Se analiza el diseño, los resultados del análisis se evalúan frente a los requisitos de diseño y se revisa el diseño. Este proceso cíclico se repite hasta que todos los diseños cumplan con los requisitos y se obtenga la solución de diseño óptima.
5.2.1 Método de optimización
ANSYS proporciona dos métodos de optimización, el método de orden cero y el método de primer orden. La mayoría de los problemas de optimización pueden utilizar estos dos métodos. El método de orden cero (método directo) es un método de procesamiento muy completo, que tiene dos conceptos importantes: el método de aproximación de la función objetivo y la variable de estado, que se transforma de un problema de optimización restringido en un problema de optimización no restringido. El método utiliza aproximaciones de todas las variables dependientes (variables de estado y funciones objetivo) sin sus derivadas, trabajando con aproximaciones de las variables dependientes en lugar de funciones reales; la función objetivo se aproxima a su valor mínimo en lugar de con la función objetivo real; La aproximación utiliza restricciones de diseño en lugar de variables de estado reales y puede manejar eficazmente la mayoría de los problemas de ingeniería. Todas las variables deben al menos adaptarse a todos los conjuntos de diseño existentes para formar una fórmula aproximada:
El método de primer orden (método indirecto) se basa en la sensibilidad de la función objetivo a las variables de diseño. , utilizando la variable dependiente La derivada de primer orden se utiliza para determinar la dirección de búsqueda y obtener el resultado de la optimización. Debido a que no hay aproximación, la precisión es muy alta, especialmente cuando la variable dependiente cambia mucho y el espacio de diseño es relativamente grande. es más adecuado para análisis de optimización precisos. Cada iteración implica múltiples análisis (múltiples bucles sobre los archivos analizados) para determinar la dirección de búsqueda adecuada, por lo que el tiempo de análisis es mayor. Cuando el método de orden cero no es lo suficientemente preciso y la precisión es muy importante, se debe utilizar el método de primer orden para la optimización.
5.2.2 Herramientas de optimización
El programa ANSYS también proporciona una serie de herramientas de optimización para mejorar la eficiencia del proceso de optimización. Las herramientas de optimización son técnicas para buscar y procesar el espacio de diseño. Las siguientes son herramientas de optimización de uso común: Operación de un solo paso: implemente un bucle y encuentre una solución FEA. La relación cambiante entre la función objetivo y las variables de diseño se puede estudiar a través de una serie de bucles simples, estableciendo diferentes variables de diseño antes de cada solución. Método de búsqueda aleatoria: realice múltiples ciclos y las variables de diseño cambian aleatoriamente en cada ciclo. Puede especificar el número máximo de bucles y el número de expectativas y entendimientos. Se utiliza principalmente para estudiar todo el espacio de diseño y proporcionar una comprensión razonable para futuros análisis de optimización. A menudo se utiliza como tratamiento preliminar para métodos de orden cero. Método de búsqueda de pasos iguales: tomando una secuencia de diseño de referencia como punto de partida, se generan varias secuencias de diseño. Las variables de diseño se cambian dentro del rango de variación después de cada cálculo en un solo paso para completar el análisis de escaneo dentro del espacio de diseño. La evaluación de cambios generales en la función objetivo y las variables de estado se puede lograr utilizando esta herramienta.
Método de cálculo del multiplicador: es una herramienta estadística que utiliza tecnología de segundo orden para generar valores de secuencia de diseño en puntos extremos del espacio de diseño. Se utiliza principalmente para calcular la relación y la influencia mutua entre la función objetivo y la variable de estado.
Método de gradiente óptimo: para la secuencia de diseño de referencia especificada por el usuario, se puede calcular el gradiente de la función objetivo y las variables de estado con respecto a las variables de diseño para determinar la sensibilidad del diseño local.
5.2.3 Variables de optimización
Las variables de diseño, las variables de estado y las funciones objetivo se denominan colectivamente variables de optimización. Las variables de diseño son variables independientes y los resultados de optimización se obtienen cambiando los valores de las variables de diseño. La variable de estado es un valor numérico que restringe el diseño. Es una "variable dependiente" y una función de la variable de diseño. La variable de estado puede tener límites superior e inferior, o puede tener solo restricciones unilaterales, es decir, sólo límites superiores o inferiores. La función objetivo es el valor que el diseño minimiza o maximiza y es función de las variables de diseño. El cambio en el valor de la función objetivo del mejor diseño razonable al diseño actual debe ser menor que la tolerancia de la función objetivo. Un diseño razonable se refiere a un diseño que satisface todas las restricciones dadas (restricciones sobre las variables de diseño y restricciones sobre las variables de estado). Si no se cumple alguna de estas restricciones, el diseño se considera irrazonable. El diseño óptimo es aquel que satisface todas las restricciones y obtiene el valor mínimo de la función objetivo. (Si todas las secuencias de diseño no son razonables, entonces el diseño óptimo es el diseño más cercano a lo razonable, independientemente del valor de la función objetivo)
5.3 Diseño óptimo de la estructura de la carrocería
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5.3.1 Modelo de optimización paramétrica
Para optimizar el diseño de la estructura del cuerpo, primero debemos establecer un modelo paramétrico de la estructura del cuerpo. Usamos el modelo An. El primer modelo estático de elementos finitos sirvió como prototipo para su modelo paramétrico. Dado que el modelo se construyó sin parametrización, las unidades se deben volver a dividir y el modelo se debe simplificar para que el número de unidades estructurales se controle por debajo de 4000. Durante el proceso de simplificación del modelo, la desviación de cálculo se mantiene dentro del 8% y luego. Se extraen los nodos, unidades y elementos del modelo simplificado. La información del modelo, como los parámetros formales y los tipos de unidades, se puede utilizar para generar archivos de análisis de optimización. El bastidor de la carrocería del vehículo es una estructura de varilla espacial compleja determinada superestáticamente. Las formas de la sección transversal de cada varilla no son las mismas y las cargas que soportan también son muy complejas. Es muy poco realista seleccionar todas las secciones transversales de la varilla. parámetros como variables de diseño de. Según los resultados del cálculo obtenidos del análisis estático de la carrocería del automóvil anterior, sabemos que la condición de torsión es la condición en la que la carrocería sufre la tensión y la torsión más severas. La rigidez del automóvil básicamente cumple con los requisitos, pero la resistencia es. insuficiente, por lo que elegimos la condición de torsión, el área con mayor tensión en el bastidor de la carrocería, el área cerca de la columna central, el área media del techo y el lugar donde la tensión del bastidor de la carrocería es relativamente pequeña. las barras en la pared trasera,
área de vigas de la pared lateral. Los parámetros de tamaño de la sección transversal se utilizan como variables de diseño. La tensión del marco de la carrocería se selecciona como la variable de estado, y las cinco. Los puntos con mayor tensión en el cuerpo se utilizan como puntos de control de tensión para garantizar que el valor máximo de tensión de la estructura del cuerpo sea menor que la tensión permitida del material. El peso del cuerpo se selecciona como función objetivo, cambiando. las variables de diseño, la carrocería del vehículo se puede aligerar mientras se satisface la intensidad de tensión de la carrocería del vehículo. Debido a la forma compleja de la carrocería del vehículo, es difícil calcular con precisión el peso de la carrocería del vehículo, por lo que se pueden usar elementos finitos. Analiza y calcula el peso de las unidades, y luego súmalas una por una para obtener el peso de todo el cuerpo.
5.3.2 Resultados del cálculo
Utilice el valor cero proporcionado por el software ANSYS. Después de 30 cálculos de optimización iterativos utilizando el método de primer orden, la masa total de la carrocería del vehículo se redujo de los 2169 kg anteriores a 2131 kg de acuerdo con las especificaciones de los perfiles del mercado y las condiciones reales de producción; En fábrica, se dimensionaron las dimensiones de la sección transversal optimizadas de los miembros principales. Para parámetros específicos, consulte la tabla.
Para la carrocería del automóvil en condiciones de flexión y torsión, tome las dimensiones de la sección transversal optimizadas. de cada varilla y recalcular la tensión de flexión del cuerpo. La dirección SX del bastidor de la carrocería en condiciones de flexión y torsión. La distribución de la tensión se muestra en la Figura 5.3.