车身横梁变形的非线性有限元分析

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1、车身横梁变形的非线性有限元分析车身横梁变形的非线性有限元分析摘摘 要：要：某型号车在实验场进行可靠性实验时，车身横梁发生塑性变形后与其它部件发生干涉，设计部门提出进行 CAE 分析找出产生故障原因。分析时，前后处理利用了 HyperMesh 软件，求解器采用 Abaqus/Standard 软件,分析了车身地板的横梁变形量。主要讨论了材料非线性的影响，并结合分析结果探讨了CAE 在汽车设计不同阶段所起的作用。关键词：关键词：横梁 材料非线性 ABAQUS 1 前言某车型车身在试验场进行可靠性试验时，发生后地板下沉现象。直接影响了车辆的使用性能。因此，必须查找故障原因，提出改进措施，为此，在设计

2、部门要求下，进行了大量计算分析。根据计算分析提出改进方案，并再次试验，试验结果证明基于此 CAE 分析的改进方案有效的解决了横梁塑性变形问题。2 横梁的有限元模型根据试验反馈信息，发生塑性变形的区域为车身后地板，从计算能力方面考虑，此次分析重点为车身纵梁的变形，因此，分析时重点细化了车身纵梁的网格。车身后地板通过横梁来加强局部刚度，横梁和地板之间采用点焊联接，在分析中分别建立了横梁和部分地板有限元模型，横梁和地板单元类型为S4R，单元尺寸为 5mm5mm。见下图。 图 1 地板和横梁有限元模型图 2 后地板横梁 1图 2 后地板横梁 2横梁材料为：SPCC，材料应力应变曲线见下图。图 4 材料

3、应力应变曲线分析中，沿着横梁方向施加一定刚度的弹簧，以模拟运动过程中的变形，剩于自由度全部约束。横梁与车身之间以点焊连接。根据设计要求沿着横梁施加 150kg 均布载荷，考虑到试验场工况和用户可能的超载情况，安全系数取为2，在分析中施加大小为 300kg 的均布载荷。3 模拟结果分析时，求解器采用 Abaqus/Standard，考虑材料非线性问题，采用自动增量步长。下图为后第二横梁中心点的位移、应力、塑性应变、弹性应变随载荷的变化曲线。图 5 横梁在最大载荷时应力云图图 6 加载过程横梁中心点应力曲线图 7 加载过程，横梁中心点弹性应变曲线图 8 加载过程，横梁中心点塑性应变曲线图 9 加载

4、完毕，超过材料屈服点的区域图 10 加载过程，横梁中心点位移曲线通过以上曲线，可以发现在加载过程中有一个明显的非线性问题，这和试验结果相一致。在完成试制样车、加载后，车身地板没有出现塑性变形、地板和下横梁没有出现干涉现象，当车辆在试验场运行一段时间后，因为运行环境复杂，在车辆惯性载荷的作用下，地板、横梁发生塑性变形，发生干涉现象。为了解决此问题，分别计算了车身不同截面的横梁和改进后的横梁在300kg 载荷作用下的变形。结果如表一所示：表一、不同截面横梁的变形比较1 横梁2 横梁3 横梁改进横梁厚度 1.5mm改进横梁厚度 2mm截面尺寸（宽高）4210422372135132.55233截面面

5、积199.7355231.2468276.8534257.4435327.2252Iyy2879.33418343.0214901.2745247.3457570.13Izz104507.7117064265290.2144618.2184288.4J5664.26325198.0531814.463508.6876611.13中心点变形(mm)28.29.7516.93.572.91中心点应力(kPa)15555815769315616012016794667横梁质量（kg)1.11.3962.0621.6452.1944 结论1、通过进行材料非线性分析，结合试验反馈信息，确定了地板后横梁下

6、沉原因：地板横梁设计时安全裕量不足，造成车辆行驶在颠簸路面时，动载过大时，引起地板横梁发生塑性变形；2、根据表一结果，最终选定改变横梁截面形状、壁厚增加为 2mm 的方案，重新装车试验，车身后地板无再次发生下沉事故，证明故障原因判定是正确的，改进是有效的；3、通过此次分析发现，在概念设计时，首先利用有限元工具计算出截面的各种性能参数，可以快速的比较各种截面的优劣，从而在概念设计阶段对设计起到指导作用；在详细设计阶段，建立详细的有限元模型，可以考虑横梁的应力、变形等，二者结合才能使有限元在设计工作发挥出最大作用。参考文献：庄茁 主译 朱以文 肖金生 等翻译 Abaqus 有限元软件 6.4 版本入门指南。