[发明专利]双帽型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法

说明书

技术领域

本发明属于汽车车身设计领域，主要用于汽车的概念设计阶段的抗撞性研究。具体涉及一种双帽型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法，在车身概念设计阶段的碰撞分析中，实现双帽型截面薄壁梁抗弯特性的快速提取。

背景技术

汽车的概念模型是对详细模型的高度简化，构成车身的吸能部件均被缩减为简化的梁单元，概念车身有限元模型中用壳单元模拟薄壁梁是不现实的。双帽型截面薄壁梁是车身承载部件中较常见的结构，掌握其弯曲特性是车身产品在概念设计阶段达到抗撞性能指标的基础。

在发生弯曲变形时，出现的塑性铰线被视为薄壁梁结构变形能量耗散的唯一途径。本发明通过大量试验以及数值模拟，针对双帽型截面薄壁梁提出简化分析方法，能够在缩减建模前预测结构的抗弯性能，避开了非线性问题繁琐的建模及分析过程，类似针对双帽型截面薄壁梁结构弯曲特性分析方法并未出现在汽车车身设计领域中。

发明内容

本发明所要解决的关键问题是提出一种双帽型截面薄壁梁弯曲特性的简化分析方法，将双帽型薄壁梁的弯曲变形区域沿“帽檐”分为两部分，即凹陷部分和凸起部分。这样就将一个复杂的变形模式分为两个相对简单的模式，对每一部分分别建立简化模型，最后再把两部分组合，得到双帽型薄壁梁的简化模型。本发明提供的简化模型能够更准确模拟双帽型截面薄壁梁，可应用于概念设计阶段对车身结构中双帽型薄壁梁部件弯曲吸能变形的模拟。

本发明主要通过以下步骤实现：

(1)将双帽型截面薄壁梁的弯曲变形区分为凹陷部分和凸起部分；

(2)计算凹陷部分的局部弯曲特性；

(3)计算凸起部分的局部弯曲特性；

(4)将凹陷部分和凸起部分进行组装，计算双帽型薄壁梁整体弯曲特性。

其中，步骤(2)包括塑性铰线分类、计算塑性铰线长度、计算塑性铰线的相对转角、计算沿各条塑性铰线耗散的能量，具体为：

设简化模型的截面几何参数为a、b和f，在弯曲过程中，塑性转角为θ，弯曲区域长度为2h，且其值等于a和b中的较小者；

设所有的塑性变形都发生在塑性铰线上，且塑性铰线可分为两种类型：固定塑性铰线和移动塑性铰线，固定塑性铰线包括EX、GY、EB、GB、BZ、BA、FC、HC、CV、CJ、GK、NH、HU、WF、EL、FM、NM、NK、ML和LK，其中AB和CJ的长度随塑性转角θ变化；移动塑性铰线包括AG、AE、AL、AK、JF、JM、JH、JN；

因此沿任意塑性铰线耗散的能量W_i可表示为

W_i＝l_i·M₀·ω_i

式中，l_i为塑性铰线的长度，M₀为发生塑性弯曲时的单位弯矩，它是由结构几何尺寸和材料属性决定的，M₀＝σ₀t²/4，σ₀为流变应力，t是薄壁梁的壁厚，ω_i为沿对应的塑性铰线产生的相对转角；

综上，凹陷部分结构吸收的总能量为

其中n为耗散能量的塑性铰线的条数；

弯矩与塑性转角的关系为

式中Δθ为塑性转角的微小增量。

其中，步骤(3)包括塑性铰线分类、计算塑性铰线长度、计算塑性铰线的相对转角、计算沿各条塑性铰线耗散的能量，具体为：

设所有的塑性变形都发生在塑性铰线上，简化模型的截面几何参数与凹陷部分的截面几何参数同为a、b和f；

忽略GG′、EE′、FF′、HH′、GB、BE、HC和CF上吸收的能量；

在该模型中需要研究的塑性铰线有：固定塑性铰线，包括GY、EX、BZ、G′B′、B′E′、G′B、E′B、A′B′、UH、VC、WF、H′C′、C′F′、H′C、F′C、J′C′、C′B′、H′G′和F′E′，其中A′B′、J′C′、G′B、E′B、H′C和F′C的长度在弯曲过程中随塑性转角θ的增大而变化；移动塑性铰线，包括A′G′、A′E′、A′B、J′C、J′H′和J′F′；

沿凸起部分的各条塑性铰线耗散的能量W_凸(θ)、弯矩与塑性转角的关系M_凸(θ)的计算方法与凹陷部分的计算方法一致。

其中，步骤(4)包括凸凹部件的组装、建立整体能量表达式、得到弯矩和塑性转角之间的关系，具体为：

将凹陷和凸起两部分的简化模型进行组装，得到双帽型薄壁梁整体的模型；

在弯曲过程中，双帽型薄壁梁上吸收的能量为