復(fù)雜斷面薄壁梁車身骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種復(fù)雜斷面薄壁梁車身骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，屬于汽車車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域。通過(guò)推導(dǎo)解析公式得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，考慮了梁斷面的幾何形狀對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。梁骨架車身在汽車動(dòng)力學(xué)分析中具有廣闊的應(yīng)用前景，而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是評(píng)價(jià)梁骨架車身性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，該物理量的求解精度決定整車動(dòng)力學(xué)分析的精度。區(qū)別于現(xiàn)有商業(yè)軟件計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法均忽略了薄壁梁斷面的幾何形狀，本發(fā)明專利技術(shù)的方法為梁骨架車身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算提供了一種有效且精度高的方法。

The calculation method of the moment of inertia of the thin walled beam body frame

The invention relates to a method for calculating the moment of inertia of a body frame of a thin-walled beam with complex sections. The formula for calculating the moment of inertia is obtained by deducing the analytical formula, and the influence of the geometry of the beam section on the moment of inertia is considered. The beam frame body has a wide application prospect in vehicle dynamics analysis, and the moment of inertia is a key parameter for evaluating beam skeleton body performance, vehicle dynamics analysis to determine accuracy the accuracy of the physical quantity. Different from the existing commercial software calculation method of moment of inertia are neglected the thin-walled beam section geometry, provides a method for effective and accurate calculation method of the present invention is the beam inertia of the body skeleton.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及汽車車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)雜斷面薄壁梁車身骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法。主要用于計(jì)算由復(fù)雜斷面薄壁梁構(gòu)成的車身骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
技術(shù)介紹
目前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到汽車行業(yè)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真可以建立有限元模型并進(jìn)行求解分析。但是，現(xiàn)有車身有限元模型基本都采用板殼單元，由于單元數(shù)目較多，結(jié)構(gòu)自由度在100萬(wàn)以上，因此計(jì)算量很大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期很長(zhǎng)。而由薄壁梁?jiǎn)卧獦?gòu)成的車身骨架，具有自由度少，計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，能夠大幅縮短設(shè)計(jì)周期，在汽車動(dòng)力學(xué)分析中具有廣闊的應(yīng)用前景。將梁骨架車身與懸架、輪胎結(jié)構(gòu)連接，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，獲得路面對(duì)整車及其零部件的載荷，進(jìn)而指導(dǎo)整車與零部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。其中，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是評(píng)價(jià)梁骨架車身性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，該物理量的求解精度決定整車動(dòng)力學(xué)分析的精度。目前，商業(yè)軟件如Hypermesh、LS-Dyna、Primer等具有計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的功能，但計(jì)算精度都不高，急需一種精度更高的計(jì)算方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種復(fù)雜斷面薄壁梁車身骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題。對(duì)建立的薄壁梁車身骨架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。本專利技術(shù)的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：復(fù)雜斷面薄壁梁車身骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，包括如下步驟：(1)繪制薄壁梁復(fù)雜斷面幾何形狀，并求出斷面形心坐標(biāo)，建立oyz坐標(biāo)系；(2)將該薄壁梁復(fù)雜斷面賦予薄壁梁，再使用復(fù)雜斷面薄壁梁建立車身骨架模型，并求出其質(zhì)心坐標(biāo)；(3)計(jì)算薄壁梁復(fù)雜斷面對(duì)斷面當(dāng)前坐標(biāo)系oyz的y軸和z軸的慣性矩與慣性積Iy、Iz、Iyz，原點(diǎn)o位于斷面的形心，根據(jù)慣性矩與慣性積確定斷面的形心主慣性軸方向角θ與主慣性軸坐標(biāo)系oy′z′，并計(jì)算斷面對(duì)形心主慣性軸的慣性矩Iy′、Iz′，最后確定復(fù)雜斷面薄壁梁局部坐標(biāo)系ox′y′z′，并計(jì)算復(fù)雜斷面薄壁梁對(duì)局部坐標(biāo)系ox′y′z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ix′x′、Iy′y′、Iz′z′、Ix′y′、Ix′z′、Iy′z′；(4)通過(guò)坐標(biāo)變換求解復(fù)雜斷面薄壁梁相對(duì)于坐標(biāo)系oX′Y′Z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′，其中坐標(biāo)系oX′Y′Z′的坐標(biāo)軸平行于全局坐標(biāo)系OXYZ的坐標(biāo)軸；(5)通過(guò)平行移軸公式，將各個(gè)復(fù)雜斷面薄壁梁對(duì)坐標(biāo)系oX′Y′Z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′轉(zhuǎn)化為對(duì)全局坐標(biāo)系OXYZ，即車身骨架模型的質(zhì)心位置的坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并對(duì)所有復(fù)雜斷面薄壁梁進(jìn)行求和，最終得到車身骨架模型對(duì)全局坐標(biāo)系OXYZ坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IXX、IYY、IZZ、IXY、IXZ、IYZ。所述的步驟(3)中，復(fù)雜斷面薄壁梁對(duì)局部坐標(biāo)系ox′y′z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為：其中ρ為材料密度，L為復(fù)雜斷面薄壁梁長(zhǎng)度，m為復(fù)雜斷面薄壁梁質(zhì)量，Iy′、Iz′為復(fù)雜斷面薄壁梁斷面對(duì)其形心主慣性軸的慣性矩；計(jì)算過(guò)程中的積分公式為：所述的步驟(4)中，復(fù)雜斷面薄壁梁對(duì)坐標(biāo)系oX′Y′Z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為：其中ρ為材料密度，L為復(fù)雜斷面薄壁梁長(zhǎng)度，m為復(fù)雜斷面薄壁梁質(zhì)量，Iy′、Iz′為復(fù)雜斷面薄壁梁斷面對(duì)其形心主慣性軸的慣性矩，aij為由復(fù)雜斷面薄壁梁局部坐標(biāo)系變換到全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣中第i行第j列的元素。所述的步驟(5)中，車身骨架模型對(duì)全局坐標(biāo)系OXYZ坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為：其中n為車身骨架模型包含的復(fù)雜斷面薄壁梁個(gè)數(shù)，為第k個(gè)復(fù)雜斷面薄壁梁對(duì)坐標(biāo)系oX′Y′Z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mk為第k個(gè)復(fù)雜斷面薄壁梁的質(zhì)量，(Xk,Yk,Zk)為第k個(gè)復(fù)雜斷面薄壁梁的質(zhì)心坐標(biāo)，(Xc,Yc,Zc)為車身骨架模型的質(zhì)心坐標(biāo)。本專利技術(shù)的有益效果在于：為薄壁梁車身骨架模型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算提供了一種有效方法。本專利技術(shù)的方法區(qū)別于現(xiàn)有商業(yè)軟件計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法，商業(yè)軟件如Hypermesh是將薄壁梁視為質(zhì)量集中于其質(zhì)心的集中質(zhì)量塊，而Primer與LS-Dyna的計(jì)算結(jié)果完全相同，相當(dāng)于將薄壁梁的質(zhì)量均布于梁的兩個(gè)端點(diǎn)所得的計(jì)算結(jié)果，以上商業(yè)軟件均忽略了薄壁梁斷面的幾何形狀。而本方法通過(guò)推導(dǎo)解析公式得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，考慮了梁斷面的幾何形狀對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。梁骨架車身在汽車動(dòng)力學(xué)分析中具有廣闊的應(yīng)用前景，而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是評(píng)價(jià)梁骨架車身性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，該物理量的求解精度決定整車動(dòng)力學(xué)分析的精度。本專利技術(shù)為梁骨架車身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算提供了一種有效且精度高的方法。附圖說(shuō)明此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本專利技術(shù)的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本專利技術(shù)的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本專利技術(shù)，并不構(gòu)成對(duì)本專利技術(shù)的不當(dāng)限定。圖1為本專利技術(shù)的五種類型斷面形狀；圖2為本專利技術(shù)的三室斷面形狀；圖3為本專利技術(shù)的由全局坐標(biāo)系到局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換示意圖；圖4為本專利技術(shù)的由全局坐標(biāo)系到局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換特殊情況示意圖；圖5為本專利技術(shù)的矩形斷面薄壁梁及其尺寸；圖6為本專利技術(shù)的由薄壁梁構(gòu)成的車身骨架模型(顯示斷面)；圖7為本專利技術(shù)的薄壁梁車身骨架模型包含的12種斷面類型。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本專利技術(shù)的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式。參見(jiàn)圖1至圖7所示，本專利技術(shù)的復(fù)雜斷面薄壁梁車身骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，包括以下步驟：(1)繪制薄壁梁復(fù)雜斷面幾何形狀，并求出斷面形心坐標(biāo)，建立oyz坐標(biāo)系。首先繪制薄壁梁復(fù)雜斷面形狀，復(fù)雜斷面的幾何形狀包含開(kāi)口斷面、單室斷面、雙室斷面、三室斷面、四室斷面，共五種類型斷面形狀，如圖1所示。圖2為三室斷面形狀，由上板、中板、下板與加強(qiáng)板構(gòu)成，以其為例進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)。斷面的面積A可以表示為其中，n、m分別為金屬薄板的數(shù)量和每一個(gè)金屬薄板的矩形片段數(shù)量，Aij為第i個(gè)金屬薄板第j個(gè)矩形片段的厚度，ti為第i個(gè)金屬薄板的厚度，lij為第i個(gè)金屬薄板第j個(gè)矩形片段的長(zhǎng)度。斷面形心坐標(biāo)可以求解為其中(yij,zij)為第i個(gè)金屬薄板第j個(gè)矩形片段的中心。求出形心后，將形心作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，建立圖2所示的oyz坐標(biāo)系，用于計(jì)算斷面形心以及形心主慣性軸。(2)建立車身梁骨架模型，并求出模型質(zhì)心坐標(biāo)將所繪制的斷面賦予薄壁梁，再使用薄壁梁建立車身骨架模型，并求出模型的質(zhì)心坐標(biāo)。假設(shè)材料密度均勻，則上述斷面形狀的薄壁梁的質(zhì)量m＝ρLA(3)其中ρ為材料密度，L為薄壁梁長(zhǎng)度。若薄壁梁兩端點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)，則薄壁梁質(zhì)心坐標(biāo)為由于車身梁骨架模型由多個(gè)薄壁梁構(gòu)成，所以整個(gè)模型的質(zhì)心坐標(biāo)為其中mk為第k個(gè)薄壁梁的質(zhì)量，(Xk,Yk,Zk)為第k個(gè)薄壁梁的質(zhì)心坐標(biāo)。(3)計(jì)算薄壁梁對(duì)局部坐標(biāo)系ox′y′z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量薄壁梁斷面對(duì)當(dāng)前坐標(biāo)系oyz(原點(diǎn)o位于斷面的形心)的y軸和z軸的慣性矩與慣性積Iy、Iz、Iyz可以定義為其中(yij,zij)為第i個(gè)金屬薄板第j個(gè)矩形片段的中心，θij為第i個(gè)金屬薄板第j個(gè)矩形片段與x軸的夾角。設(shè)y′、z′為形心主慣性軸，與oyz坐標(biāo)系坐標(biāo)軸夾角為θ，通過(guò)Iy、Iz和Iyz可以推導(dǎo)斷面的主慣性矩公式，即根據(jù)以上公式可確定斷面的形心主慣性軸方向角θ與主慣性軸坐標(biāo)系oy′z′，并計(jì)算出斷面對(duì)形心主慣性軸本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種復(fù)雜斷面薄壁梁車身骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，其特征在于：包括如下步驟：(1)繪制薄壁梁復(fù)雜斷面幾何形狀，并求出斷面形心坐標(biāo)，建立oyz坐標(biāo)系；(2)將該薄壁梁復(fù)雜斷面賦予薄壁梁，再使用復(fù)雜斷面薄壁梁建立車身骨架模型，并求出其質(zhì)心坐標(biāo)；(3)計(jì)算薄壁梁復(fù)雜斷面對(duì)斷面當(dāng)前坐標(biāo)系oyz的y軸和z軸的慣性矩與慣性積Iy、Iz、Iyz，原點(diǎn)o位于斷面的形心，根據(jù)慣性矩與慣性積確定斷面的形心主慣性軸方向角θ與主慣性軸坐標(biāo)系oy′z′，并計(jì)算斷面對(duì)形心主慣性軸的慣性矩Iy′、Iz′，最后確定復(fù)雜斷面薄壁梁局部坐標(biāo)系ox′y′z′，并計(jì)算復(fù)雜斷面薄壁梁對(duì)局部坐標(biāo)系ox′y′z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ix′x′、Iy′y′、Iz′z′、Ix′y′、Ix′z′、Iy′z′；(4)通過(guò)坐標(biāo)變換求解復(fù)雜斷面薄壁梁相對(duì)于坐標(biāo)系oX′Y′Z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′，其中坐標(biāo)系oX′Y′Z′的坐標(biāo)軸平行于全局坐標(biāo)系OXYZ的坐標(biāo)軸；(5)通過(guò)平行移軸公式，將各個(gè)復(fù)雜斷面薄壁梁對(duì)坐標(biāo)系oX′Y′Z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′轉(zhuǎn)化為對(duì)全局坐標(biāo)系OXYZ，即車身骨架模型的質(zhì)心位置的坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并對(duì)所有復(fù)雜斷面薄壁梁進(jìn)行求和，最終得到車身骨架模型對(duì)全局坐標(biāo)系OXYZ坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IXX、IYY、IZZ、IXY、IXZ、IYZ。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種復(fù)雜斷面薄壁梁車身骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，其特征在于：包括如下步驟：(1)繪制薄壁梁復(fù)雜斷面幾何形狀，并求出斷面形心坐標(biāo)，建立oyz坐標(biāo)系；(2)將該薄壁梁復(fù)雜斷面賦予薄壁梁，再使用復(fù)雜斷面薄壁梁建立車身骨架模型，并求出其質(zhì)心坐標(biāo)；(3)計(jì)算薄壁梁復(fù)雜斷面對(duì)斷面當(dāng)前坐標(biāo)系oyz的y軸和z軸的慣性矩與慣性積Iy、Iz、Iyz，原點(diǎn)o位于斷面的形心，根據(jù)慣性矩與慣性積確定斷面的形心主慣性軸方向角θ與主慣性軸坐標(biāo)系oy′z′，并計(jì)算斷面對(duì)形心主慣性軸的慣性矩Iy′、Iz′，最后確定復(fù)雜斷面薄壁梁局部坐標(biāo)系ox′y′z′，并計(jì)算復(fù)雜斷面薄壁梁對(duì)局部坐標(biāo)系ox′y′z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ix′x′、Iy′y′、Iz′z′、Ix′y′、Ix′z′、Iy′z′；(4)通過(guò)坐標(biāo)變換求解復(fù)雜斷面薄壁梁相對(duì)于坐標(biāo)系oX′Y′Z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′，其中坐標(biāo)系oX′Y′Z′的坐標(biāo)軸平行于全局坐標(biāo)系OXYZ的坐標(biāo)軸；(5)通過(guò)平行移軸公式，將各個(gè)復(fù)雜斷面薄壁梁對(duì)坐標(biāo)系oX′Y′Z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′轉(zhuǎn)化為對(duì)全局坐標(biāo)系OXYZ，即車身骨架模型的質(zhì)心位置的坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并對(duì)所有復(fù)雜斷面薄壁梁進(jìn)行求和，最終得到車身骨架模型對(duì)全局坐標(biāo)系OXYZ坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IXX、IYY、IZZ、IXY、IXZ、IYZ。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)雜斷面薄壁梁車身骨架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，其特征在于：所述的步驟(3)中，復(fù)雜斷面薄壁梁對(duì)局部坐標(biāo)系ox′y′z′坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為：Ix′x′=ρL(Iy′+Iz′)Iy′y′=mL212+ρLIy′Iz′z′=mL212+ρLIz′Ix′y′=0Ix′z′=0Iy′z′=0]]>其中ρ為材料密度，L為復(fù)雜斷面薄壁梁長(zhǎng)度，m為復(fù)雜斷面薄壁梁質(zhì)量，Iy′、Iz′為復(fù)雜斷面薄壁梁斷面對(duì)其形心主慣性軸的慣性矩；計(jì)算過(guò)程中的積分公式為：∫Mx′2dm=2∫0L2mx′2Ldx=mL212∫My′2dm=∫Ay′2ρLdA=ρLIz′∫Mz′2dm=∫Az′2ρLdA=ρLIy′∫Mx′y′dm=∫Mx′z&p...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：左文杰，趙興，白建濤，桂春陽(yáng)，盧亞運(yùn)，王威，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：吉林大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：吉林;22