复杂断面薄壁梁车身骨架的转动惯量计算方法技术

本发明专利技术涉及一种复杂断面薄壁梁车身骨架的转动惯量计算方法，属于汽车车身设计领域。通过推导解析公式得到转动惯量的计算公式，考虑了梁断面的几何形状对转动惯量的影响，使转动惯量的计算结果更加准确。梁骨架车身在汽车动力学分析中具有广阔的应用前景，而转动惯量是评价梁骨架车身性能的一个关键参数，该物理量的求解精度决定整车动力学分析的精度。区别于现有商业软件计算转动惯量的方法均忽略了薄壁梁断面的几何形状，本发明专利技术的方法为梁骨架车身转动惯量的计算提供了一种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.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及汽车车身设计领域，特别涉及一种复杂断面薄壁梁车身骨架的转动惯量计算方法。主要用于计算由复杂断面薄壁梁构成的车身骨架的转动惯量。
技术介绍
目前，计算机辅助设计与分析技术已经广泛应用到汽车行业中，通过计算机仿真可以建立有限元模型并进行求解分析。但是，现有车身有限元模型基本都采用板壳单元，由于单元数目较多，结构自由度在100万以上，因此计算量很大，导致设计周期很长。而由薄壁梁单元构成的车身骨架，具有自由度少，计算效率高的优点，能够大幅缩短设计周期，在汽车动力学分析中具有广阔的应用前景。将梁骨架车身与悬架、轮胎结构连接，对其进行动力学分析，获得路面对整车及其零部件的载荷，进而指导整车与零部件的设计与优化。其中，转动惯量是评价梁骨架车身性能的一个关键参数，该物理量的求解精度决定整车动力学分析的精度。目前，商业软件如Hypermesh、LS-Dyna、Primer等具有计算转动惯量的功能，但计算精度都不高，急需一种精度更高的计算方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复杂断面薄壁梁车身骨架的转动惯量计算方法，解决了现有技术存在的上述问题。对建立的薄壁梁车身骨架进行转动惯量的计算。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：复杂断面薄壁梁车身骨架的转动惯量计算方法，包括如下步骤：(1)绘制薄壁梁复杂断面几何形状，并求出断面形心坐标，建立oyz坐标系；(2)将该薄壁梁复杂断面赋予薄壁梁，再使用复杂断面薄壁梁建立车身骨架模型，并求出其质心坐标；(3)计算薄壁梁复杂断面对断面当前坐标系oyz的y轴和z轴的惯性矩与惯性积Iy、Iz、Iyz，原点o位于断面的形心，根据惯性矩与惯性积确定断面的形心主惯性轴方向角θ与主惯性轴坐标系oy′z′，并计算断面对形心主惯性轴的惯性矩Iy′、Iz′，最后确定复杂断面薄壁梁局部坐标系ox′y′z′，并计算复杂断面薄壁梁对局部坐标系ox′y′z′坐标轴的转动惯量Ix′x′、Iy′y′、Iz′z′、Ix′y′、Ix′z′、Iy′z′；(4)通过坐标变换求解复杂断面薄壁梁相对于坐标系oX′Y′Z′坐标轴的转动惯量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′，其中坐标系oX′Y′Z′的坐标轴平行于全局坐标系OXYZ的坐标轴；(5)通过平行移轴公式，将各个复杂断面薄壁梁对坐标系oX′Y′Z′坐标轴的转动惯量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′转化为对全局坐标系OXYZ，即车身骨架模型的质心位置的坐标系的坐标轴的转动惯量，并对所有复杂断面薄壁梁进行求和，最终得到车身骨架模型对全局坐标系OXYZ坐标轴的转动惯量IXX、IYY、IZZ、IXY、IXZ、IYZ。所述的步骤(3)中，复杂断面薄壁梁对局部坐标系ox′y′z′坐标轴的转动惯量的计算公式为：其中ρ为材料密度，L为复杂断面薄壁梁长度，m为复杂断面薄壁梁质量，Iy′、Iz′为复杂断面薄壁梁断面对其形心主惯性轴的惯性矩；计算过程中的积分公式为：所述的步骤(4)中，复杂断面薄壁梁对坐标系oX′Y′Z′坐标轴的转动惯量的计算公式为：其中ρ为材料密度，L为复杂断面薄壁梁长度，m为复杂断面薄壁梁质量，Iy′、Iz′为复杂断面薄壁梁断面对其形心主惯性轴的惯性矩，aij为由复杂断面薄壁梁局部坐标系变换到全局坐标系的坐标变换矩阵中第i行第j列的元素。所述的步骤(5)中，车身骨架模型对全局坐标系OXYZ坐标轴的转动惯量计算公式为：其中n为车身骨架模型包含的复杂断面薄壁梁个数，为第k个复杂断面薄壁梁对坐标系oX′Y′Z′坐标轴的转动惯量，mk为第k个复杂断面薄壁梁的质量，(Xk,Yk,Zk)为第k个复杂断面薄壁梁的质心坐标，(Xc,Yc,Zc)为车身骨架模型的质心坐标。本专利技术的有益效果在于：为薄壁梁车身骨架模型转动惯量的计算提供了一种有效方法。本专利技术的方法区别于现有商业软件计算转动惯量的方法，商业软件如Hypermesh是将薄壁梁视为质量集中于其质心的集中质量块，而Primer与LS-Dyna的计算结果完全相同，相当于将薄壁梁的质量均布于梁的两个端点所得的计算结果，以上商业软件均忽略了薄壁梁断面的几何形状。而本方法通过推导解析公式得到转动惯量的计算公式，考虑了梁断面的几何形状对转动惯量的影响，使转动惯量的计算结果更加准确。梁骨架车身在汽车动力学分析中具有广阔的应用前景，而转动惯量是评价梁骨架车身性能的一个关键参数，该物理量的求解精度决定整车动力学分析的精度。本专利技术为梁骨架车身转动惯量的计算提供了一种有效且精度高的方法。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的五种类型断面形状；图2为本专利技术的三室断面形状；图3为本专利技术的由全局坐标系到局部坐标系的坐标变换示意图；图4为本专利技术的由全局坐标系到局部坐标系的坐标变换特殊情况示意图；图5为本专利技术的矩形断面薄壁梁及其尺寸；图6为本专利技术的由薄壁梁构成的车身骨架模型(显示断面)；图7为本专利技术的薄壁梁车身骨架模型包含的12种断面类型。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图1至图7所示，本专利技术的复杂断面薄壁梁车身骨架的转动惯量计算方法，包括以下步骤：(1)绘制薄壁梁复杂断面几何形状，并求出断面形心坐标，建立oyz坐标系。首先绘制薄壁梁复杂断面形状，复杂断面的几何形状包含开口断面、单室断面、双室断面、三室断面、四室断面，共五种类型断面形状，如图1所示。图2为三室断面形状，由上板、中板、下板与加强板构成，以其为例进行计算推导。断面的面积A可以表示为其中，n、m分别为金属薄板的数量和每一个金属薄板的矩形片段数量，Aij为第i个金属薄板第j个矩形片段的厚度，ti为第i个金属薄板的厚度，lij为第i个金属薄板第j个矩形片段的长度。断面形心坐标可以求解为其中(yij,zij)为第i个金属薄板第j个矩形片段的中心。求出形心后，将形心作为坐标系原点，建立图2所示的oyz坐标系，用于计算断面形心以及形心主惯性轴。(2)建立车身梁骨架模型，并求出模型质心坐标将所绘制的断面赋予薄壁梁，再使用薄壁梁建立车身骨架模型，并求出模型的质心坐标。假设材料密度均匀，则上述断面形状的薄壁梁的质量m＝ρLA(3)其中ρ为材料密度，L为薄壁梁长度。若薄壁梁两端点在全局坐标系下的坐标为(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)，则薄壁梁质心坐标为由于车身梁骨架模型由多个薄壁梁构成，所以整个模型的质心坐标为其中mk为第k个薄壁梁的质量，(Xk,Yk,Zk)为第k个薄壁梁的质心坐标。(3)计算薄壁梁对局部坐标系ox′y′z′坐标轴的转动惯量薄壁梁断面对当前坐标系oyz(原点o位于断面的形心)的y轴和z轴的惯性矩与惯性积Iy、Iz、Iyz可以定义为其中(yij,zij)为第i个金属薄板第j个矩形片段的中心，θij为第i个金属薄板第j个矩形片段与x轴的夹角。设y′、z′为形心主惯性轴，与oyz坐标系坐标轴夹角为θ，通过Iy、Iz和Iyz可以推导断面的主惯性矩公式，即根据以上公式可确定断面的形心主惯性轴方向角θ与主惯性轴坐标系oy′z′，并计算出断面对形心主惯性轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂断面薄壁梁车身骨架的转动惯量计算方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)绘制薄壁梁复杂断面几何形状，并求出断面形心坐标，建立oyz坐标系；(2)将该薄壁梁复杂断面赋予薄壁梁，再使用复杂断面薄壁梁建立车身骨架模型，并求出其质心坐标；(3)计算薄壁梁复杂断面对断面当前坐标系oyz的y轴和z轴的惯性矩与惯性积Iy、Iz、Iyz，原点o位于断面的形心，根据惯性矩与惯性积确定断面的形心主惯性轴方向角θ与主惯性轴坐标系oy′z′，并计算断面对形心主惯性轴的惯性矩Iy′、Iz′，最后确定复杂断面薄壁梁局部坐标系ox′y′z′，并计算复杂断面薄壁梁对局部坐标系ox′y′z′坐标轴的转动惯量Ix′x′、Iy′y′、Iz′z′、Ix′y′、Ix′z′、Iy′z′；(4)通过坐标变换求解复杂断面薄壁梁相对于坐标系oX′Y′Z′坐标轴的转动惯量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′，其中坐标系oX′Y′Z′的坐标轴平行于全局坐标系OXYZ的坐标轴；(5)通过平行移轴公式，将各个复杂断面薄壁梁对坐标系oX′Y′Z′坐标轴的转动惯量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′转化为对全局坐标系OXYZ，即车身骨架模型的质心位置的坐标系的坐标轴的转动惯量，并对所有复杂断面薄壁梁进行求和，最终得到车身骨架模型对全局坐标系OXYZ坐标轴的转动惯量IXX、IYY、IZZ、IXY、IXZ、IYZ。...

【技术特征摘要】
1.一种复杂断面薄壁梁车身骨架的转动惯量计算方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)绘制薄壁梁复杂断面几何形状，并求出断面形心坐标，建立oyz坐标系；(2)将该薄壁梁复杂断面赋予薄壁梁，再使用复杂断面薄壁梁建立车身骨架模型，并求出其质心坐标；(3)计算薄壁梁复杂断面对断面当前坐标系oyz的y轴和z轴的惯性矩与惯性积Iy、Iz、Iyz，原点o位于断面的形心，根据惯性矩与惯性积确定断面的形心主惯性轴方向角θ与主惯性轴坐标系oy′z′，并计算断面对形心主惯性轴的惯性矩Iy′、Iz′，最后确定复杂断面薄壁梁局部坐标系ox′y′z′，并计算复杂断面薄壁梁对局部坐标系ox′y′z′坐标轴的转动惯量Ix′x′、Iy′y′、Iz′z′、Ix′y′、Ix′z′、Iy′z′；(4)通过坐标变换求解复杂断面薄壁梁相对于坐标系oX′Y′Z′坐标轴的转动惯量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′，其中坐标系oX′Y′Z′的坐标轴平行于全局坐标系OXYZ的坐标轴；(5)通过平行移轴公式，将各个复杂断面薄壁梁对坐标系oX′Y′Z′坐标轴的转动惯量IX′X′、IY′Y′、IZ′Z′、IX′Y′、IX′Z′、IY′Z′转化为对全局坐标系OXYZ，即车身骨架模型的质心位置的坐标系的坐标轴的转动惯量，并对所有复杂断面薄壁梁进行求和，最终得到车身骨架模型对全局坐标系OXYZ坐标轴的转动惯量IXX、IYY、IZZ、IXY、IXZ、IYZ。2.根据权利要求1所述的复杂断面薄壁梁车身骨架的转动惯量计算方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，复杂断面薄壁梁对局部坐标系ox′y′z′坐标轴的转动惯量的计算公式为：Ix′x′=ρL(Iy′+Iz′)Iy′y′=mL212+ρLIy′Iz′z′=mL212+ρLIz′Ix′y′=0Ix′z′=0Iy′z′=0]]>其中ρ为材料密度，L为复杂断面薄壁梁长度，m为复杂断面薄壁梁质量，Iy′、Iz′为复杂断面薄壁梁断面对其形心主惯性轴的惯性矩；计算过程中的积分公式为：∫Mx′2dm=2∫0L2mx′2Ldx=mL212∫My′2dm=∫Ay′2ρLdA=ρLIz′∫Mz′2dm=∫Az′2ρLdA=ρLIy′∫Mx′y′dm=∫Mx′z&p...

【专利技术属性】
技术研发人员：左文杰，赵兴，白建涛，桂春阳，卢亚运，王威，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22