本发明涉及一种车身数字化设计、制造与优化方法，尤其是涉及一种计入胶层的异质车身门盖件模态数值模拟及优化方法。
背景技术：
车身门盖件是最醒目的车身构件，是汽车的重要组成部分。车身门盖件一般由内板、外板及加强板组成，其静动态特性对汽车的舒适性、安全性有着非常重要的影响。胶粘连接在新能源电动汽车钢铝混合异质车身上得到了广泛的应用，特别是在车身门盖件上。虽然胶粘连接很大程度上为车身轻量化提供了良好的连接方法，但是胶层的引入也改变了传统的车身门盖件静动态特性。特别是在数值模拟仿真分析中，结构的材料以及各个构件的连接方式对其静动态特性的计算起了关键性的作用。
而对车身门盖件的传统研究中，一是因为人们主要关注车身门盖件的主体结构的性能分析及优化，二是因为在数值仿真分析中，对胶层的建模及其与其它部件的连接属性的建立存在困难，导致了人们忽略了胶层对车身门盖件的静动态特性的影响。chandrubt,dr.sureshpm采用有限元分析和试验分析相结合的方法，对汽车顶盖进行了模态分析，两种方法结果能较好的吻合；同时他们对汽车的引擎盖进行了数值模拟及试验验证的方法，获得了比较吻合的结果，但是他们在对汽车顶盖和前舱盖的建模中忽略了胶层的作用。alvesdl,campilhordsg,moreirardf等人利用内聚力单元模型模拟胶粘接头的胶层属性，其结果很好的描述了接头的破坏界面和强度，但是在对车身门盖件的模态数值分析中，并不涉及到胶层的破坏，所以内聚力单元模型并不适合本发明中对胶层的处理。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计入胶层的异质车身门盖件模态数值模拟及优化方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种计入胶层的异质车身门盖件模态数值模拟及优化方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：通过建立含胶层车身门盖件三维装配模型以表示内外板间的结构胶胶层实体；
步骤2：基于含胶层车身门盖件三维装配模型，将模型网格设置成不同区域，进一步建立胶层与内外板接触模型；
步骤3：根据不同的影响因素设计正交试验，通过模态数值仿真确定优化方案，得到优化结果；
步骤4：通过模态试验法验证优化方案的可行性，得到试验结果并与优化结果对比得到最终结果。
进一步地，所述的步骤1中的内外板间的结构胶胶层实体包括：在三维建模软件中，利用三维实体特征生成命令，生成包含胶层厚度及曲率的实体特征，并利用三维装配关系，确定胶层与车身门盖件内外板的相对位置关系。
进一步地，所述的步骤2中的模型网格包括：在仿真前处理软件中，通过设置全局尺寸与局部尺寸、网格单元类型为四边形，针对结构外板、内板及胶层实体特征生成的壳单元网格。
进一步地，所述的步骤2中的胶层与内外板接触模型包括：在仿真计算软件中，约束车身门盖件各部件接触关系，以此来保证各个部件自身结点自由度不产生冲突且各对应的结点对位移一致的abaquscae仿真软件中的tie约束模型。
进一步地，所述的步骤3具体包括：以胶层密度、弹性模量和厚度为影响因素设计正交试验，通过模态数值仿真确定优化方案，得到优化结果。
进一步地，所述的步骤4具体包括：利用锤击法模态试验装置，以缩比车身前舱盖模型为具体实施例，验证正交试验优化方案，得到试验结果并与优化结果对比得到最终结果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明考虑到胶层对车身门盖件静动态特性的影响，建立含胶的车身门盖件模型，并建立胶层与车身门盖件内外板的连接属性，减小仿真模型与实际结构之间的误差，为异质车身门盖件数字化设计提供一种计入胶层作用的模态数值模拟及优化方法，更加适用于实际车身门盖件分析。
(2)本发明提出了一种计入胶层作用的车身门盖件模态数值模拟及优化方法，通过建立车身门盖件结构胶胶层实体特征，保证了结构模型的完整性；以tie捆绑约束模型建立胶层与车身门盖件内外板的接触属性，确保了计算模型中各部件间的连接关系；通过设计锤击法模态试验，验证了优化方案的可行性。本发明为车身门盖件的数字化设计方法提供了技术支撑。
附图说明
图1为本发明的计入胶层作用车身门盖件模态数值模拟及优化方法技术方法总图；
图2为本发明的计入胶层作用车身门盖件模态数值模拟分析方法图；
图3为本发明的基于胶层三因素三水平正交试验优化方法图；
图4为本发明的实施例1中不含胶层结构模型示意图；
图5为本发明的实施例1中含胶层结构模型示意图；
图6为本发明的实施例1两组对比仿真结果频率曲线图；
图7为本发明的实施例2中缩比车身前舱盖三维模型及局部细节图；
图8为本发明的实施例2中各试验仿真结果频率图；
图9为本发明的实施例2中锤击法模态试验验证示意图；
图中，1：铝板，2：钢板，3：胶层，4：缩比车身前舱盖模型外板，5：缩比车身前舱盖模型胶层，6：缩比前舱盖模型内板，7：缩比车身前舱盖，8：模态试验激励点阵，9：icp型3263m8传感器，10：avantmi-7008数据采集与分析系统，11：试验结果显示及处理设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
下面结合附图及具体实施案例对本发明进行详细说明。
一种计入胶层的异质车身门盖件模态数值模拟及优化方法，如图1所示，包括步骤：
1、建立包含胶层实体的车身门盖件三维装配模型。
2、建立胶层与车身门盖件内外板接触模型。
3、基于正交试验法的胶层密度、弹性模量、厚度对车身门盖件模态影响的数值仿真分析。模态数值模拟分析方法如图2所示，包括步骤：
1)利用三维建模软件建立车身门盖件三维装配模型。
2)导入cae仿真前处理软件生成模型网格文件。
3)通过cae仿真软件设置材料参数及各部件接触属性。胶层材料参数包括胶层密度、弹性模量及厚度；接触属性是指tie捆绑约束模型。
4)提交job，运行仿真，生成模态分析报告。
4、基于车身门盖件缩比模型的模态试验验证。仿真分析优化方案及试验验证如图3所示，包括步骤：
1)基于胶层密度、弹性模量、厚度设计三因素三水平正交试验表。
2)利用cae仿真软件进行模态分析，生成模态分析报告。
3)分析仿真报告，确定各因素主次顺序，确定优化方案。
4)基于锤击法模态试验，进行优化方案验证分析。
实施例1：“两板夹一胶”模态数值模拟对比分析
本实施例以“两板夹一胶”的简单模型为例，目的是证明胶层的存在对结构的模态数值模拟结果的影响。
本实施例中，“两板夹一胶”可以等效为三个刚度分别为k1，k2，k3的物体串联模型，由串联刚度公式，
不含胶层模型的等效刚度k′满足等式：
含胶层模型的等效刚度k″满足等式：
由于等式(2)的右边大于等式(1)的右边，即：
k″＜k′
含胶层模型的等效刚度小于不含胶层模型的等效刚度，由于结构的固有频率与自身的刚度成正比，即含胶层模型的固有频率要低于不含胶层模型的固有频率。
本实施例中，钢板和铝板的尺寸均为300×100×1mm，胶层的尺寸也为300×100×1mm。本次对比分析中设置两组模型，一组是不含胶层的结构模型，其示意图如图4所示；另一组是含胶层的结构模型，其示意图如图5所示。
本实施例中，首先，通过在三维建模软件中分别建立不含胶层和含胶层的结构模型；其次，利用cae仿真前处理软件，划分结构化壳单元网格；最后，在cae仿真软件中，依次导入各模型，设置材料属性、接触属性、边界条件等，生成分析报告。
根据仿真结果，绘制两组结构模型的前6阶固有频率曲线，如图6所示，可以看出，胶层的存在会降低结构的固有频率，影响结构的静动态特性。
实施例2：车身前舱盖缩比模型的模态仿真分析及试验验证
本实施例是在以下实施条件和技术要求下实施的：
建立包含胶层实体的车身前舱盖缩比三维装配模型。根据图7的车身前舱盖缩比模型图，利用三维建模软件，生成车身前舱盖内板、外板及胶层实体特征。前舱盖的整体投影尺寸为320×200mm，外板的材料为铝合金，材料的厚度为1.0mm，内板的材料为高强钢，厚度为1.0mm，胶层的材料为聚氨酯结构胶，厚度为1.0mm。同时利用三维装配关系，保证内板、外板与胶层的相对位置关系。
生成车身前舱盖缩比模型的网格文件。在cae仿真前处理软件中导入三维模型文件，设置单元类型、全局种子及局部种子，分别生成外板、内板及胶层的网格文件。
基于正交试验法的胶层密度、弹性模量、厚度对车身前舱盖模态影响的数值仿真分析。根据影响结构固有频率的因素，选取胶层的密度、弹性模量、厚度作为影响因素，胶层的材料参数表如表1所示，并分别选取三个水平。根据正交试验法，基于上述三因素三水平设计此次仿真分析的正交试验表，如表2所示。
取模态分析报告中前6阶固有频率绘制曲线，如图8所示。根据仿真结果可以得到，在车身前舱盖模态数值模拟仿真分析中，考虑胶层的模型得到的结果要低于不考虑胶层的结果，表明胶层的存在会影响车身前舱盖的模态，从而影响其静动态特性。根据正交试验表的极差法分析，得到胶层三个因素中，影响车身前舱盖固有频率最大的是胶层厚度，其次是胶层弹性模量，影响最小的是胶层密度。
表1胶层材料参数表
表2正交试验表
基于车身前舱盖缩比模型的模态试验验证。根据车身前舱盖缩比模型尺寸，选取对应材料加工出前舱盖的外板和内板，以不涂覆结构胶和在内外板连接处涂覆结构胶并烘烤固化为对比试验，在两组试验模型的相同位置布置激振点和传感器，模态试验示意图如图9所示。根据试验结果，对比分析验证仿真结论。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
1.一种计入胶层的异质车身门盖件模态数值模拟及优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：通过建立含胶层车身门盖件三维装配模型以表示内外板间的结构胶胶层实体；
步骤2：基于含胶层车身门盖件三维装配模型，将模型网格设置成不同区域，进一步建立胶层与内外板接触模型；
步骤3：根据不同的影响因素设计正交试验，通过模态数值仿真确定优化方案，得到优化结果；
步骤4：通过模态试验法验证优化方案的可行性，得到试验结果并与优化结果对比得到最终结果。
2.根据权利要求1所述的一种计入胶层的异质车身门盖件模态数值模拟及优化方法，其特征在于，所述的步骤1中的内外板间的结构胶胶层实体包括：在三维建模软件中，利用三维实体特征生成命令，生成包含胶层厚度及曲率的实体特征，并利用三维装配关系，确定胶层与车身门盖件内外板的相对位置关系。
3.根据权利要求1所述的一种计入胶层的异质车身门盖件模态数值模拟及优化方法，其特征在于，所述的步骤2中的模型网格包括：在仿真前处理软件中，通过设置全局尺寸与局部尺寸、网格单元类型为四边形，针对结构外板、内板及胶层实体特征生成的壳单元网格。
4.根据权利要求1所述的一种计入胶层的异质车身门盖件模态数值模拟及优化方法，其特征在于，所述的步骤2中的胶层与内外板接触模型包括：在仿真计算软件中，约束车身门盖件各部件接触关系，以此来保证各个部件自身结点自由度不产生冲突且各对应的结点对位移一致的abaquscae仿真软件中的tie约束模型。
5.根据权利要求1所述的一种计入胶层的异质车身门盖件模态数值模拟及优化方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括：以胶层密度、弹性模量和厚度为影响因素设计正交试验，通过模态数值仿真确定优化方案，得到优化结果。
6.根据权利要求1所述的一种计入胶层的异质车身门盖件模态数值模拟及优化方法，其特征在于，所述的步骤4具体包括：利用锤击法模态试验装置，以缩比车身前舱盖模型为具体实施例，验证正交试验优化方案，得到试验结果并与优化结果对比得到最终结果。
技术总结