Yaris车型前纵梁断面设计与求解
1 断面形状设计
1.1 与第三方软件交互功能
CarFrame软件可以与Altair HyperBeam / Geometry交互，可导入与导出.igs、.csv、.fem以及.k格式的文件。
获取断面形状的途径包括：
（1）在Hypermesh中，导入车身结构的有限元模型，通过Geometry-Elements-Intersect功能截取梁的断面形状，生成HyperBeam数据，导出csv文件；
（2）在Hypermesh中，将车身结构的CATIA文件导入，通过Geometry-Lines-Intersect功能截取梁的断面形状，导出igs文件或生成HyperBeam数据，导出csv、fem或LS-DYNA文件；
（3）在CATIA中，工程师设计的断面形状，导出igs文件；
（4）在CATIA中，打开车身结构的几何文件，通过机械设计-线框和曲面设计-相交功能截取梁的断面形状，导出igs文件；
目前获取断面形状熟练的方法是第（1）种方法，生成csv、fem或k文件然后导入至SuperSection或CarFrame软件中（SuperSection是CarFrame软件的子模块）。
由于实际的断面形状主要是由直线、圆弧或Nurbes曲线构成，形状复杂以及设计变量较多，不适合进行优化分析，因为需要将此断面形状简化。通过一些关键点表示断面形状，需要进行的操作包括：同一直线的线段合并、倒圆角变成直角以及圆弧用两段或三段线段表示，断面形状的处理流程，如图1所示。
图1 断面形状的处理流程
1.2 前纵梁断面处理
本案例断面形状来自于丰田Yaris模型的前纵梁。
（1）将Yaris的fem文件导入Hypermesh中，通过1.1节的第（1）功能截取前纵梁某个位置的断面形状，如图2所示，创建HyperBeam文件，如图3所示，并导出断面形状csv格式数据；
图2 前纵梁断面形状位置
图3 HyperBeam断面形状
（2）打开Super Section软件，通过菜单栏→File →Import→HyperBeam File(.csv)或在工具栏中点击→HyperBeam File(.csv)导入“\软件帮助手册SuperSection File”文件夹的Yaris_qzl.csv文件，如图4所示。
图4 处理前的断面形状
（3）删除倒圆角以及圆弧处的部分Segment，通过菜单栏→Model→Organize Segments，打开Organize Segments窗体，如图5所示，点击Delete进入删除Segment界面，通过矩形框选择需要删除的Segment，点击Ok完成选择Segment的删除，删除部分Segment之后的形状，如图6所示；
图5 MoveOr Delete Segment窗体
图6 删除选择Segment后的图形
（4）创建直角操作，通过菜单栏→Model→Segment Cross，打开Segment Cross窗体，如图7所示，依次选择需要延伸的两个Segment（勾选Delete Isolated Node复选框），点击Create完成之间直角的创建，重复操作完成所有直角的创建，如图8所示；
图7 线段延伸线相交窗体
图8 完成直角创建后的图形
（5）合并同一直线的Segment操作，通过菜单栏→Model→Deletes Nodes打开Deletes Nodes窗体，屏幕矩形框选择同一直线的节点坐标，点击OK完成节点的合并，如图9所示；
图9 完成部分Segment合并后的图形
（6）创建Spot类型的Sheet连接薄板，打开Sheet窗体，勾选Weld，点击Create完成Sheet的创建，通过Break功能将左右两侧的Segment打断，屏幕点击两点完成第一个焊点的创建，重复此步骤完成另一个焊点的创建（左右两侧的焊点放在两个Sheet中），如图10所示；
图10 完成焊点的创建图形
（7）重新为薄板赋厚度值，导入有些断面时，薄板厚度没有设置或设置错误，需要重新设置，打开Sheet窗体，依次选择每一个Sheet的厚度值，如果错误设置新的厚度值，点击Modify进行修改；
（8）为薄板重新赋值材料，倒入断面后薄板的材料名称默认为mat1（Q235钢），当求解断面的动态特性以及动态特性优化时需要重新赋值材料，首先创建应力-应变曲线，然后创建材料，最后将此材料赋值于Sheet。
（9）Node和Segment编号连续，通过菜单栏→View→Renumber Node使得节点编号连续，通过菜单栏→View→Renumber Segment使得Segment编号连续，修改后最终的断面形状。
2 断面形状特性求解
打开Super Section软件，通过菜单栏→File→Import→Super Section File或在工具栏中点击
→Super Section File导入第一章创建的断面形状文件。
2.1 几何特性求解
（1）通过菜单栏→Analysis→ SectionalSolution或工具栏→
→Solution打开Sectional Solution窗体，如图11所示；
图11 SectionalSolution窗体
（2）由于设计中心偏离实际的几何中心较远，第一步调整模型的设计中心位置，点击Adjust可以调整模型的坐标轴与坐标中心与惯性轴以及几何中心重合，如图12所示。
图12 调整后的断面形状
（3）在StaticProperties界面进行静态特性求解，在Type下拉菜单选择Static Results，点击
完成断面静态特性求解，求解结果如图13所示，在Type下拉菜单选择Stamping Results，点击完成断面静态特性求解，冲压求解结果，如图14(b)所示，点击Save可以将求解结果保存至text文本文件中。
（4）点击Show查看图形违反约束的位置。
图13 静态特性求解图
图14(a) 冲压工艺要求
图14(b) 冲压工艺参数求解
2.2 塑性铰特性求解
（1）设置工况，通过菜单栏→Model →DynamicCondition，弹出窗体，设置动态工况的各项参数，如图15所示，点击
完成动态工况设置；
图15 Dynamic Condition各参数
（2）通过菜单栏→Analysis →SectionalSolution或工具栏→→Solution打开Sectional Solution窗体，如图11所示，在Dynamic Properties界面进行动态特性求解；
（3）设置导出动态特性求解结果路径（默认即可），勾选Solve和Import复选框，点击Export进行求解（勾选Solve复选框调用LS-DYNA进行求解，勾选Import复选框将求解结果进行分析并生成塑性铰特性，如果都不勾选则，则仅仅导出批处理K文件）；
（4）计算完成后，选择SolutionType下拉菜单的求解类型，点击
调用LS-PREPOST显示薄壁梁动态变形图，薄壁梁的主要变形包括：轴向压溃变形（Force-DisplacementX）、轴向扭转变形（Moment-RotationX）以及弯曲变形（Moment-RotationY和Moment-RotationZ）。
（5）选择曲线类型（CurveType）下拉菜单的曲线类型（首先必须选择Solution Type），点击
显示相应的曲线，点击
，将曲线数据txt文件输出，点击
，将曲线TIFF图片文件导出，软件还可查看其它特性曲线包括：Energy-Time、Force-Time (Moment-Time)、Displacement-Time (Angle-Time)、Energy-Displacement (Energy-Angle)和Force-Displacement(Moment-Angle)。通过选择Solution Type为Force-DisplacementX以及Curve Type类型为Force-Displacement可以查看轴向压溃特性曲线，如图16所示；通过选择SolutionType为Moment-RotationX以及Curve Type类型为Moment-Angle可以查看轴向扭转特性曲线，如图17所示；通过选择SolutionType为Moment-RotationY以及Curve Type类型为Moment-Angle可以查看Y方向弯曲特性曲线，如图18所示；通过选择Solution Type为Moment-RotationZ以及Curve Type类型为Moment-Angle可以查看Z方向特性曲线，如图19所示。
图16 轴向压溃特性曲线
图17 轴向扭转特性曲线
图18 Y方向特性曲线
图19 Z方向特性曲线
汽车正向设计与轻量化团队
左文杰
zuowenjie@jlu.edu.cn
吉林省长春市人民大街5988号
吉林大学机械学院力学系
