基于HyperWorks的某商務(wù)車白車身剛度分析

郭 微,邱小勇

(1安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系,安徽 合肥 231603;2天津新巨升電子工業(yè)有限責(zé)任公司,天津 300384)

所謂“白車身”就是由各種各樣的骨架件和鈑金件通過焊接拼裝而成的汽車車身.商務(wù)車的白車身剛度分析是整車開發(fā)設(shè)計(jì)過程中必不可少的環(huán)節(jié),對(duì)于改進(jìn)車身結(jié)構(gòu),改善車輛強(qiáng)度、剛度狀況,提高車輛舒適性和可靠性均具有很重要的實(shí)際意義.利用先進(jìn)的有限元軟件對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算,指導(dǎo)生產(chǎn)開發(fā),對(duì)于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品開發(fā)成本能起到一定的作用,并可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化從而提高車身的碰撞安全性.

1 白車身的剛度特性

剛度是汽車車身設(shè)計(jì)的重要指標(biāo).白車身剛度分布設(shè)計(jì)是否合理,會(huì)直接或間接地影響整車的性能,車身的靜剛度一般包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度.

1.1 彎曲剛度

車身整體的彎曲剛度[1,2]由車身底架的最大垂直撓度以及底板在車身長(zhǎng)度方向上的垂直撓度變化曲線(應(yīng)連續(xù)無(wú)明顯突變)等指標(biāo)來評(píng)價(jià).此時(shí)的彎曲剛度

1.2 扭轉(zhuǎn)剛度

車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度(GJ)為單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力[1,2],即

式中:L為軸距,T為扭矩,θ為軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角.車身扭轉(zhuǎn)角θ與梁的撓度之間的關(guān)系為

式中:U1為左側(cè)縱梁的撓度,U2為右側(cè)縱梁的撓度,B為底架寬.

2 白車身剛度的有限元分析

采用Altair公司的 HyperWorks軟件對(duì)白車身的剛度(彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度)進(jìn)行了模擬分析,并與目標(biāo)值進(jìn)行比較.

2.1 主要步驟

圖1所示為利用Hyperworks系列軟件進(jìn)行商務(wù)車白車身靜剛度有限元分析的主要步驟[3],前處理(點(diǎn)畫線框中的內(nèi)容)在HyperMesh中完成;求解利用Hyperworks自帶的求解器 Radioss進(jìn)行,后處理使用HyperView.

圖1 利用Hyperworks進(jìn)行有限元分析的主要步驟

2.2 有限元分析計(jì)算

在保證充分反映實(shí)際結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下對(duì)車身部件做了必要簡(jiǎn)化,本文建立的有限元模型包括388000個(gè)單元、392000個(gè)節(jié)點(diǎn)、12200個(gè)焊點(diǎn).

1)建立計(jì)算模型 車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度的計(jì)算模型分別如圖2、圖3所示,在扭轉(zhuǎn)剛度模型中約束后懸架彈簧上支點(diǎn)123456方向的自由度及前軸中點(diǎn)12356方向的自由度,在前懸懸架彈簧上支點(diǎn)施加一對(duì)方向相反、大小為11795 N的作用力;在彎曲剛度模型中邊界條件的處理是分別約束后懸架彈簧上支點(diǎn)及前軸中點(diǎn)的123456方向的自由度,并且在車身地板中部施加共9810 N的力.

2)有限元分析計(jì)算 建立起計(jì)算模型后,設(shè)置了適當(dāng)?shù)挠?jì)算參數(shù)后就可以提交計(jì)算了,計(jì)算結(jié)果在HyperView中查看.圖4給出了彎曲剛度的計(jì)算結(jié)果和位移云圖.圖5為左右縱梁均勻布置的測(cè)點(diǎn)位置(共26個(gè),一邊13個(gè),由于左右對(duì)稱,圖中只給出左梁).

根據(jù)上述13個(gè)測(cè)點(diǎn)的Z向位移以及它們的Z向平均位移的測(cè)量數(shù)據(jù)繪出圖6所示測(cè)點(diǎn)曲線,由測(cè)點(diǎn)曲線可以明顯看出底板(即縱梁)在車身長(zhǎng)度方向上的垂直撓度(Z向位移)變化曲線連續(xù)無(wú)明顯突變,并且在底板中部也即施加載荷處垂直撓度最大,最大垂直變形為-0.7524 mm.

圖6 測(cè)點(diǎn)曲線

圖7給出了扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算結(jié)果和位移云圖;表1所示為在圖8所示的縱梁前后懸上位置選取的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的z向位移.

表1 4個(gè)測(cè)點(diǎn)的z向位移

3)結(jié)果分析并與目標(biāo)值比較 因?yàn)樵趶澢r下縱梁的最大垂直變形為-0.7524 mm,則相對(duì)彎曲剛度可以由公式(1)得

國(guó)際一般使用設(shè)計(jì)參考值為12200 N/mm,因此本商務(wù)車的彎曲剛度合格,滿足設(shè)計(jì)要求.

由表1中數(shù)據(jù)計(jì)算出最大撓度差 (即z向位移差),聯(lián)合本商務(wù)車的軸距,將它們帶入到公式(3)中,可得出扭轉(zhuǎn)角度θ為0.01345 rad;再根據(jù)施加的載荷及本商務(wù)車的軸距可以得出最大扭轉(zhuǎn)載荷為10373.7 Nm,則由公式(2)得到本商務(wù)車扭轉(zhuǎn)剛度

國(guó)際上設(shè)計(jì)參考值為12500 Nm/deg,由此看出,本商務(wù)車的扭轉(zhuǎn)剛度也滿足設(shè)計(jì)要求.從以上的計(jì)算結(jié)果來看,該車整體彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的數(shù)值均大于目標(biāo)值,并且其彎曲剛度曲線基本光滑無(wú)明顯突變,這說明該車的靜剛度符合設(shè)計(jì)要求.

3 白車身剛度試驗(yàn)分析

白車身剛度試驗(yàn)是指在試驗(yàn)室條件下模擬白車身在實(shí)際使用過程中的約束條件和載荷條件,采用相關(guān)的試驗(yàn)測(cè)量白車身各個(gè)特征部位的變形量,從而評(píng)價(jià)白車身的剛度性能.

為了與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,本文在車身扭/彎剛度專用試驗(yàn)臺(tái)架(圖9)上完成白車身的扭轉(zhuǎn)和彎曲兩種典型工況.

圖9 剛度試驗(yàn)臺(tái)和車身安裝圖

按試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理計(jì)算并將所得結(jié)果取整,得到最大扭矩作用下白車身軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度為:GJ=13129.32 Nm/deg,相應(yīng)的車身前后軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為 0.01302 rad;車身彎曲剛度為:EI=12417.5 N/mm(按縱梁最大變形計(jì)算).

將上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)與上節(jié)中的模擬結(jié)果進(jìn)行比較,數(shù)值計(jì)算得到白車身扭轉(zhuǎn)剛度與試驗(yàn)測(cè)得的扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)誤差為2.48%;數(shù)值計(jì)算得到白車身彎曲剛度與試驗(yàn)測(cè)得的彎曲剛度的相對(duì)誤差為5%;此外,無(wú)論是理論分析還是試驗(yàn)測(cè)得的扭轉(zhuǎn)剛度值均高于國(guó)外同類車型設(shè)計(jì)參考值12500 Nm/deg,而白車身彎曲剛度也均超過國(guó)外同類車型的一般設(shè)計(jì)參考值12200 N/mm,都符合設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié)論

本文通過有限元分析和對(duì)應(yīng)剛度試驗(yàn)兩種方式分析了某商務(wù)車白車身的靜態(tài)剛度性能,對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并加以比較分析,結(jié)果表明,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比誤差不大,都在設(shè)計(jì)參考值之內(nèi),理論值與試驗(yàn)值接近,說明所建有限元模型具有一定精度,白車身靜態(tài)抗扭剛度性能和彎曲剛度性能均較好,該商務(wù)車的靜剛度符合設(shè)計(jì)要求.

[1]段 偉,石 琴,張 雷,等.轎車白車身靜剛度分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,31(6):843-846.

[2]夏國(guó)林.轎車白車身靜剛度分析[J].汽車科技,2008(3):25-18.

[3]郭 微.基于數(shù)值模擬技術(shù)的某商務(wù)車整車碰撞性能研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)圖書館,2008.