某輕客白車身剛度靈敏度分析與優(yōu)化

馮蘭芳，王宏曉，惠延波，夏兆義

（河南工業(yè)大學 先進制造研究所，鄭州 450007）

0 引言

隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)量的不斷攀升，競爭加劇，能源的日益短缺，環(huán)境的日益惡化，油價不斷上漲，這就促使汽車企業(yè)需要在不斷提高車輛性能的同時，進一步降低油耗及成本，輕量化設計已成為汽車業(yè)關(guān)注的焦點。車身作為占整車質(zhì)量比例較大的結(jié)構(gòu)，往往是輕量化設計的重點對象。而車身作為一個關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)，必須有足夠的剛度來保證其裝配和使用要求。車身剛度不合理，將直接影響轎車的可靠性、安全性、NVH性能等關(guān)鍵性指標。所以基于白車身的剛度的輕量化研究就比較重要和實用[1～3]。

白車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析是整車開發(fā)設計過程中必不可少的環(huán)節(jié)。本文以某汽車公司正在研發(fā)的某款輕型客車的白車身為研究對象，基于該公司產(chǎn)品設計部門提供的整車CAD模型，在Hypermesh中對其進行有限元建模，運用大型有限元求解器Nastran中對其進行彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度求解。在剛度求解的基礎上，以白車身關(guān)鍵鈑金件厚度為設計變量，以剛度為約束，以白車身鈑金件的總質(zhì)量最小為目標函數(shù)，在Nastran200中進行靈敏度優(yōu)化分析。最后使該輕客白車身在達到剛度目標值情況下質(zhì)量最小。

1 有限元模型的建立

由于整車是由一系列薄壁件構(gòu)成的組合件，在hypermesh的nastran模板下采用Quad4板橋單元對白車身進行單元離散，為保證仿真精度單元的平均尺寸設置為10mm，輔以少量的三角形單元以滿足高質(zhì)量網(wǎng)格的過度需要，但三角形單元要控制在6%以內(nèi)。該車的連接方式主要是螺栓連接和焊接。螺栓連接采用與螺栓直徑相同的Bar單元模擬，點焊采用Cweld單元模擬，二氧化碳保護焊采用Rbe3單元模擬[4]。規(guī)定整車的縱向向后為Y軸正方向，整車橫向向右為X軸正方向，整車向上方向為Z軸正方向。搭建好的該車有限元模型如圖1所示。

該車白車身總成由各種不同材料不同厚度的鈑金構(gòu)成，本次設計主要選用由寶鋼生產(chǎn)的DC01，DC03，DC06等材料，這些材料都具有較好的塑性，具體參數(shù)見表1。建立好的白車身重量為420kg，本次設計要求白車身的質(zhì)量限制在430kg以內(nèi)，在滿足剛度要求的前提下，白車身質(zhì)量越低越好。

圖1 橫向穩(wěn)定桿CAD模型

表1 材料參數(shù)

2 白車身彎曲剛度分析

2.1 彎曲剛度邊界條件

約束：約束左端前螺旋彈簧支撐處的13（UX、UY、UZ、FX、FY、FZ分別對應123456）自由度，右端的3自由度，縱梁緩沖座中心部位左端123自由度，右端23自由度。

載荷：找到上述前后約束位置的中間地板處，在兩邊分別做一個MPC，對其施加1000N的集中力，方向Z想向下。

位移測量點：由加載點做XZ平面與左右縱梁底面相交，其形成的交線與左右縱梁的交點為測量點[5]。

圖2 彎曲工況邊界條件

2.2 彎曲剛度計算結(jié)果

白車身彎曲剛度的計算結(jié)果：彎曲剛度模型測量點位移分別為0.2948mm和0.3007mm相加求平均值為Z=0.29775mm。轎車白車身整體的彎曲剛度D可用車身載荷F與測量點位移Z的比值來衡量，此時彎曲剛度計算式為：

計算得白車身的彎曲剛度6717N/mm，略小于該車白車身彎曲剛度的目標值6800N/mm，需做進一步優(yōu)化。

圖3 彎曲工況位移云圖

3 白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析

3.1 扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件

約束：約束縱梁緩沖座中心部位右端23自由度，左端123自由度，前梁中心3自由度。

載荷：前懸掛左右螺旋彈簧支撐處做1個MPC， Uzright+Uzleft=0；

加載：前懸左前懸掛彈簧支座安裝點處施加一大小為T=2000Nm的力矩，左右安裝點距離為1010mm，等效為沿Z軸向上大小為3960N的力。

位移測量點：由加載點做XZ平面與左右縱梁底面相交，其形成的交線與左右縱梁的交點為測量點[5]。

圖4 扭轉(zhuǎn)工況邊界條件

3.2 扭轉(zhuǎn)剛度計算結(jié)果

圖5 扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果云圖

白車身扭轉(zhuǎn)剛度模型測量點的位移分別為1.53mm和-1.58mm。兩測量點間的距離為8 0 8 m m，根據(jù)上述數(shù)據(jù)求出扭轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)剛度的計算

帶入數(shù)據(jù)計算得白車身的扭轉(zhuǎn)剛度為524761.38KNmm/rad，略小于該車扭轉(zhuǎn)剛度目標值550000-600000Nmm/rad。

4 靈敏度分析及優(yōu)化

分別建立彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度分析模型。以白車身各個鈑金件厚度位設計變量，設計關(guān)心部件的尺寸厚度0.5d≦D≦1.5d（d為原部件的厚度，D為優(yōu)化后部件的厚度）；以白車身鈑金件的總質(zhì)量最小為目標函數(shù)；以剛度為約束，進行靈敏度分析[6]。由于直接的剛度無法在軟件中體現(xiàn)，白車身剛度對鈑金件厚度的靈敏度可以等價為測量點Z向的節(jié)點位移的變化量對鈑金件的靈敏度，因此在模型定義時，將剛度轉(zhuǎn)化成位移。計算出的靈敏度結(jié)果指的是該零件每增加1kg質(zhì)量所增加的剛度，計算結(jié)果如表3、4所示。

5 結(jié)果分析

對靈敏度影響比較高的零部件厚度進行調(diào)

表3 彎曲剛度靈敏度分析

表4 扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析

表5 剛度優(yōu)化結(jié)果對比

整后，對修改后的模型重新進行計算其中彎曲剛度由優(yōu)化前的6717N/mm增加至6844N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度由優(yōu)化前的524761 KNmm/rad增加至554617KNmm/rad，均達到目標值要求。而白車身的總質(zhì)量由優(yōu)化前的418kg增加到420kg，只增加了2kg就達到了剛度設計要求，且在質(zhì)量要求范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

1) 通過有限元虛擬仿真分析的結(jié)果可知，本文所分析的白車身在車身質(zhì)量滿足設計要求的同時，剛度也達到了企業(yè)設計目標值。

2) 通過有限元虛擬仿真分析大大縮短了產(chǎn)品設計開發(fā)周期，節(jié)約了設計成本。

3) 建立了一套白車身剛度靈敏度分析優(yōu)化方法，為其他車型的剛度靈敏度優(yōu)化分析提供了參考。

[1] 黃宗斌,李江柳,等.微型客車車身剛度的提升措施[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2008,35(5):34－35.

[2] 靳曉雄,單莘,等.轎車白車身靜剛度試驗中若干問題的探討[J].機械設計與研究2009,25(4):92-95.

[3] 馬迅,趙幼平.輕型客車車身結(jié)構(gòu)剛度與模態(tài)的有限元分析[J].機械科學與技術(shù),2002,21(1):86－88.

[4] 曹萍,王衛(wèi)英.基于慣性釋放的微型客車車身強度分析[J].機械設計,2011,49(7):46-49.

[5] 桂良進,范子杰,等.長安之星微型客車白車身剛度研究[J].機械工程學報,2004,40(9):195-198.

[6] 胡志遠,浦耿強,高云凱.輕型客車車身剛度靈敏度分析及優(yōu)化[J].機械強度,2003,25 (1):67-70.