基于統(tǒng)計(jì)分析的白車身剛度關(guān)鍵參數(shù)研究與應(yīng)用

陳海潮，周文超，徐中皓，高 猛

(中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011)

2016201

基于統(tǒng)計(jì)分析的白車身剛度關(guān)鍵參數(shù)研究與應(yīng)用

陳海潮，周文超，徐中皓，高 猛

(中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011)

基于大量的白車身剛度測(cè)試數(shù)據(jù)，建立白車身剛度參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，研究數(shù)據(jù)庫(kù)中剛度參數(shù)之間及其與其它參數(shù)的相互關(guān)系，提出根據(jù)車身基本尺寸(包括長(zhǎng)、寬、高、軸距和輪距)和預(yù)設(shè)的車身輕量化系數(shù)，確定白車身剛度關(guān)鍵參數(shù)(包括彎、扭剛度和1階彎、扭模態(tài)頻率)的方法。通過(guò)該方法在國(guó)內(nèi)某款白車身剛度關(guān)鍵參數(shù)定義中的應(yīng)用，驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。

白車身；剛度參數(shù)；輕量化系數(shù)；數(shù)據(jù)庫(kù)；統(tǒng)計(jì)分析

前言

白車身剛度主要分靜剛度和動(dòng)剛度，靜剛度包含整體彎扭剛度、局部剛度和固定點(diǎn)剛度，動(dòng)剛度包含車身低階模態(tài)和關(guān)鍵點(diǎn)動(dòng)剛度。白車身靜態(tài)整體彎扭剛度和低階整體模態(tài)是表征白車身耐久性和NVH性能的關(guān)鍵參數(shù)，是新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須嚴(yán)格把控的性能指標(biāo)。

目前，國(guó)內(nèi)外汽車企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)白車身剛度目標(biāo)值的定義方法進(jìn)行了一系列的研究，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中采用修正對(duì)標(biāo)車型的剛度作為新開(kāi)發(fā)車型的剛度目標(biāo)值，文獻(xiàn)[3]中采用國(guó)外同類車型的剛度值作為新開(kāi)發(fā)車型的剛度目標(biāo)值，文獻(xiàn)[4]中從車身功能要求出發(fā)設(shè)計(jì)車身剛度目標(biāo)值，但這些研究皆未從車身尺寸出發(fā)進(jìn)行剛度目標(biāo)值的正向定義。

本文中基于大量的白車身剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)建立白車身剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，分析各剛度參數(shù)之間的關(guān)系，提出利用車身外觀尺寸，基于數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行白車身剛度關(guān)鍵參數(shù)的正向設(shè)計(jì)。

1 白車身剛度數(shù)據(jù)庫(kù)和剛度參數(shù)分布特征

1.1 白車身剛度數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介

結(jié)合國(guó)內(nèi)100余款、國(guó)外80余款乘用車的白車身剛度參數(shù)形成乘用車車身剛度參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。該庫(kù)涵蓋的車型類別包括普通轎車、SUV和MPV等；每一類車又包括不同級(jí)別(A0級(jí)、A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)和D級(jí)等)，每個(gè)類型的每一級(jí)別不少于20款車型。記錄影響白車身剛度的尺寸參數(shù)(總長(zhǎng)、總高、總寬、軸距、輪距)和剛度參數(shù)(靜態(tài)彎扭剛度、低階整體模態(tài)參數(shù)、質(zhì)量、輕量化系數(shù))等。作為舉例，表1示出數(shù)據(jù)庫(kù)中若干車型的數(shù)據(jù)。

表1 白車身剛度數(shù)據(jù)庫(kù)

1.2 白車身剛度關(guān)鍵參數(shù)分布特征

對(duì)建立的白車身剛度參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行歸納總結(jié)，可以得出各參數(shù)分布特征[5]，如圖1～圖3所示。

圖1 扭轉(zhuǎn)剛度隨車型級(jí)別分布圖

圖2 1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率隨車型級(jí)別分布圖

注：D級(jí)車白車身質(zhì)量通常包括車架的質(zhì)量 圖3 白車身質(zhì)量隨車型分布圖

圖1為乘用車各級(jí)別車型的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度中位數(shù)趨勢(shì)。可以看出，無(wú)論哪一類型的乘用車，隨車型級(jí)別的提高，靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度值也在變大。圖2為乘用車各級(jí)別車型的1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率中位數(shù)趨勢(shì)。圖3為乘用車各級(jí)別車型的白車身質(zhì)量中位數(shù)趨勢(shì)?？梢钥闯?，隨車型級(jí)別的提高，白車身質(zhì)量逐漸提高。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)中各剛度參數(shù)之間的關(guān)系研究

2.1 白車身質(zhì)量與其最小裝箱表面積的關(guān)系

最初，擬從車型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，總結(jié)出白車身質(zhì)量與車身準(zhǔn)表面積的相關(guān)性。車身準(zhǔn)表面積定義為車身在車身坐標(biāo)系的XOY、XOZ和YOZ平面上投影面積的總和。但因?qū)嶋H數(shù)據(jù)的缺乏，權(quán)且以上述投影所占據(jù)的矩形面積來(lái)代替。故若設(shè)白車身的長(zhǎng)、寬、高分別為l，h和w，則該面積總和等于l·h+h·w+w·l。這就相當(dāng)于白車身最小裝箱總表面積的一半。因此，初始思路就演變?yōu)樘剿靼总嚿碣|(zhì)量與其最小裝箱表面積之間的相關(guān)性。而統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果給出了肯定的答案。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，A級(jí)乘用車白車身質(zhì)量與其最小裝箱表面積的關(guān)系如圖4所示。利用該圖可很容易根據(jù)白車身外觀尺寸估計(jì)出白車身的質(zhì)量。

圖4 A級(jí)乘用車白車身質(zhì)量與其最小裝箱表面積之間的關(guān)系

2.2 白車身輕量化系數(shù)與腳印面積的關(guān)系

腳印面積A定義為白車身4輪間的面積在車身坐標(biāo)系的XOY平面上的投影，準(zhǔn)確地說(shuō)，即4個(gè)車輪中心在水平面上投影點(diǎn)圍成的梯形面積，如圖5所示。

圖5 腳印面積

白車身輕量化系數(shù)是表征白車身輕量化程度的重要參數(shù)，定義為

(1)

(2)

式中：L為白車身輕量化系數(shù);Mb為白車身質(zhì)量，kg；Kθ為白車身的扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/(°)；Bw為軸距，m2；Twf和Twr分別為前、后軸的輪矩，m。

圖6 等輕量化系數(shù)曲線圖

L值越高，表明該白車身輕量化程度越差，反之亦然[6]。將上式繪制成等輕量化系數(shù)曲線圖，如圖6所示。借助該圖，不僅可以根據(jù)白車身的質(zhì)量、輕量化系數(shù)和腳印面積快速計(jì)算出白車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，而且可以觀察對(duì)標(biāo)車型與開(kāi)發(fā)車型的差異，有助于判斷對(duì)標(biāo)車型的選取、設(shè)計(jì)車型的定位是否合理。

2.3 輕量化系數(shù)與1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率之間的關(guān)系

不同的車型，輕量化系數(shù)不同，但同一類型中同一級(jí)別的車型，其輕量化系數(shù)與1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率之間存在一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。A級(jí)SUV車型的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖可見(jiàn)，隨著輕量化系數(shù)的逐漸增大，1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率逐漸降低，且其反線性關(guān)系比較明顯。利用該規(guī)律可通過(guò)插值估算相同類型和級(jí)別車型的白車身1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。

圖7 輕量化系數(shù)與1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率關(guān)系圖

2.4 其它參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

同理，基于統(tǒng)計(jì)分析可找出同類同級(jí)車型靜態(tài)彎曲剛度與Mb/A和1階整體彎曲模態(tài)頻率之間的關(guān)系，如圖8和圖9所示。

圖8 彎曲剛度與Mb/A關(guān)系圖

圖9 1階整體彎曲模態(tài)與彎曲剛度關(guān)系圖

總之，利用輕量化系數(shù)可將腳印面積(軸距、輪距)、白車身質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)剛度等有機(jī)地關(guān)聯(lián)在一起，在車型開(kāi)發(fā)初期即可不依賴于剛度數(shù)據(jù)庫(kù)，而根據(jù)上述有關(guān)參數(shù)的關(guān)系，直接設(shè)定白車身剛度的目標(biāo)值?，F(xiàn)歸納出白車身剛度參數(shù)設(shè)定流程，如圖10所示。

圖10 白車身剛度參數(shù)設(shè)定流程圖

3 利用剛度數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行某款白車身剛度參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和車身外形尺寸，可以在項(xiàng)目立項(xiàng)初期就確定白車身剛度值，具體步驟如下。

以某A級(jí)SUV為例，根據(jù)白車身的總長(zhǎng)、總寬、總高計(jì)算得到其最小裝箱表面積；再由圖4估算出白車身的質(zhì)量Mb=300kg，另由軸距、輪距計(jì)算得腳印面積A=3.73m2；接著算得Mb/A=80.43kg/m2。

根據(jù)車型的要求，選取輕量化系數(shù)L=5，據(jù)此，一方面由圖6中插值得出白車身扭轉(zhuǎn)剛度為16kN·m·(°)-1；另一方面由圖7估算出1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為37Hz。

再根據(jù)Mb/A=80.43kg/m2，由圖8查得彎曲剛度為19kN/mm；接著再由圖9估算出1階彎曲模態(tài)頻率為53Hz。

據(jù)此，可得出白車身剛度目標(biāo)值，如表2所示。

在確定白車身初步目標(biāo)值后，根據(jù)市場(chǎng)定價(jià)、競(jìng)爭(zhēng)車型等影響參數(shù)對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行相應(yīng)的修正[5]，確定最終目標(biāo)值。

表2 白車身剛度目標(biāo)值

該車型經(jīng)過(guò)多輪CAE分析及優(yōu)化，最終定型。CAE分析云圖如圖11和圖12所示。

圖11 CAE模態(tài)分析結(jié)果云圖

圖12 CAE扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果Z向位移云圖

對(duì)定型后產(chǎn)品進(jìn)行試制和試驗(yàn)，試驗(yàn)見(jiàn)圖13和圖14，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

圖13 白車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)

圖14 白車身模態(tài)試驗(yàn)

性能指標(biāo)最終目標(biāo)值實(shí)測(cè)值質(zhì)量/kg300±5301扭轉(zhuǎn)剛度/(kN·m·(°)-1)16±0.516.845彎曲剛度/(kN·mm-1)19±0.521.2771階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率/Hz37±2361階彎曲模態(tài)頻率/Hz53±253輕量化系數(shù)54.9

白車身剛度試驗(yàn)完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)其余臺(tái)架試驗(yàn)要求后，經(jīng)過(guò)裝車和道路試驗(yàn)，并未出現(xiàn)因車身剛度不足而引起失效；車身輕量化系數(shù)接近于5，在同類車型中處于領(lǐng)先地位。以上說(shuō)明整體剛度目標(biāo)值的定義比較合理。

4 結(jié)論

基于白車身剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、分析和總結(jié)，挖掘出白車身剛度參數(shù)的分布規(guī)律，通過(guò)研究剛度參數(shù)之間的相互關(guān)系，提出利用車身外觀尺寸設(shè)計(jì)白車身剛度參數(shù)的方法。通過(guò)實(shí)例，驗(yàn)證了該方法不僅可以在新車型開(kāi)發(fā)初期正向設(shè)計(jì)白車身剛度目標(biāo)值，為CAE分析和優(yōu)化提供目標(biāo)；且可判斷對(duì)標(biāo)車型的選取是否合理，避免選型失敗導(dǎo)致項(xiàng)目延誤。

[1] 于翠,程海波.關(guān)于制定新型海獅(加寬)白車身剛度目標(biāo)值的分析[C].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì),北京，2008.

[2] 桂良進(jìn),范子杰,周長(zhǎng)路.“長(zhǎng)安之心”微型客車白車身剛度研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,40(9)：195-198.

[3] 趙?；?余海東,郭永進(jìn).影響轎車白車身扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2007,24(8)：66-68.

[4] Bruno Lüdke, Markus Pfestorf.Functional design of a “l(fā)ightweight body in white”-how to determine body in white materials according to structural requirements[C]. 美國(guó)TMS 2006年會(huì),圣地亞哥,2006.

[5] 周文超, 陳海潮, 王興東,等. 白車身剛度數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)分析[C].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì),上海，2015.

[6] 張萬(wàn)才,姜葉潔,李文月.基于單位質(zhì)量剛度的白車身輕量化研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,28(4):41-47.

Research and Application of Key Stiffness Parameters of Body-in-white Based on Statistical Analysis

Chen Haichao, Zhou Wenchao, Xu Zhonghao & Gao Meng

R&DCenter,ChinaFAWCo.,Ltd.,Changchun130011

A stiffness parameter database of body-in-white (BIW) is established based on a large number of measured data. By studying the correlation between stiffness parameters and that between stiffness parameters and other parameters in database through statistical analysis, a method of defining key stiffness parameters, including bending and torsional stiffness and first order bending and torsional modal frequencies based on the basic dimension of vehicle body, covering length, width, height, wheel base and track, and presetting lightweight coefficient. Finally the method is applied to defining the key stiffness parameters of a passenger car BIW, verifying the effectiveness and practicality of the method proposed.

BIW; stiffness parameters; light weight coefficient; database; statistical analysis

原稿收到日期為2016年7月4日，修改稿收到日期為2016年8月9日。