車身前懸蓋板的準(zhǔn)靜態(tài)仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

廖小平 林德富 李達(dá) 程一明

【摘 要】文章研究了車身準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度分析的2種典型極限工況，并利用有限元方法對(duì)某MPV白車身進(jìn)行強(qiáng)度特性分析?；趯?shí)際整車結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)車身的開裂故障，對(duì)車身局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過后續(xù)的路試試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可靠性。通過研究，可以獲得汽車白車身整體的應(yīng)力分布情況，快速發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱位置，在設(shè)計(jì)前期即可對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而可以提高產(chǎn)品性能，縮短開發(fā)周期。文中的準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度分析方法同樣可以推廣到底盤、門蓋等相關(guān)結(jié)構(gòu)的分析中，具有較好的工程指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】典型工況；有限元；靜態(tài)分析；結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】U463.33 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）09-0035-04

0 前言

車身要承受來自發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)載、本身重量及路面的沖擊力等各方面的作用，受力情況非常復(fù)雜。車身一般由鈑金焊接組成，結(jié)構(gòu)特征較多，在車輛行駛過程中極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致零件發(fā)生開裂故障，從而影響整車的可靠性，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)保證車身零件有足夠的強(qiáng)度和使用壽命[1-2]。

汽車疲勞耐久性評(píng)定一般通過耐久試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，包括使用道路試驗(yàn)和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)[3]。整車結(jié)構(gòu)的耐久道路試驗(yàn)可以有效、客觀地驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否可靠，其費(fèi)用較低，但是驗(yàn)證周期較長(zhǎng)，尤其是對(duì)于路試故障的反復(fù)驗(yàn)證更是延長(zhǎng)了開發(fā)周期。路試試驗(yàn)只能驗(yàn)證零件是否達(dá)標(biāo)，卻不能定量地判斷車身的強(qiáng)度情況[4]，不利于車身的輕量化。此外，汽車制造業(yè)還會(huì)根據(jù)汽車的種類、用戶使用環(huán)境、不同的耐久性目標(biāo)等需要制定不同的道路試驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)范。室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)重復(fù)性高，可以驗(yàn)證子系統(tǒng)甚至整車的結(jié)構(gòu)耐久性，但其設(shè)備復(fù)雜、調(diào)校難度大，且設(shè)備十分昂貴。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元仿真技術(shù)已經(jīng)成為一種不可缺少的輔助設(shè)計(jì)分析工具。目前，在汽車車身設(shè)計(jì)中已經(jīng)大量使用了計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)，根據(jù)仿真分析結(jié)果，可以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、薄弱位置，通過優(yōu)化可以提高其可靠性。

本文主要針對(duì)車身單側(cè)過凸包和扭轉(zhuǎn)2種準(zhǔn)靜態(tài)工況進(jìn)行分析，從而得到白車身的整體應(yīng)力情況。結(jié)合實(shí)際道路開裂故障，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 準(zhǔn)靜態(tài)分析工況

1.1 準(zhǔn)靜態(tài)工況簡(jiǎn)介

汽車行駛過程中的載荷和工況非常復(fù)雜，就其載荷形式而言，汽車車身所受到的主要載荷有彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、側(cè)向載荷、縱向沖擊載荷等。

車身靜態(tài)工況主要包括彎曲、扭轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、加速等。一般情況下，扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力和變形都比彎曲、轉(zhuǎn)向等工況要大，因此本文選擇扭轉(zhuǎn)工況作為研究的工況之一。扭轉(zhuǎn)工況模擬的是汽車以滿載通過不平路面時(shí)，2個(gè)對(duì)角車輪離開地面，載荷主要由與路面接觸的2個(gè)車輪承受的情況。通過扭轉(zhuǎn)工況一般可以體現(xiàn)車身整體結(jié)構(gòu)的薄弱位置[5]。文中采用左前輪和右后輪接地的情況進(jìn)行分析。

單側(cè)過凸包是本文研究的另一種工況，模擬的是車身承受垂向沖擊載荷的工況，即懸架彈簧變形達(dá)到極限，限位塊開始與車架接觸起作用的情況。試驗(yàn)測(cè)試表明，對(duì)于處于沖擊工況下的車輛，沖擊載荷為靜態(tài)載荷的2.5～3.0倍[6]。本文研究左側(cè)車輪過凸包的工況。

工況載荷系數(shù)的選取主要參考文獻(xiàn)[7]至文獻(xiàn)[10]，數(shù)據(jù)見表1。

1.2 輪胎接地力計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)的滿載前后軸荷質(zhì)量及載荷工況系數(shù)即可計(jì)算得到各輪的接地力。

扭轉(zhuǎn)工況輪胎接地力計(jì)算：

Flfz=K1·Gf/2

Frfz=0

Flrz=0

Frrz=K1·Gr/2

單側(cè)過凸包工況輪胎接地力計(jì)算：

Flfz=K2l·Gf/2

Frfz=K2r·Gf/2

Flrz=K2l·Gr/2

Frrz=K2r·Gr/2

上式中，Gf（GR）為滿載前（后）軸荷；Flfz為左前輪接地點(diǎn)垂向力（下角標(biāo)中：第一個(gè)字母表示左、右輪，第二個(gè)字母表示前、后輪，第三個(gè)字母表示縱向、側(cè)向、垂向力）；K為載荷系數(shù)，即車輪在某方向所受載荷與滿載額定輪荷的比值。

研究車型典型工況接地力計(jì)算結(jié)果見表2。

1.3 多體模型的建立及硬點(diǎn)載荷的提取

計(jì)算得到該車在典型工況下的輪胎接地力，以此作為ADAMS懸架系統(tǒng)模型的輸入條件。根據(jù)前后、懸架三維數(shù)模及相關(guān)測(cè)試報(bào)告，測(cè)出車身各硬點(diǎn)坐標(biāo)、懸架零部件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、襯套剛度、彈簧剛度和減震器阻尼等特性參數(shù)，建立了懸架的ADAMS模型（如圖1所示）。

通過K&C仿真結(jié)果與實(shí)車K&C特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)，從而達(dá)到ADAMS懸架模型的準(zhǔn)確性。

以計(jì)算所得輪胎接地力作為輸入條件，對(duì)該車通過驗(yàn)證的前后懸架ADAMS模型進(jìn)行加載仿真，即可得到2種典型工況下底盤與車身相連的16個(gè)硬點(diǎn)處的載荷，作為車身準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度分析的邊界條件，具體載荷見表3、表4。

2 白車身準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果

在前處理軟件Hypermesh中完成車身的有限元模型，模型包括節(jié)點(diǎn)648 628個(gè)，單元625 26個(gè)，整車配重1.7 t（與實(shí)際設(shè)計(jì)滿載質(zhì)量一致）。計(jì)算軟件Nastran，通過慣性釋放法計(jì)算得到白車身的Mises應(yīng)力云圖（如圖2、圖3所示）。

通過查看分析結(jié)果，可以得到整個(gè)白車身的應(yīng)力分布情況。

3 整車耐久路試車身開裂故障描述

研究車型在北京通縣試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行整車結(jié)構(gòu)耐久路試試驗(yàn)，日常檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，前懸蓋板筋條位置鈑金開裂，裂紋長(zhǎng)約30 mm，樣車試驗(yàn)里程為247 08 km，環(huán)路為191 66 km。整車結(jié)構(gòu)耐久路試故障圖如圖4所示。

前懸蓋板是與前懸減震器直接連接的車身零件，主要承受沖z向的沖擊載荷，其可靠性直接關(guān)系到整車的可使用性與安全性，為車身重點(diǎn)考察零件。為了解決此次開裂故障，我們需要對(duì)蓋板局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提高結(jié)構(gòu)的可靠性。本文將利用準(zhǔn)靜態(tài)工況的有限元法對(duì)優(yōu)化前后的2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

4 開裂零件應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蓋板筋條末端發(fā)生鈑金開裂，優(yōu)化方案是延長(zhǎng)并優(yōu)化筋條形狀。為了提高可靠性，蓋板零件材料由路試狀態(tài)的HC260LA（實(shí)例屈服極限≥260 MPa）更改為B280 VK（實(shí)例屈服極限≥280 MPa），料厚由1.6 mm增加到2.0 mm，前懸蓋板結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖5所示。

通過觀察準(zhǔn)靜態(tài)工況的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在過凸包工況下，前懸蓋板開裂位置應(yīng)力達(dá)到292 MPa，超出材料屈服極限，存在塑性應(yīng)變2.3‰，零件存在一定的開裂風(fēng)險(xiǎn)；優(yōu)化后，蓋板最大應(yīng)力降為192 MPa，應(yīng)力降幅明顯，且無塑性變形，前懸蓋板靜態(tài)仿真分析結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)分析分析結(jié)果，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求，優(yōu)化方案有待整車耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 優(yōu)化方案的后續(xù)驗(yàn)證

在后續(xù)路試樣車上實(shí)施前懸蓋板優(yōu)化方案后進(jìn)行耐久試驗(yàn)，樣車完成259 20 km壞路耐久試驗(yàn)，零件未發(fā)生開裂，證明優(yōu)化方案提高了零件的可靠性，滿足強(qiáng)度要求，優(yōu)化方案路試驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示。

6 結(jié)論

以車身準(zhǔn)靜態(tài)工況載荷為邊界條件，通過對(duì)車身有限元模型進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度分析，其計(jì)算結(jié)果有助于工程師有針對(duì)性地對(duì)車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較薄弱的位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而在設(shè)計(jì)前期避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力與可靠性，也可為后續(xù)的輕量化分析打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，該方法還可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，具有較好的工程指導(dǎo)意義與價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]