橫梁接頭形式優(yōu)化及其在白車身性能提升上的應(yīng)用

張輝+張曉靜+劉志文+郭鵬程+王震虎+方向東

摘 要：利用MSC/Nastran軟件求解了某商用車白車身剛度及靈敏度，獲得了關(guān)重模塊如覆蓋件、縱梁、橫梁等對(duì)白車身彎扭剛度的貢獻(xiàn)比，發(fā)現(xiàn)橫梁模塊對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)明顯偏低，僅為0.79%.對(duì)比分析不同橫梁接頭形式對(duì)車身剛度性能的影響，并對(duì)接頭形式進(jìn)行了優(yōu)化.結(jié)果表明：改變橫梁接頭形式對(duì)車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響明顯大于彎曲剛度；采用分段式接頭時(shí)白車身剛度性能最好；接頭優(yōu)化后橫梁模塊的扭轉(zhuǎn)剛度貢獻(xiàn)比得到了明顯的提升，達(dá)到4.68%.以某相近車型為例，改進(jìn)橫梁及其接頭形式，實(shí)現(xiàn)了剛度性能的提升與重量的降低，驗(yàn)證了接頭優(yōu)化對(duì)整車剛度性能提升的正確性及通用性，為橫梁接頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和整車性能提升提供了較為可靠的理論依據(jù).

關(guān)鍵詞：白車身；橫梁接頭；車身扭轉(zhuǎn)剛度；車身彎曲剛度；靈敏度分析

中圖分類號(hào)：U463.82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Form Optimization of Crossbeam Joints and its Application in Performance Improvement of Body in White

ZHANG Hui1， ZHANG Xiaojing1， LIU Zhiwen2， GUO Pengcheng2， WANG Zhenhu2， FANG Xiangdong3

（1. College of Material Science and Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China；

2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan University，

Changsha 410082， China；3. Chongqing Changan Automobile Co Ltd， Chongqing 404100， China）

Abstract：The body in white （BIW） stiffness and sensitivity of a commercial vehicle were calculated by using MSC/Nastran software， and the contribution ratio of crucial module （such as closure panels， longitudinal beam， and crossbeam） to bending and torsion stiffness were obtained. The analysis result showed that the contribution ratio of the crossbeam module to torsion stiffness was obviously low， which was only 0.79%. The effect of the crossbeam joints form on the performance of BIW stiffness was analyzed， and the joints form was also optimized. The results showed that joints form had greater influence on torsion stiffness than that on bending stiffness， and the greatest BIW stiffness was obtained by using segmented joint. With the optimized joint form， the contribution ratio of crossbeam module to torsion stiffness increased obviously， which reached 4.68%. Taking a similar vehicle as an example， the improvement of crossbeam and joints form enhanced the stiffness performance and reduced its weight. This demonstrates the validity and generality of joints optimization to the performance improvement of vehicle stiffness， and provides a theoretical basis for the optimization design of crossbeam joints and the improvement of vehicle performance.

Key words：BIW； crossbeam joints； body torsion stiffness； body bending stiffness； sensitivity analysis

接頭作為車身承載桿及梁結(jié)構(gòu)的主要過渡形式，是決定整車基礎(chǔ)性能的關(guān)鍵.汽車在行駛過程中，車身主要承受交變載荷，這使得接頭處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋傾向于在此處形核擴(kuò)展直至斷裂，從而致使接頭功能失效，嚴(yán)重影響整車結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性.此外，接頭設(shè)計(jì)不合理，接頭剛度不足時(shí)，白車身固有頻率會(huì)降低，各系統(tǒng)間易發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，甚至異響，嚴(yán)重降低了整車NVH（Noise，Vibration，Harshness）性能.因此合理的接頭設(shè)計(jì)對(duì)整車性能的提高具有重要意義.

目前國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者對(duì)接頭進(jìn)行了大量的分析與優(yōu)化工作.Suh和Kim等[1-2]利用有限元分析、撲拓優(yōu)化、B樣條線的形狀優(yōu)化，改善了客車窗立柱T型接頭的應(yīng)力狀態(tài).李佳[3]分析了車身關(guān)鍵接頭的疲勞壽命，通過延長(zhǎng)內(nèi)板長(zhǎng)度、增加連接點(diǎn)提高了接頭的疲勞壽命.宋凱等[4]基于概念模型對(duì)接頭進(jìn)行區(qū)域劃分和參數(shù)化處理，利用響應(yīng)面法構(gòu)建近似模型，采用連續(xù)二次規(guī)劃優(yōu)化方法對(duì)近似模型尋優(yōu)，從而提出一種概念設(shè)計(jì)階段T型接頭快速優(yōu)化的方法，該方法在實(shí)現(xiàn)接頭輕量化的同時(shí)，大大提高了接頭剛度和強(qiáng)度.另外，宋凱等[5]還提出面向正向概念設(shè)計(jì)的T型接頭的快速優(yōu)化方法.郝守海等[6]針對(duì)骨架連接接頭開發(fā)出兩種新型連接結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下對(duì)第二種接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，開發(fā)出了質(zhì)量更輕的接頭.這些有關(guān)接頭的優(yōu)化研究多數(shù)放在車身主要接頭如A柱接頭、B柱接頭等上，而關(guān)于橫梁接頭的優(yōu)化較少.

橫梁接頭是汽車中橫梁與縱梁的連接部位.縱梁是白車身主要的承載部件，直接決定了整車彎曲剛度.橫梁通過與縱梁搭接形成封閉環(huán)，是影響白車身扭轉(zhuǎn)剛度的主要部件.兩者間的接頭則是車身傳力路徑中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了橫梁對(duì)整車性能的影響.本文以某商用車為研究對(duì)象，探究橫梁接頭形式對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度的影響，為接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)和整車性能提升以及輕量化提供理論依據(jù).

1 白車身靜剛度計(jì)算

1.1 白車身靜剛度有限元分析

采用薄板單元QUAD4和TRIA3對(duì)白車身進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小為10 mm，焊接連接主要采用RBE2和ACM單元模擬.模型材料采用鋼材，楊氏彈性模量E=210 GPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7.9×103 kg/m3.白車身有限元模型如圖1所示，車身尺寸為4 320 mm×1 610 mm×1 532 mm，整個(gè)車身節(jié)點(diǎn)數(shù)共692 898個(gè)，焊點(diǎn)單元6 233個(gè)，殼單元674 428個(gè)，其中QUAD4單元655 207個(gè)，CTRIA3單元19 221個(gè)，三角形單元占單元總數(shù)的2.85%.

車身結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度包括車身彎曲剛度和車身扭轉(zhuǎn)剛度[7].白車身彎曲剛度主要用來評(píng)價(jià)承受乘員重量或貨物重量時(shí)抵抗變形的能力[8].本文參照某公司白車身剛度試驗(yàn)規(guī)范，彎曲剛度分析時(shí)分別約束左前懸z向平動(dòng)自由度，右前懸x，z向平動(dòng)自由度，左后懸x，y，z向平動(dòng)自由度，右后懸y，z向平動(dòng)自由度，以前后懸中垂面與左右縱梁底面交線的中點(diǎn)在地板上的投影為加載點(diǎn)，施加1 000 N的z負(fù)向載荷.測(cè)量載荷作用線與縱梁的交點(diǎn)的垂向位移量，經(jīng)計(jì)算得到該白車身彎曲剛度為7 254 N/mm.白車身z向彎曲位移云圖如圖2所示.

扭轉(zhuǎn)剛度用來評(píng)價(jià)車身在不平的路面上抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力.在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度分析時(shí)，約束左后懸x，y，z向平動(dòng)自由度，右后懸y，z向平動(dòng)自由度，前懸架處施加MPC約束，使得左右兩邊垂向變形量相等，并作用大小為2 000 N·m的z向力矩.以前懸置點(diǎn)連線的垂直投影與縱梁底面交線的中點(diǎn)、后懸置點(diǎn)連線的垂直投影與縱梁底面交線的中點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)垂向位移量，計(jì)算得出該白車身扭轉(zhuǎn)剛度為542 804 N·m/rad.白車身z向扭轉(zhuǎn)位移云圖如圖3所示.

1.2 白車身靜剛度試驗(yàn)

對(duì)車身進(jìn)行靜剛度試驗(yàn)以驗(yàn)證有限元模型的正確性.彎曲剛度試驗(yàn)時(shí)，將車身放置在試驗(yàn)臺(tái)架上，用夾具約束前后懸架的連接點(diǎn)，在白車身前排座椅后安裝橫梁處進(jìn)行加載，載荷大小為2 000 N.試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)和模擬分析測(cè)點(diǎn)大致相同，并利用百分表測(cè)量測(cè)點(diǎn)的垂直位移.彎曲剛度試驗(yàn)測(cè)試圖如圖4所示.扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)時(shí)，用夾具約束后懸架彈簧與車身連接處，在前懸架處通過千斤頂施加2 000 N·m扭矩.試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)和模擬分析測(cè)點(diǎn)大致相同，并利用百分表測(cè)量測(cè)點(diǎn)變形情況.扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)測(cè)試圖如圖5所示.

試驗(yàn)得到的車身彎曲剛度為7 692 N/mm，與仿真結(jié)果的7 254 N/mm相差6.04%；試驗(yàn)獲得的扭轉(zhuǎn)剛度為522 603 N·m/rad，與仿真結(jié)果的542 804 N·m/rad相差3.72%.彎扭剛度試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果偏差均在7%以內(nèi)，這表明建立的仿真模型準(zhǔn)確可靠，能夠用于后續(xù)的分析與研究.

2 白車身靈敏度分析

2.1 白車身剛度相對(duì)靈敏度計(jì)算

靈敏度是指所關(guān)注指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化梯度.通過靈敏度分析可以確定設(shè)計(jì)變量變化過程中對(duì)響應(yīng)較為敏感的部位，從而獲得最佳設(shè)計(jì)參數(shù).

本文以車身板厚為設(shè)計(jì)變量，車身總質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度為約束條件，對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和質(zhì)量靈敏度分析.鑒于一些零部件不僅對(duì)剛度敏感，也對(duì)質(zhì)量敏感，為了有效權(quán)衡各參數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束變量的影響，在此采用剛度靈敏度與質(zhì)量靈敏度的比值即相對(duì)剛度靈敏度來進(jìn)行評(píng)判.由于篇幅所限，表1只列出了部分相對(duì)剛度靈敏度結(jié)果.

2.2 關(guān)重模塊對(duì)車身彎扭剛度的貢獻(xiàn)比

靈敏度分析考慮的是單個(gè)零部件的厚度變化對(duì)車身性能的影響，而車身剛度要滿足設(shè)計(jì)要求需要同時(shí)保證車身中各系統(tǒng)和系統(tǒng)中的零部件靈敏度均能滿足設(shè)計(jì)要求，因此在車身設(shè)計(jì)過程中需要一種從系統(tǒng)角度進(jìn)行分析的方法.聶傳紅[9]通過將車身劃分多個(gè)模塊，對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行靈敏度分析，獲得了每個(gè)模塊參數(shù)變化對(duì)車身各項(xiàng)性能的貢獻(xiàn)率以用于指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì).據(jù)此本文提出了剛度貢獻(xiàn)比這一概念：

式中：z為某一模塊的扭轉(zhuǎn)（彎曲）剛度貢獻(xiàn)比；x為該模塊中各個(gè)零部件的扭轉(zhuǎn)（彎曲）剛度相對(duì)靈敏度；n為該模塊中零部件個(gè)數(shù)；y為白車身中各零部件扭轉(zhuǎn)（彎曲）剛度相對(duì)靈敏度；m為白車身零部件個(gè)數(shù).

彎扭剛度貢獻(xiàn)比以模塊分析為對(duì)象，避免了目前靈敏度分析的不足.以往靈敏度分析只能定性地體現(xiàn)出各個(gè)零件對(duì)汽車性能影響的相對(duì)大小，而剛度貢獻(xiàn)比以模塊分析為對(duì)象，從系統(tǒng)角度定量地表征出相近結(jié)構(gòu)和模塊對(duì)汽車性能的影響程度.基于靈敏度分析結(jié)果，計(jì)算出了關(guān)重模塊對(duì)白車身彎扭剛度的貢獻(xiàn)比，如表2所示.

由表2可知，縱梁模塊對(duì)彎曲剛度的影響較大，貢獻(xiàn)比高達(dá)10.04%，而橫梁模塊對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)比卻僅有0.79%.研究表明[10]汽車橫梁對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度具有重要作用，而該車型中的橫梁并沒有充分發(fā)揮對(duì)車身性能提升的作用.鑒于橫梁是車身扭轉(zhuǎn)工況傳力路徑的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，橫梁作用的大小很大程度由接頭決定，初步得出橫梁接頭設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致這一問題，并對(duì)橫梁接頭形式進(jìn)行了詳細(xì)研究.

3 白車身橫梁接頭形式分析及優(yōu)化

3.1 白車身橫梁接頭形式分析

常見的橫梁與縱梁的連接方式可分為3種：

1）橫梁與縱梁上下翼面連接.這種連接方式的上下連接跨度大，連接部位主要承受壓力或者拉力，因此連接剛度大，有助于提高縱梁的扭轉(zhuǎn)剛度.但這種連接制造復(fù)雜，且在承受較大轉(zhuǎn)矩時(shí)，縱梁上下翼面的應(yīng)力較大，容易引起翼面的疲勞損壞.2）橫梁與縱梁腹板連接.這種連接工藝簡(jiǎn)單，但其上下連接跨度小，連接部位多為彎曲載荷，因此連接剛度較差.3）橫梁和縱梁腹板以及任一個(gè)翼面同時(shí)連接.這種連接兼具以上兩種連接特點(diǎn)，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但是由于作用在縱梁上的力可以直接傳給橫梁，使得橫梁上的承載較大.本文通過結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)發(fā)現(xiàn)存在6種典型接頭結(jié)構(gòu)形式如圖6所示，并以該商用車后地板4根橫梁（后橫梁、橫向穩(wěn)定桿橫梁、后地板中間橫梁、第二排座椅加強(qiáng)梁）為研究對(duì)象，探究橫梁接頭形式對(duì)車身剛度性能影響.

原車型后地板4根橫梁初始接頭均采用內(nèi)翻式，如圖7所示（圖中的橫梁從左至右依次為后橫梁、橫向穩(wěn)定桿橫梁、后地板中間橫梁、第二排座椅加強(qiáng)梁）.方案1將后橫梁的接頭形式分別改為無翻邊式、外翻式、一體式、加強(qiáng)件式、分段式，其余橫梁的接頭形式保持不變.模型的加載和約束與靜剛度分析時(shí)保持一致，經(jīng)有限元計(jì)算分析，白車身剛度性能變化見表3.由表3可知，接頭形式的改變，對(duì)車身彎曲剛度幾乎沒有影響，但對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度有著較大的影響：采用加強(qiáng)件接頭形式時(shí)，扭轉(zhuǎn)剛度增加了9 109 N·m/rad，增幅1.68%，彎曲剛度只增加了1.09 N/mm，增幅0.02%；采用分段式時(shí)，扭轉(zhuǎn)剛度增加了6 038 N·m/rad，增幅1.11%，彎曲剛度增加了1.09 N/mm，增幅僅0.02%.接頭形式采用加強(qiáng)件時(shí)的白車身剛度性能最好，其次為分段式、一體式、外翻式、內(nèi)翻式、無翻邊式，其中一體式和分段式這兩種接頭獲得的剛度性能較為接近.

方案2采用相同的方式改變橫向穩(wěn)定桿橫梁接頭形式，白車身剛度性能變化見表4.由表4可知，接頭形式采用分段式時(shí)車身剛度性能最好，扭轉(zhuǎn)剛度增加了8 796 N·m/rad，增幅1.62%，其次為一體式、加強(qiáng)件式、外翻式、內(nèi)翻式、無翻邊式.方案3和方案4采用相同的方式改變后地板中間橫梁和第二排座椅加強(qiáng)梁接頭形式，白車身剛度性能變化分別如表5和表6所示.

由以上分析可知，分別改變單個(gè)橫梁的接頭形式獲得了類似的規(guī)律：接頭形式采用分段式時(shí)白車身剛度性能最好，其次為一體式、加強(qiáng)件式、外翻式、內(nèi)翻式、無翻邊式.為了探究接頭形式對(duì)車身扭轉(zhuǎn)剛度影響的內(nèi)在原因，本文選取內(nèi)翻式接頭和分段式接頭進(jìn)行剛度分析.接頭剛度模型的截取參照某公司的分析規(guī)范，沿縱梁和橫梁的橫截面進(jìn)行垂直切割，各個(gè)分支長(zhǎng)度均為250 mm.采用MPC將縱梁和橫梁端面各節(jié)點(diǎn)耦合至橫截面中心，約束縱梁端兩個(gè)MPC的全部自由度，并對(duì)橫梁端的MPC分別施加沿3個(gè)坐標(biāo)方向的100 N載荷.以內(nèi)翻式接頭為例，3種加載工況如圖8所示.經(jīng)剛度計(jì)算得到了橫梁接頭分別在x，y，z 3個(gè)方向載荷作用下的位移.其中內(nèi)翻式接頭加載點(diǎn)沿載荷方向的位移分別為x=0.042 mm，y=0.217 mm，z=1.939 mm；分段式接頭加載點(diǎn)沿載荷方向的位移分別為x=0.029 mm，y=0.109 mm，z=0.364 mm.由此得出分段式接頭在各方向上的剛度均大于內(nèi)翻式.車身扭轉(zhuǎn)剛度與橫梁接頭剛度密切相關(guān).橫梁接頭剛度的提高，有利于力的傳遞和橫梁發(fā)揮作用，從而使橫梁對(duì)車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)增加.這也就是橫梁接頭改成分段式后白車身扭轉(zhuǎn)剛度變大的原因.

3.2 白車身橫梁接頭形式優(yōu)化

結(jié)合單一橫梁接頭形式的分析結(jié)果，將該車型后地板3根橫梁（后橫梁、橫向穩(wěn)定桿橫梁、后地板中間橫梁）的接頭形式均改為分段式，重新進(jìn)行剛度、靈敏度分析以及剛度貢獻(xiàn)比計(jì)算，其結(jié)果如表7所示.更改接頭形式后，白車身彎曲剛度變化不大，為7 268 N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度為559 943 N·m/rad，提高了3.15%.橫梁模塊對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度的作用明顯增加，貢獻(xiàn)比由0.79%增加到4.68%.

4 橫梁接頭形式優(yōu)化組合在相似車型白車

身性能提升上的應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證接頭形式對(duì)彎扭剛度的貢獻(xiàn)及其規(guī)律的正確性，本文對(duì)同一平臺(tái)的另一相近車型進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn).該車型橫梁的初始接頭形式如圖9所示，圖中的橫梁從左至右依次為后地板后橫梁、橫向穩(wěn)定桿橫梁與后地板前橫梁，其接頭形式分別為分段式、內(nèi)翻式與外翻式相結(jié)合、分段式.初始的白車身彎曲剛度值為9 075 N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度值為949 622 N·m/rad.采取以下4種方案改進(jìn)該車型的橫梁與接頭：后地板后橫梁分段式接頭增厚0.2 mm，橫梁減薄0.2 mm；將橫向穩(wěn)定桿橫梁的接頭改為分段式，接頭增厚0.2 mm，橫梁減薄0.2 mm；后地板前橫梁分段式接頭增厚0.2 mm，橫梁減薄0.2 mm；后地板3根橫梁均采用分段式接頭，接頭均增厚0.2 mm，橫梁均減薄0.2 mm.對(duì)上述改進(jìn)模型進(jìn)行剛度分析，結(jié)果如表8所示.由表8可知，改變單個(gè)梁厚度與接頭形式，能夠在保證剛度性能不變或者略增的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)重量的降低；同時(shí)改變后地板3根橫梁及其接頭形式，不僅使得白車身彎曲剛度增加3.75 N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度增加4 712 N·m/rad，而且還可以減重0.44 kg.這表明采用分段式接頭形式是提高白車身剛度性能，實(shí)現(xiàn)其輕量化的最有效途徑之一.

5 結(jié) 論

1）通過求解白車身剛度及其靈敏度，分析關(guān)重模塊如覆蓋件、縱梁、橫梁、B柱等彎扭剛度貢獻(xiàn)比，發(fā)現(xiàn)模型中存在橫梁模塊對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度貢獻(xiàn)明顯較低這一問題，并認(rèn)為是橫梁接頭設(shè)計(jì)不合理所致.

2）研究了橫梁接頭形式對(duì)汽車剛度性能的影響，結(jié)果表明：接頭形式采用分段式時(shí)白車身剛度性能最好，其次為一體式、加強(qiáng)件式、外翻式、內(nèi)翻式、無翻邊式；接頭形式的改變對(duì)車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響明顯大于彎曲剛度.基于分析結(jié)果，將白車身后地板3根橫梁接頭形式改為分段式，橫梁模塊的扭轉(zhuǎn)剛度貢獻(xiàn)比得到了明顯的提升，由0.79%增為4.68%.

3）將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于某相近車型的橫梁接頭設(shè)計(jì)中，不僅使得扭轉(zhuǎn)剛度增加4 712 N·m/rad，而且還可以達(dá)到減重0.44 kg的效果，這證明了接頭形式優(yōu)化結(jié)果的正確性與可行性.

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