基于接頭與截面靈敏度分析的白車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

楊甄鑫 廖抒華 石登仁 李云 廖禮平

摘? 要：針對(duì)某車(chē)型彎扭剛度不足的問(wèn)題，基于白車(chē)身模型截取接頭12個(gè)，截面16個(gè)，引入PALS（product? ? ? attribute leadership strategy）策略對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。針對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力不佳的接頭及截面進(jìn)行靈敏度分析，對(duì)比競(jìng)品車(chē)型截面結(jié)構(gòu)，對(duì)其提出改進(jìn)方案。研究結(jié)果表明，白車(chē)身質(zhì)量增加1.10%，彎曲剛度提升15.77%，扭轉(zhuǎn)剛度提升8.35%，其他性能基本不變，白車(chē)身性能改善效果顯著。

關(guān)鍵詞：彎扭剛度;車(chē)身接頭;截面性能;靈敏度分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.8? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.002

0? ? 引言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，汽車(chē)技術(shù)快速發(fā)展。車(chē)身作為汽車(chē)的重要組成之一，在汽車(chē)行駛和停放狀態(tài)下都會(huì)受到不同工況力的作用。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度是判斷車(chē)身結(jié)構(gòu)是否合理的重要指標(biāo)[1]，接頭連接較弱，會(huì)降低車(chē)身的扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)，且對(duì)車(chē)身的彎曲剛度也有一定影響。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車(chē)身接頭展開(kāi)研究。宋凱等[2]在車(chē)身概念設(shè)計(jì)階段，建立由隱式參數(shù)驅(qū)動(dòng)T型接頭更新的全參數(shù)化模型，并建立了自動(dòng)化的多目標(biāo)優(yōu)化流程。姚再起等[3]建立SFE參數(shù)化模型，基于接頭的靈敏度分析結(jié)果，對(duì)截面形狀、部件厚度、工藝進(jìn)行優(yōu)化，改善了車(chē)身性能。胡望岳等[4]通過(guò)對(duì)關(guān)鍵位置接頭進(jìn)行剛度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了白車(chē)身一階彎曲、扭轉(zhuǎn)模態(tài)的提升。毛征宇等[5]對(duì)車(chē)身模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，篩選出了關(guān)鍵接頭位置，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法和近似模型對(duì)接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。林圣存[6]對(duì)某承載式客車(chē)車(chē)身接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的客車(chē)側(cè)翻安全性能明顯提升。林輝等[7]對(duì)某MPV車(chē)型白車(chē)身主要接頭的連接關(guān)系、截面形狀及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的厚度參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足車(chē)身性能要求。龐博[8]深入研究了循環(huán)溫度場(chǎng)對(duì)T型搭接膠接接頭強(qiáng)度的影響，膠接接頭在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用廣泛，具有應(yīng)力分布均勻、輕量化、密封性好等特點(diǎn)。Kanani等[9]為了改善鋁和聚鄰苯二甲酰胺（PPA）之間單搭接接頭的性能，開(kāi)發(fā)出一種具有界面剛度改進(jìn)結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)。Bylund[10]對(duì)一款名為ADRIAN的汽車(chē)接頭剛度計(jì)算軟件及其在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。Banea等[11]對(duì)相似材料和多材料膠接接頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。Mundo等[12-13]在車(chē)身概念設(shè)計(jì)階段提出了一種基于簡(jiǎn)化梁和接頭的建模方法，以實(shí)現(xiàn)在白車(chē)身早期設(shè)計(jì)階段的NVH和其他性能優(yōu)化。

本文基于某車(chē)型白車(chē)身模型，通過(guò)仿真分析計(jì)算出接頭剛度和截面性能，采用PALS（product? ? attribute leadership strategy）策略對(duì)接頭及截面的性能進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。對(duì)不滿足要求的接頭及截面進(jìn)行靈敏度分析，以分析結(jié)果為依據(jù)，對(duì)比競(jìng)品車(chē)型截面，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)方案。

1? ? 白車(chē)身接頭剛度與截面性能分析

1.1? ?接頭剛度分析

基于白車(chē)身模型，以外板焊接邊邊緣線的交點(diǎn)為起點(diǎn)，沿各梁方向伸出250 mm進(jìn)行截取。接頭的截取需保證結(jié)構(gòu)、連接的完整性，加強(qiáng)板和減重孔應(yīng)盡量保留，接頭截面與yoz、xoz、xoy平面平行。白車(chē)身結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，只對(duì)一側(cè)進(jìn)行截取，共12個(gè)接頭，如圖1所示，其中up為上接頭，ctr為中接頭，low為下接頭，F(xiàn)-sus為后懸彈簧座接頭。

接頭性能的優(yōu)劣對(duì)車(chē)身的各項(xiàng)性能有直接影響，通過(guò)剛度來(lái)表征接頭特性。約束非加載斷面處6個(gè)方向自由度，在加載截面的形心處建立局部坐標(biāo)系，分別在接頭每個(gè)分支的x、y、z向加載力? ? 1 000 N，如圖2所示。使用Nastrain求解器進(jìn)行線性求解，接頭剛度計(jì)算式為：

[Kx=Fδ] ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[Kx]為接頭剛度，單位為N/m;[F]為施加載荷，單位為N;[δ]為位移量，單位為m。

采用PALS策略對(duì)產(chǎn)品屬性競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)行分析。其通過(guò)與競(jìng)品車(chē)型的性能對(duì)比來(lái)衡量產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，分為4個(gè)定位，分別為L(zhǎng)（Leader，性能市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位，處于前10%）、A（Advantage，性能處于領(lǐng)先地位，處于上游20%）、C（Competitive，產(chǎn)品具有一定競(jìng)爭(zhēng)力，處于中游40%）、U（Uncompetitive，產(chǎn)品不具有競(jìng)爭(zhēng)力，處于下游30%）[14]。接頭剛度PALS描述如表1所示，可知B柱下接頭、D柱中接頭、D柱下接頭產(chǎn)品性能較差。

1.2? ?截面性能分析

根據(jù)接頭模型的截取，對(duì)車(chē)身截面進(jìn)行定義，共計(jì)16個(gè)截面，如圖3所示。

截面的特性參數(shù)為截面慣性矩[Iy]、[Iz]及截面扭轉(zhuǎn)常數(shù)[Tc]。[Iy]、[Iz]主要反映截面的抗彎性能，[Iy]、[Iz]越大，截面的抗彎性能越好;扭轉(zhuǎn)常數(shù)[Tc]為扭轉(zhuǎn)慣性矩，即單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角，其主要反映截面的抗扭性能，扭轉(zhuǎn)常數(shù)越大，抗扭性能越好[15]。其計(jì)算式為：

[Iy]=[Az2dA]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

[Iz]=[Ay2dA]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

[Tc]=[4A2d（s/t）]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：[Iy]為截面對(duì)[y]軸的慣性矩，[Iz]為截面對(duì)z軸的慣性矩，單位為[mm4];[A]為零件斷面面積，單位為[mm2];[t]為薄壁桿厚度，單位為mm;[s]為截面中線周長(zhǎng)，單位為mm。

白車(chē)身截面性能PALS描述如表2所示，可知前門(mén)檻、后輪眉包絡(luò)腔體、后門(mén)檻、后門(mén)上鉸鏈這4處截面性能較差，不滿足要求。

2? ? 白車(chē)身接頭和截面靈敏度分析

對(duì)白車(chē)身而言，接頭結(jié)構(gòu)數(shù)量較多，如果對(duì)所有接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，工作量將十分龐大。通過(guò)靈敏度分析獲得對(duì)整車(chē)剛度及模態(tài)性能影響較大的截面方向剛度，可以大大減少工作量，提高優(yōu)化效率。

基于白車(chē)身模型，以接頭剛度參數(shù)描述接頭，局部替換純參接頭，避免了實(shí)際接頭無(wú)法識(shí)別接頭剛度方向的問(wèn)題。以B柱下接頭靈敏度分析為例，使用HyperWorks軟件搭建模型。采用彈簧單元代替白車(chē)身兩側(cè)的B柱下接頭殼單元，設(shè)計(jì)變量為各分支截面的三向剛度[K1]、[K2]、[K3]，如圖4所示。分別計(jì)算白車(chē)身彎曲、扭轉(zhuǎn)、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)3種工況下的接頭各分支貢獻(xiàn)量，計(jì)算結(jié)果如圖5—圖7所示。

綜合接頭剛度與模態(tài)靈敏度分析，識(shí)別出一個(gè)關(guān)鍵剛度：B柱下接頭上分支的x向剛度。對(duì)截面性能進(jìn)行靈敏度分析，以找出關(guān)鍵截面參數(shù)。采用梁?jiǎn)卧?jiǎn)化車(chē)身接頭，其示意圖如圖8所示，設(shè)計(jì)變量為各分支截面的[Iy]、[Iz]、[Tc]，分析工況為上分支x向剛度。靈敏度計(jì)算結(jié)果如圖9所示，上接頭的z向截面慣性矩對(duì)其剛度性能影響較大，可以通過(guò)增大上分支截面慣性矩[Iz]來(lái)提高車(chē)身性能。

3? ? 接頭與截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

3.1? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方法

采用靈敏度分析與競(jìng)品分析相結(jié)合的方法對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。以B柱截面為例，靈敏度分析結(jié)果顯示，慣性矩[Iy]對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度影響較大;慣性矩[Iz]對(duì)側(cè)碰、頂壓、扭轉(zhuǎn)剛度影響較大;扭轉(zhuǎn)常數(shù)[Tc]對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)模態(tài)影響較大。對(duì)比原車(chē)型與競(jìng)品車(chē)型B柱截面性能參數(shù)，如表3所示。

由表3可知，原車(chē)型B柱截面y向尺寸較小，加強(qiáng)板厚度較薄，截面性能較低，可以通過(guò)增加截面y向尺寸來(lái)提高性能。將B柱截面y向尺寸增加? ?20 mm，其截面對(duì)比如圖10所示。改進(jìn)后的B柱截面，Iy增加為1 140 466 [mm4]，提高6%;Iz增加為274 608 [mm4]，提高127%;[Tc]增加為529 330，提高102%。

3.2? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案匯總

單個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案對(duì)白車(chē)身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、一階彎曲、扭轉(zhuǎn)模態(tài)及質(zhì)量的影響以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)的綜合效果如表4所示，表明了靈敏度分析和競(jìng)品分析相結(jié)合對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性，其中對(duì)門(mén)檻梁的z向增加及對(duì)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)最突出。

4? ? 結(jié)論

1）接頭及截面結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及模態(tài)有很大影響，合理的接頭及截面結(jié)構(gòu)能夠有效改善車(chē)身性能。

2）通過(guò)靈敏度分析得到對(duì)車(chē)身性能貢獻(xiàn)較大的接頭、截面性能分支，與競(jìng)品車(chē)型結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，綜合提出接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案。研究結(jié)果顯示，白車(chē)身質(zhì)量增加1.10%，彎曲剛度提升15.77%，扭轉(zhuǎn)剛度提升8.35%，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)提升4.70%，一階彎曲模態(tài)提升1.60%。

參考文獻(xiàn)

[1]? ? ?廖金深，沈光烈，林圣存.對(duì)某微型客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，27（1）：58-61.

[2]? ? ?宋凱，成艾國(guó)，胡朝輝，等.基于真實(shí)接頭車(chē)身概念模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（22）：2764-2770.

[3]? ? ?姚再起，門(mén)永新，李落星，等.基于梁與接頭靈敏度分析的白車(chē)身剛度模態(tài)優(yōu)化[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，44（4）：9-15.

[4]? ? ?胡望岳，梁偉強(qiáng)，孔祥幀，等.基于接頭剛度優(yōu)化的白車(chē)身模態(tài)優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2017，34（5）：35-39.

[5]? ? ?毛征宇，朱俊屹，李落星，等.基于簡(jiǎn)化車(chē)身的接頭靈敏度分析及多目標(biāo)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2018，56（5）：20-24.

[6]? ? ?林圣存.接頭設(shè)計(jì)對(duì)客車(chē)側(cè)翻仿真的影響[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，28（3）：72-76.

[7]? ? ?林輝，陳吉清，謝然.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)剛度與模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法研究[J].現(xiàn)代制造工程，2011（6）：58-63.

[8]? ? ?龐博.T型搭接膠接接頭循環(huán)溫度場(chǎng)對(duì)其強(qiáng)度的影響[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

[9]? ? ?KANANI A Y，HOU X N，YE J Q.A novel dissimilar single-lap joint with interfacial stiffness improvement[J].Composite Structures，2020，252：112741.

[10]? ?BYLUND N. ADRIAN：a software for computing the stiffness of automotive joints and its application in the product development process[J].Journal of Computing and Information Science in Engineering，2005，5（4）：388-393.

[11]? ?BANEA M D，ROSIOARA M，CARBAS R J C，et al.Multi-material adhesive joints for automotive industry[J].Composites Part B：Engineering，2018，151：71-77.

[12]? ?MUNDO D，HADJIT R，DONDERS S，et al.Simplified modelling of joints and beam-like structures for BIW optimization in a concept phase of the vehicle design process[J]. Finite Elements in Analysis and Design，2009，45（6-7）：456-462.

[13]? ?DONDERS S，TAKAHASHI Y，HADJIT R，et al. A reduced beam and joint concept modeling approach to? optimize global vehicle body dynamics[J].Finite Elements in Analysis and Design，2009，45（6-7）：439-455.

[14]? ?呂奉陽(yáng)，羅培鋒，楊萬(wàn)慶，等.基于PALS策略的車(chē)身輕量化等級(jí)評(píng)價(jià)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2020，45（23）：224-226.

[15]? ?王超，于萬(wàn)元，梁名佳，等.基于HyperWorks的白車(chē)身關(guān)鍵截面分析方法[C]//2019Altair技術(shù)大會(huì)論文集，2019：129-136.

Improvement of body-in-white structure based on sensitivity analysis

of joints and cross-sections

YANG Zhenxin1， LIAO Shuhua*1， SHI Dengren2， LI Yun2， LIAO Liping2

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China; 2. Dongfeng Liuzhou Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou 545005， China）

Abstract： PALS （Product Attribute Leadership Strategy） was used to evaluate 12 joints and 16 cross-

sections from the body-in-white model aimed at the insufficient bending-torsional stiffness of a certain vehicle. The sensitivity analysis was made for the joints and sections with poor competitiveness. And the improvement scheme was proposed by comparing the section structure of competing models. The results show that the performance of body-in-white has been improved significantly with its mass? ? ? ? increased by 1.10%， the bending stiffness by 15.77%， the torsional stiffness by 8.35%， and the other properties basically unchanged.

Key words： bending-torsional stiffness;body joint; property of cross-sections; sensitivity analysis

（責(zé)任編輯：黎? ?婭）