基于有限元分析的某重卡白車身扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化設(shè)計

趙震，單長洲，王香廷

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

1 引言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和消費者生活水平的提高，汽車內(nèi)部的舒適性等 NVH性能越來越受到重視，而白車身扭轉(zhuǎn)剛度是作為汽車性能的重要評價指標(biāo)之一，直接影響車輛的NVH性能。本文基于有限元軟件分析，簡單介紹白車身扭轉(zhuǎn)剛度的分析方法；并以某款重卡白車身為例，重點論述了在前期開發(fā)設(shè)計過程中，通過優(yōu)化關(guān)鍵鉸接點的斷面結(jié)構(gòu)，并輔以有限元軟件的模擬計算，最終實現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)剛度的目標(biāo)要求。

2 分析過程

2.1 模型建立

圖1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析模型

基于車身3D數(shù)模建立的有限元分析模型如下圖1所示，鈑金及頂蓋采用SHELL單元模擬，點焊采用ACM單元模擬，粘膠采用Adhesive單元模擬，螺栓采用RBE2單元模擬。過程中使用的有限元分析軟件有HYPERMESH、NASTRAN和HYPERVIEW。

表1 材料屬性

2.2 邊界條件

模擬工況：當(dāng)車前輪遇到突起物抬起時，此時發(fā)生的扭轉(zhuǎn)變形最為嚴(yán)重。約束：前懸位置處約束Z向平動自由度，后懸處約束XYZ向平動自由度；加載：前懸位置施加2000Nm扭矩。

圖2 白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析邊界條件

2.3 計算公式

在左右前懸處施加的扭矩M可轉(zhuǎn)化為兩個大小相等、方向相反的力F分別作用在左前和右前懸置處。

圖3 白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析簡圖

圖3中的力F可由公式（1）求得

式中，L為左右兩懸置的距離；

圖中u、h為左右懸置處豎直方向位移量，則車身相對水平面的最大扭轉(zhuǎn)角θmax可由公式（2）求得

扭轉(zhuǎn)剛度Kt由公式（3）求得

2.4 分析結(jié)果

根據(jù)分析計算，初始方案的白車身扭轉(zhuǎn)剛度值為 22222 Nm/°，低于目標(biāo)值24000Nm/°（標(biāo)桿車），未達(dá)標(biāo)。

2.5 關(guān)鍵要素識別

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，白車身地板框架結(jié)構(gòu)、閉環(huán)的空腔體結(jié)構(gòu)、A柱、B柱等重點部位的鉸接結(jié)構(gòu)等幾個方面對扭轉(zhuǎn)剛度有重要影響，因此是優(yōu)化的重點；借助有限元分析模擬過程中的動態(tài)變形云圖，可以進(jìn)一步直觀的識別出變形量較大的區(qū)域，如下圖6所示。

圖4 白車身扭轉(zhuǎn)變形云圖及剛度測點分布圖

圖5 白車身扭轉(zhuǎn)剛度測點變形曲線

表2 初始方案分析結(jié)果

圖6 白車身扭轉(zhuǎn)變形云圖（動態(tài)截圖）

從圖中可以看出白車身在A柱上、下鉸接點位置變形量較大，與設(shè)計經(jīng)驗也相符合，即證明該部位的鉸接強(qiáng)度較弱，是優(yōu)化改進(jìn)的重點。

2.6 優(yōu)化方案說明

根據(jù)識別出的重點區(qū)域的結(jié)構(gòu)特征，制定了針對性的優(yōu)化方案，主要從斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面著手。車身斷面的幾何性質(zhì)包括截面形狀和大小，與之相關(guān)的物理量是截面面積和截面慣性矩，截面面積和截面慣性矩是計算截面剛度的主要參數(shù)，是影響白車身剛度特性的重要因素。因此進(jìn)一步優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)對改善扭轉(zhuǎn)剛度有重要意義。

2.6.1 A柱上鉸接點優(yōu)化

圖7 A柱上鉸接處優(yōu)化方案圖示（A-A截面）

云圖顯示A柱上鉸接處（A-A截面）變形量較大，剛度較弱，改善重點是優(yōu)化A柱內(nèi)板鉸接處截面，增大空腔結(jié)構(gòu)面積，如圖7所示。

表3 截面慣量

從表3看出，優(yōu)化方案使鉸接處的截面面積和截面慣性矩均有提高，對扭轉(zhuǎn)剛度的提高有積極作用。

2.6.2 A柱下-前圍兩側(cè)鉸接點優(yōu)化

云圖顯示A柱下-前圍兩側(cè)與側(cè)圍鉸接處（B-B截面）變形量較大，剛度較弱，改善重點是優(yōu)化鉸接處截面，增大前圍兩端空腔截面，如圖8所示。

圖8 A柱下鉸接處優(yōu)化方案圖示（B-B截面）

表4 截面慣量

從表4看出，優(yōu)化方案使鉸接處的截面面積和截面慣性矩均有提高，對扭轉(zhuǎn)剛度的提高有明顯作用。

2.6.3 前圍與地板連接處優(yōu)化

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，前圍總成與前橫梁連接處（C-C截面）的中間地板上有個大缺口，且缺少橫梁支撐，對扭轉(zhuǎn)剛度有不利影響，改善重點是優(yōu)化橫梁結(jié)構(gòu)，將Z字形梁改為U字形梁，如圖9所示。

圖9 前圍與地板連接處優(yōu)化方案圖示（C-C截面）

表5 截面慣量

從表5看出，優(yōu)化方案使橫梁的截面面積和截面慣性矩均有大幅提高，對扭轉(zhuǎn)剛度的提高有顯著作用。

2.7 優(yōu)化結(jié)果

利用有限元分析軟件，將3個優(yōu)化方案涉及的產(chǎn)品件重新建模，網(wǎng)格處理等，再重新導(dǎo)入分析軟件進(jìn)行計算，得到的扭轉(zhuǎn)剛度曲線和結(jié)果如下所示。

結(jié)果顯示，優(yōu)化后的扭轉(zhuǎn)角度減小，扭轉(zhuǎn)剛度值 24038 Nm/°，達(dá)到目標(biāo)值24000Nm/°。

圖10

表6 優(yōu)化方案分析結(jié)果對比

3 結(jié)論

在A柱上、下鉸接處、前圍與地板連接處結(jié)構(gòu)優(yōu)化對于白車身扭轉(zhuǎn)剛度的提升是有效且顯著的。

有限元軟件強(qiáng)大的模擬計算能力使大量繁瑣的工程問題簡單化，可以節(jié)省大量的開發(fā)時間和成本；有限元分析的介入可以為汽車設(shè)計方案的制定和驗證提供了行之有效的解決方案。

此外，本文所論述的優(yōu)化方案主要涉及到鈑金鉸接處結(jié)構(gòu)優(yōu)化，存在一定局限性（造成車身重量增加）；新材料、結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用等對白車身剛度提升和輕量化也至關(guān)重要，后期將做進(jìn)一步研究分析。