某商用車身靜剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧春陽(yáng)，李東旭，楊樹(shù)鵬，趙金泉，張立

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某商用車身靜剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄧春陽(yáng)，李東旭，楊樹(shù)鵬，趙金泉，張立

（寶能汽車有限公司，陜西 西安 712000）

文章從白車身靜剛度的構(gòu)成及影響、提升方向和提升方法三方面入手，確定了商用車身靜剛度提升策略。從截面剛度提升、接頭剛度提升、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)論述了白車身整體剛度提升策略的制定和實(shí)施過(guò)程。同時(shí)，從安裝部位和板殼件板件剛度兩方面提升白車身局部剛度，重點(diǎn)討論了設(shè)計(jì)階段從功能和性能、工藝和工裝等方面考慮材料升級(jí)方案的制定和實(shí)施過(guò)程。最后通過(guò)CAE輔助手段對(duì)白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)分析的合理性和方案改進(jìn)的有效性。

白車身；靜剛度；工況；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；CAE

前言

重型商用車根據(jù)用途的不同可以分為牽引車、載貨車、自卸車和專用車四大類。不同的使用工況對(duì)會(huì)對(duì)商用車的車輛配置、產(chǎn)品性能、經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生差異化的需求和影響，因此，在以上四大類的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)使用工況繼續(xù)細(xì)分，例如自卸車根據(jù)使用工況可以分為城建渣土、礦坑運(yùn)輸、公路自卸等。工況的差異表現(xiàn)在運(yùn)輸總質(zhì)量、往返配貨情況、車速、路況、運(yùn)距等，本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象為礦坑運(yùn)輸自卸車，工況惡劣，白車身需進(jìn)行靜剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)該工況下的可靠性要求。

1 研究背景

目標(biāo)白車身在試制和試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)和解決了白車身開(kāi)焊、開(kāi)裂等可靠性問(wèn)題?？紤]礦坑運(yùn)輸自卸車使用工況更惡劣，同時(shí)從CAE仿真和臺(tái)架試驗(yàn)兩方面與該細(xì)分市場(chǎng)成熟產(chǎn)品進(jìn)行白車身靜剛度對(duì)比發(fā)現(xiàn)：該工況下的白車身彎曲、扭轉(zhuǎn)等靜剛度值需進(jìn)一步提升。

2 提升策略

2.1 白車身靜剛度的構(gòu)成及影響

車身剛度的構(gòu)成如圖1所示，白車身靜剛度由整體剛度和局部剛度組成。

圖1 車身剛度的構(gòu)成

車輛使用過(guò)程的載荷比較多，主要受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷，據(jù)此將整體剛度區(qū)分彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度。整體剛度取決于部件布置和白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。局部剛度主要是安裝部位和大面積板殼件剛度，取決于局部車身結(jié)構(gòu)的斷面形狀和采用的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等。

研究白車身靜剛度的意義如下：

①白車身的靜剛度特性反應(yīng)了車身承載扭矩和彎曲載荷的能力，是白車身整體性能的體現(xiàn)；

②車身振動(dòng)、噪聲等性能與車身靜剛度特性緊密相關(guān)；

③可靠性、安全性以及操控穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)特性與車身靜剛度有關(guān)聯(lián)。

白車身剛度不足的表現(xiàn)形式如下：

①白車身開(kāi)裂、斷裂，疲勞壽命低；

②外板件抗凹性能差，白車身模態(tài)低，有共振風(fēng)險(xiǎn)；

③白車身開(kāi)口部件變形、開(kāi)膠、脫焊等，造成駕駛室密封性差；

④車身承受沖擊能力差，碰撞安全法規(guī)測(cè)試有風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 白車身靜剛度提升的方向

白車身靜剛度提升應(yīng)重點(diǎn)提升關(guān)鍵承力件的截面剛度、車身鉸接點(diǎn)剛度、外板等板件剛度。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用CAE拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)白車身剛度分布、截面剛度和接頭剛度進(jìn)行評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)優(yōu)化。

高剛度、輕量化是車身設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。在進(jìn)行白車身靜剛度提升過(guò)程中，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、工藝方案制定等方面兼顧輕量化設(shè)計(jì)。

2.3 白車身靜剛度提升的方法

白車身靜剛度設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)白車身開(kāi)發(fā)過(guò)程，是白車身性能設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。

在預(yù)言階段需要對(duì)標(biāo)桿車型白車身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、板件剛度等進(jìn)行全面的測(cè)試評(píng)價(jià)，確定目標(biāo)車身的剛度設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段需要對(duì)材料性能提升、斷面慣性矩和構(gòu)件剛度改進(jìn)、部件布置優(yōu)化和連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)等措施使白車身的整體和局部剛度達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在開(kāi)發(fā)驗(yàn)證階段需要進(jìn)行各種臺(tái)架和路試對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行驗(yàn)證、改進(jìn)和固化。

在整個(gè)提升過(guò)程中，結(jié)構(gòu)工程師和CAE工程師要緊密配合，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷改進(jìn)優(yōu)化，直到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。靈敏度分析和接頭優(yōu)化是常用的白車身剛度拓?fù)鋬?yōu)化方法。剛度優(yōu)化方法不合理，會(huì)導(dǎo)致車身重量、成本的增加，車身性能隨之降低。

2.4 本次提升策略

本次白車身靜剛度提升從整體剛度和局部剛度兩方面進(jìn)行優(yōu)化。整體剛度的提升是在目標(biāo)白車身的鉸接點(diǎn)增加加強(qiáng)件，改進(jìn)白車身整體結(jié)構(gòu)，提高白車身整體的抗彎、抗扭性；局部剛度提升是關(guān)鍵受力區(qū)零件材料升級(jí)，提升白車身局部的連接強(qiáng)度和板件剛度。

3 工程方案

3.1 方案分析

方案分析的目的是尋找目標(biāo)白車身的靜剛度提升點(diǎn)，確定優(yōu)化方向。

方案分析的方法是對(duì)標(biāo)及試驗(yàn)問(wèn)題搜集。對(duì)標(biāo)是根據(jù)細(xì)分市場(chǎng)的使用工況，將標(biāo)桿車型和目標(biāo)車型的白車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等靜剛度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。試驗(yàn)問(wèn)題分析是對(duì)目標(biāo)白車身試制、試驗(yàn)問(wèn)題收集、分析。通過(guò)以上兩方面的分析，識(shí)別目標(biāo)白車身靜剛度提升點(diǎn)。

從白車身靜剛度指標(biāo)對(duì)標(biāo)情況來(lái)看，目標(biāo)白車身靜剛度指標(biāo)與市場(chǎng)標(biāo)桿基本持平?？紤]細(xì)分市場(chǎng)礦坑運(yùn)輸自卸車市場(chǎng)使用工況的惡劣性，從產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力角度建議繼續(xù)提升目標(biāo)白車身的彎曲、扭轉(zhuǎn)整體剛度，保持我公司自卸車產(chǎn)品性能的領(lǐng)先性。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1整體剛度提升

白車身整體剛度的提升主要通過(guò)白車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于白車身結(jié)構(gòu)而言，剛度研究的重點(diǎn)是構(gòu)件，構(gòu)件剛度取決于組成材料的彈性模量外，還同其幾何形狀、邊界條件等因素以及外力的作用形式有關(guān)。

本文的研究對(duì)象已確定，即邊界條件已確定，應(yīng)從構(gòu)件的幾何形狀變更來(lái)改進(jìn)白車身結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高白車身的整體剛度。幾何形狀對(duì)白車身剛度的影響主要表現(xiàn)在截面剛度、鉸接點(diǎn)剛度。白車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖如圖三所示，加強(qiáng)件布置在風(fēng)窗上橫梁與側(cè)圍、側(cè)圍與前圍等車身的鉸接點(diǎn)位置、駕駛室懸置安裝點(diǎn)等關(guān)鍵受力區(qū)域；同時(shí)考慮實(shí)際工況約束和力學(xué)加載特征，在左右地板后部增加橫梁，提升車身的抗扭剛度。

圖3 白車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

3.2.1.1 截面剛度提升

車身主斷面的性能參數(shù)包括截面形狀和大小，與之相關(guān)的物理量是截面面積S、截面主慣性矩I和彈性模量Z。相關(guān)研究表明：截面主慣性矩I決定主斷面處白車身剛度，I越大則該處斷面剛度越大。

I=M/ρ

其中M為主斷面軸距，ρ為面密度，通常面密度ρ=10kg/m2。

地板縱梁后端、后圍鎖止、風(fēng)窗A柱區(qū)域開(kāi)發(fā)加強(qiáng)件，均會(huì)帶來(lái)相應(yīng)斷面軸距的增加，即剛度提升。

3.2.1.2 鉸接點(diǎn)剛度提升

車身鉸接點(diǎn)作為車身各部分主要連接點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)的合理性及自身剛度的對(duì)白車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣起著決定性的作用。車身鉸接點(diǎn)主要位于車身各部分連接的位置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)白車身的整體剛度影響較大。

影響白車身接頭剛度的因素有鉸接點(diǎn)各部件的數(shù)量、形狀、料厚、相互之間的搭接等。鉸接點(diǎn)剛度不足時(shí)，可以通過(guò)增強(qiáng)鉸接點(diǎn)的連接力來(lái)提升剛度，如增加連接長(zhǎng)度、部件料厚、焊點(diǎn)數(shù)量等措施來(lái)解決。

本文對(duì)相關(guān)鉸接點(diǎn)位置的剛度提升主要是通過(guò)增加加強(qiáng)件來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體方案及效果如表1所示。

表1 鉸接點(diǎn)剛度提升位置及效果

3.2.1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行充分的空間校核，避免與鄰近的內(nèi)襯、儀表臺(tái)等車身內(nèi)飾和底盤(pán)零部件及管線的干涉，按照相關(guān)的校核標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)留合理的設(shè)計(jì)間隙。在滿足沖壓和裝焊工藝的情況下，應(yīng)盡可能的提高加強(qiáng)件的剛度和連接強(qiáng)度。

對(duì)于白車身產(chǎn)品的局部改進(jìn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮現(xiàn)有裝焊生產(chǎn)線布局，設(shè)計(jì)方案應(yīng)能保證多車型的共線生產(chǎn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)、工藝方案對(duì)工裝設(shè)備的改造應(yīng)盡可能小，以免造成不必要的投資。經(jīng)工藝分析，本產(chǎn)品裝焊方案的實(shí)施與現(xiàn)有平臺(tái)車型共用，無(wú)需考慮生產(chǎn)場(chǎng)地。

3.2.2局部剛度提升

白車身局部剛度提升主要是提升安裝部位和板殼件剛度。

3.2.2.1 安裝部位剛度提升

白車身安裝部位的剛度提升可以通過(guò)增加材料厚度、增加加強(qiáng)板、改變斷面形狀等方式來(lái)提升。

本文對(duì)于地板前懸置安裝部位的剛度提升是通過(guò)增加加強(qiáng)板的料厚來(lái)實(shí)現(xiàn)，適用于本次白車身二次小改進(jìn)。

3.2.2.2 板殼件剛度提升

白車身板件剛度的提升有以下途徑：

a.曲面造型、增加造型特征線，有利于材料的冷作硬化，對(duì)提升剛度有利；

b.增加零件的厚度；

c.在板殼件上沖壓出各種形狀的加強(qiáng)筋；

e.對(duì)于造型限制特征線、加強(qiáng)筋的板殼件，可以在其內(nèi)部粘貼補(bǔ)強(qiáng)板等措施提升剛度。

本文對(duì)于A柱內(nèi)外板等板殼件剛度的提升，是通過(guò)材料替換，將原材料的厚度增加，同時(shí)牌號(hào)升級(jí)為高強(qiáng)度鋼板。

3.2.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

對(duì)于鈑金零件材料厚度、牌號(hào)的升級(jí)，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮材料性能，保證替換的材料在理化性能上可以滿足部件的功能需求。比如側(cè)圍外板等覆蓋件，要求材料具有高的表面質(zhì)量、一定的抗凹性、耐腐蝕性和良好的著漆性等；地板縱梁加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)件，要求材料具有良好的成形性、可焊性和耐腐蝕性等。

車身鈑金零件的材料升級(jí)，在設(shè)計(jì)階段還應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的沖壓工藝可行性分析，主要從兩方面展開(kāi)：一是模具強(qiáng)度校核、參數(shù)計(jì)算；二是沖壓缺陷預(yù)測(cè)。需要強(qiáng)調(diào)的是，材料升級(jí)的鈑金沖壓成型數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際存在一定的誤差，這種誤差是由模具的使用時(shí)間、維護(hù)保養(yǎng)水平和材料的時(shí)效性引起。因此，車身鈑金零件的材料升級(jí)工藝性及周期需根據(jù)實(shí)際試模情況最終確定。

4 CAE計(jì)算

4.1 彎曲剛度

4.1.1分析工況

約束：約束左前懸置123自由度，約束右前懸置13自由度，約束后懸置3自由度；

加載：

工況1：在司機(jī)和副司機(jī)座椅分別施加-Z向的力；

工況2：在主副座椅腳踏位置分別施加-Z向的力；

工況3：在主副座椅中間施加-Z向的力。

圖4 白車身彎曲剛度計(jì)算約束和加載示意圖

4.1.2分析結(jié)果

由CAE計(jì)算結(jié)果得出：白車身工況一、二、三下的彎曲剛度分別提升12%、10%、15%，效果明顯。

圖5 彎曲工況一Z向位移云圖

圖6 彎曲工況二Z向位移云圖

圖7 彎曲工況三Z向位移云圖

4.2 扭轉(zhuǎn)剛度

4.2.1分析工況

約束：約束右前懸置23自由度，約束右后懸置123自由度約束左后懸置13自由度；

加載：在左前懸置施加Z向集中力。

圖8 白車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算約束和加載示意圖

4.2.2分析結(jié)果

圖9 扭轉(zhuǎn)工況Z向位移云圖

由CAE計(jì)算結(jié)果得出：白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升16%，效果明顯。

5 結(jié)論

本文的研究對(duì)象為某商用車白車身，整車針對(duì)礦坑運(yùn)輸自卸車市場(chǎng)，工況惡劣。本文在需求和競(jìng)爭(zhēng)力分析的基礎(chǔ)上，理論聯(lián)合實(shí)際，提出該工況下的白車身靜剛度解決方案，經(jīng)CAE仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)分析的合理性和方案改進(jìn)的有效性。

（1）首先從理論上闡述了白車身靜剛度的構(gòu)成及影響、靜剛度提升的方向和方法，得出本次提升的策略：白車身靜剛度的提升從整體和局部剛度兩方面展開(kāi)。

（2）采用對(duì)標(biāo)及試驗(yàn)問(wèn)題搜集的方法，對(duì)目標(biāo)白車身進(jìn)行方案分析，識(shí)別靜剛度提升點(diǎn)，得出基于產(chǎn)品性能和競(jìng)爭(zhēng)力提升的需求，進(jìn)一步提升白車身靜剛度。

（3）整體剛度的提升主要通過(guò)白車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于白車身結(jié)構(gòu)而言，剛度研究的重點(diǎn)是構(gòu)件。在研究對(duì)象已確定的情況下，應(yīng)從構(gòu)件的幾何形狀變更來(lái)改進(jìn)白車身結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高白車身的整體剛度。幾何形狀對(duì)白車身剛度的影響主要表現(xiàn)在截面剛度、接頭剛度。

（4）局部剛度提升主要是提升安裝部位和板殼件剛度。白車身安裝部位的剛度提升可以通過(guò)增加材料厚度、增加加強(qiáng)板、改變斷面形狀等方式來(lái)提升。板殼件剛度提升有以下方法：

a.曲面造型、增加造型特征線，有利于材料的冷作硬化，對(duì)提升剛度有利；

b.增加零件的厚度；

c.在板殼件上沖壓出各種形狀的加強(qiáng)筋；

e.對(duì)于造型限制特征線、加強(qiáng)筋的板殼件，可以在其內(nèi)部粘貼補(bǔ)強(qiáng)板等措施提升剛度。

本文結(jié)合具體的工程應(yīng)用實(shí)例，對(duì)商用白車身靜剛度的提升理論、方向、方法提出了自己的見(jiàn)解和工程設(shè)計(jì)思路，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。正向開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)白車身剛度分布評(píng)價(jià)、截面剛度計(jì)算、接頭剛度計(jì)算等理論和方法研究及應(yīng)用仍需繼續(xù)努力。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì).[M]清華大學(xué)出版社.2001.7要求著錄.

[2] 黃天澤.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.2011.2要求著錄.

Optimization design of static stiffness of a commercial vehicle body

Deng Chunyang, Li Dongxu, Yang Shupeng, Zhao Jinquan, Zhang Li

（Bao Neng Motor Co., Ltd, Shaanxi Xian 712000）

This paper starts with the composition and influence of the static stiffness of the White vehicle, the direction of improvement and the method of lifting, and determines the strategy of improving the static stiffness of the commercial vehicle. The formulation and implementation of the overall stiffness enhancement strategy of the white body are discussed in detail from the aspects of section stiffness enhancement, joint stiffness enhancement, and structure design. At the same time, the part stiffness of the white body is improved from the aspects of the mounting part and the plate stiffness of the plate shell parts, and the process of designing and implementing the material upgrade plan from the aspects of function and performance, technology and workmanship is discussed. Finally, the simulation of bending stiffness and torsion stiffness of the body is carried out by CAE auxiliary means, which verifies the rationality of the design analysis and the effectiveness of the improvement of the scheme.

body-in-white; Static stiffness; Working condition; Structure design; CAE

B

1671-7988(2018)24-160-04

U462

B

1671-7988(2018)24-160-04

U462

鄧春陽(yáng)，就職于寶能汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.057