基于白車身扭轉(zhuǎn)剛度的板厚靈敏度分析

田佩，華睿

基于白車身扭轉(zhuǎn)剛度的板厚靈敏度分析

田佩，華睿

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要介紹了一種白車身扭轉(zhuǎn)剛度的板厚靈敏度分析的方法，用于分析白車身扭轉(zhuǎn)剛度工況下整體扭轉(zhuǎn)角相對零件單位厚度質(zhì)量的變化量，即計算設(shè)計變量△d相對零件單位厚度質(zhì)量△m的變化量，稱為扭轉(zhuǎn)角相對靈敏度，通過對相對靈敏度結(jié)果進(jìn)行排序，結(jié)合實(shí)際工程約束條件，為提升扭轉(zhuǎn)剛度性能或輕量化設(shè)計提供較合理的厚度分配方案。

白車身剛度；CAE；厚度靈敏度

引言

白車身的剛度是整車設(shè)計的一個重要指標(biāo)，它決定了車輛在外力作用下抵抗變形的能力。白車身剛度與整車的NVH性能及操縱性，耐久性等均有一定的關(guān)聯(lián)。通常我們主要關(guān)注兩個車身剛度指標(biāo)，即扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲剛度。如何在一定的成本及重量控制下盡可能提升白車身剛度是目前各車企研究的方向，本文主要通過一種研究車身板件厚度靈敏度的方法為車身剛度提升提供合理的厚度設(shè)計參考。

1 術(shù)語、定義及名詞解釋

白車身BIW：Body in White，僅經(jīng)過車身總拼，即通過焊接、鉚接、粘膠等工藝連接而成，而未經(jīng)過涂裝、裝配底盤、車門和玻璃等的車身，本分析除白車身外還包括前檔玻璃。

剛度：抵抗變形的能力，是載荷與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力。

靈敏度分析：研究與分析一個模型的狀態(tài)或輸出變化對系統(tǒng)參數(shù)或周圍條件的敏感程度。本流程中可簡單說成：設(shè)計變量（厚度）在約束條件下發(fā)生變化，某些參數(shù)（大梁測點(diǎn)位移量）的變化程度，或參數(shù)變化與零件相應(yīng)的質(zhì)量變化的比值。

2 基本要求

2.1 軟件要求

前處理：HyperMesh；求解器：OptiStruct；后處理：HyperView。

2.2 數(shù)據(jù)要求

白車身模型數(shù)據(jù)。

3 主要內(nèi)容

本流程包括邊界條件、靈敏度分析建模、提交計算和后處理四步驟。

3.1 邊界條件

加載：左右前懸中心位置加載垂向反對稱力（大小為前軸載荷的一半）；

約束：約束前保險杠中點(diǎn)的3自由度，分別約束后懸左、右支座123自由度和13自由度。

圖1 左右前懸中心位置加載垂向反對稱力

4.2 靈敏度分析建模

創(chuàng)建靈敏度分析變量、響應(yīng)、響應(yīng)約束、設(shè)計目標(biāo)及卡片參數(shù)等。

4.2.1 靈敏度分析變量的創(chuàng)建

在視圖工具欄，屬性模式顯示所有部件；進(jìn)入Compon -ent面板，將左右對稱的且厚度相同的兩個零件賦予同一個屬性；進(jìn)入Delete面板，依次刪除空的屬性和材料，進(jìn)入display，只顯示需要進(jìn)行靈敏度分析的零件（0D單元、1D單元、3D單元、非關(guān)鍵區(qū)域小板件除外）；進(jìn)入Renumber 面板，對需要進(jìn)行靈敏度分析的屬性ID重新由小到大排序（為方便后處理中的數(shù)據(jù)整理，建議由1開始排序），選擇需要進(jìn)行靈敏度分析的屬性（即當(dāng)前顯示的全部屬性）；進(jìn)入Tool面板，重新命名全部屬性，名稱前綴為字母，如：s，以ID號結(jié)尾；進(jìn)入Assemblies面板，創(chuàng)建新的assembly，選擇當(dāng)前顯示的所有comps；進(jìn)入Analysis面板，選擇當(dāng)前顯示的所有props，設(shè)置變量上下限參數(shù)；單擊create→return，靈敏度分析變量創(chuàng)建完成。

4.2.2 響應(yīng)的創(chuàng)建

創(chuàng)建位移響應(yīng)，即前、后懸對應(yīng)大梁測量點(diǎn)的Z向位移；創(chuàng)建函數(shù)響應(yīng)，大梁測量點(diǎn)位移的關(guān)系函數(shù)，即扭轉(zhuǎn)工況整體扭轉(zhuǎn)角：創(chuàng)建質(zhì)量響應(yīng)，約束模型整體應(yīng)變能，保證剛度。

（1）如下圖所示，創(chuàng)建扭轉(zhuǎn)角函數(shù)：

圖2 扭轉(zhuǎn)角函數(shù)

其中字母x1,x2代表前懸對應(yīng)左、右大梁測量點(diǎn)位移響應(yīng)，y1,y2代表后懸對應(yīng)左、右大梁測量點(diǎn)的位移響應(yīng)；數(shù)值906.942,991.204分別為前后懸對應(yīng)大梁測量點(diǎn)間Y向距離（在所分析的模型中量取得到）。

（2）創(chuàng)建函數(shù)響應(yīng)：選擇上一步創(chuàng)建的函數(shù)（這里創(chuàng)建的函數(shù)名稱為f）。

進(jìn)入edit面板，依次選擇函數(shù)f中x1,x2,y1,y2對應(yīng)的四個位移響應(yīng)，并選擇扭轉(zhuǎn)工況。

4.2.3 響應(yīng)約束的創(chuàng)建

進(jìn)入Analysis面板，創(chuàng)建響應(yīng)約束，設(shè)置變化范圍，即通過白車身剛度分析后處理得到，上限的絕對值應(yīng)小于初始值的絕對值，下限為零。

4.2.4 設(shè)計目標(biāo)的設(shè)置

以整體質(zhì)量最小為設(shè)計目標(biāo)。

4.2.5 優(yōu)化控制參數(shù)設(shè)置

對優(yōu)化過程及結(jié)果進(jìn)行控制。

參數(shù)定義：

4.2.6 卡片參數(shù)設(shè)置

進(jìn)入Analysis面板，設(shè)置卡片參數(shù)

卡片①：

卡片②：

卡片③：

圖3 卡片參數(shù)設(shè)置

卡片①用于優(yōu)化過程中取消模型網(wǎng)格質(zhì)量檢查，減少調(diào)試時間。

卡片②用于顯示優(yōu)化迭代輸出窗口，輸出設(shè)計變量，響應(yīng)，目標(biāo)函數(shù)的變化。

卡片③表示靈敏度分析。

4.3 提交運(yùn)算

將以上建模導(dǎo)出fem格式，提交求解器Optistruct進(jìn)行計算。

4.4 后處理

（1）計算完成后，啟動HyperView打開結(jié)果文件s*.h3d，查看位移云圖，對比初始模型計算結(jié)果。若云圖分布出現(xiàn)異常或與原模型結(jié)果差別較大，則需檢查分析變量、響應(yīng)、響應(yīng)約束等，找到原因，調(diào)試后提交計算，以得到合理的分析結(jié)果。

合理的分析結(jié)果的位移云圖：

圖4 位移云圖

（2）在計算文件存放路徑中，找到初次迭代生成的***.slk文件，用Excel打開，為了避免后續(xù)操作失誤，將ID所在列的數(shù)字部分刪除。

圖5 初次迭代數(shù)據(jù)

（3）在第M列列出△d/△m，然后將數(shù)據(jù)區(qū)域以M列為關(guān)鍵字，升序排序。

于是表中屬性相對靈敏度由高到低列出。

（4）添加slk表格中屬性的中文名稱或零件號。

打開計算模型文件，根據(jù)slk表格中屬性名稱數(shù)字（即屬性ID），找到賦予該屬性的零件：

圖6 操作示意

步驟③④使對應(yīng)的零件高亮顯示：

重復(fù)步驟③④，找到各屬性對應(yīng)的零件，在slk表中添加中文名稱：

圖7 slk表

根據(jù)靈敏度高低，確認(rèn)可實(shí)施方案。

5 總結(jié)

本文通過以上基于料厚的白車身扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析，可識別出最優(yōu)的白車身料厚分配，從而達(dá)成扭轉(zhuǎn)剛度性能及重量的綜合優(yōu)化，在滿足性能的前提下，可以實(shí)現(xiàn)最大化降低整車成本及整車重量，提高產(chǎn)品設(shè)計準(zhǔn)確性，指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)車身輕量化的設(shè)計工作。

[1] 黃金陵.汽車車身設(shè)計[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2008.

[2] 羅偉,周定路.白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析與優(yōu)化探討,2006.

[3] 王勖成.有限單元法[M].清華大學(xué)出版社.2003.

[4] 郭乙木,陶偉明.線性與非線性有限元及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2003.

Thickness Sensitivity Analysis Based on Torsional Stiffness of BIW

Tian Pei, Hua Rui

（Anhui Jianghuai Automotive Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

The paper mainly introduces a thickness sensitivity analysis method for the torsional stiffness of BIW, which is used to analyze the variation of the vehicle torsional angle relative to the unit thickness mass of parts under the condition of the torsional stiffness of BIW, that is, the design variable △d is calculated, and the change amount relative to the unit thickness mass △m of the part is called the torsion angle relative response, by sorting the relative response results and combining the actual engineering constraints, a more reasonable thickness distribution scheme is provided for improving torsional stiffness performance or lightweight design.

Stiffness of BIW; CAE; Thickness sensitivity

U463.82

A

1671-7988(2019)13-85-03

U463.82

A

1671-7988(2019)13-85-03

田佩，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.030