轎車車身靜態(tài)扭轉剛度及彎曲剛度試驗與計算

孫宇 泰州勁松股份有限公司

1、 前言

剛度是指汽車車身恢復原形的彈性變形能力，是汽車車身設計的重要指標之一，剛性強度好的汽車，在行駛過程中普通的外力產(chǎn)生的形變程度很小，相反，在不平路面上行駛的汽車發(fā)出嘎吱嘎吱的響聲，說明這類汽車的剛度較差。白車身剛度主要用于車輛設計可靠性和整車安全性能的評價，汽車整車開發(fā)與設計過程中，必須對白車身扭轉剛度和彎曲剛度進行合理分析；汽車的整個車身是靠“閉合型腔”支撐，車身結構主端面的幾何性質決定著白車身剛度，實踐表明，靜態(tài)剛度試驗中能夠暴露汽車白車身設計的問題隱患，有助于白車身設計的改進。車身剛度包含靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度兩種，彎曲剛度、扭轉剛度、開口變形是衡量車身靜態(tài)剛度的三種指標；車身前后的變形量用于衡量彎曲剛度，前后風窗洞口和側門的對角線變化量、車身鎖位及車身扭轉角等用于衡量扭轉剛度，車身受到扭轉載荷后車身開口部分對角線的變化量用于衡量開口變形。

2、 白車身的扭轉剛度的測量

扭轉剛度主要表現(xiàn)于行駛于不平路面上當汽車車輪不同時碰撞到障礙物時，車身上作用有非對稱垂直載荷，結構處于扭轉工況。此時車身所受左右垂直載荷不等，將使其產(chǎn)生扭轉變形。當今時代的乘坐用汽車，對靜態(tài)抗扭剛度一般要求達到4，000 ～ 9，000 Nm/deg 范圍內(nèi)，高性能車要求更高的數(shù)值，一般在內(nèi)15，000 30，000 N m/deg。這就意味著在駕乘中縱使是駛過復雜路面也不會產(chǎn)生令人不快的動態(tài)反應，如車身下沉和側傾等。極限扭轉工況是車身骨架的開口變形最為劇烈的一種情況。門是乘客上下的地方，其開口變形的大小決定了緊急情況下中門能否開啟，對緊急情況下的逃生有著重要的意義。

2.1 扭轉剛度約束情況分析

分別約束兩前懸支點的三個平動自由度UX、UY、UZ，釋放三個轉動自由度ROTX、ROTY、ROTZ；同時相對于兩前懸連接的中心點，能夠在YZ 平面內(nèi)自由轉動。同樣，分別分別約束兩后懸支點的三個平動自由度UX、UY、UZ，釋放三個轉動自由度ROTX、ROTY、ROTZ。但相對于基準面，后懸節(jié)點下方的UZ 方向自由度應該是被約束住的。

2.2 扭轉剛度的測點分布

扭轉剛度的測點最重要的為前懸與后懸四個測點，因為這些測點的數(shù)據(jù)將直接反映在剛度里。但是這些測點數(shù)據(jù)是否準確，還是需要通過沿著車身前縱梁，門檻梁以及后縱梁各個測點的趨勢來保證的。一般來說上述曲線應該有比較好的線性，但門檻梁上的第一個測點一般都是位移量較大的點。

2.3 扭轉剛度的計算

對于轎車車身的空間結構，以車身平面為相對基準面，常用的扭轉角為前后懸的相對扭轉角。此相對扭轉角與CAE 分析的扭轉角又稍有不同，在CAE 的分析過程中，后懸位移基本位零。而在實際試驗過程中，由于車身與試驗夾具的間隙，以及車身在制造過程中本身的間隙，此位移是不能忽略的。并且此位移是相當重要的，通過分析此點的位移，來及時發(fā)現(xiàn)試驗中的各種偶然情況，增加數(shù)據(jù)的可信性。

圖1 車身扭轉角示意圖

在實際計算的過程中，一般會計算兩個剛度值，一個是按照上述方法，將后懸的實際扭轉角考慮進去，因為此位移在實際測量中，因為空間限制，傳感器的安裝有時會有一定偏差。所以，一般會將后懸位移按照理想情況為零，再計算一個剛度。實際剛度即在兩者剛度之間。通過多次與CAE 算法的對比，偏差上下不超過10%，證明這種剛度區(qū)間的算法，還是比較科學有效的。a

2.4 洞口變形

在測量過程中，應將車型分類加以區(qū)分，一般轎車劃分為兩廂，三廂和兩廂。一般試驗的過程中，三廂車一般帶有前檔玻璃和后檔玻璃，所以整個洞口的布點即為門上的10 個測點。而一般兩廂車，后檔玻璃基本都裝在尾門上，所以一般兩廂車除了門上的20 個測點，還會另外加上尾門洞口的三個測點?；旧线@些洞口的位移直接都能測量得到，不需要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，能比較明顯的發(fā)現(xiàn)問題。

3、 白車身彎曲剛度的測量與計算

一般來說，白車身的扭轉剛度決定白車身的彎曲剛度，扭轉剛度好的白車身，彎曲剛度也不會差。但通過加載設定載荷，得到車身地板相對于施力點的撓度，并通過比較擬合，可以最終選定一個相對最佳的撓度擬合多項式，代表白車身剛度的分布狀況，為車身結構的優(yōu)化提供良好的基礎。

3.1 彎曲剛度的約束情況分析

分別約束兩前懸支點的三個平動自由度UX、UY、UZ，釋放三個轉動自由度ROTX、ROTY、ROTZ；同樣，分別分別約束兩后懸支點的三個平動自由度UX、UY、UZ，釋放三個轉動自由度ROTX、ROTY、ROTZ。但相對于基準面，前后懸節(jié)點下方的UZ 方向自由度應該是被約束住的。

3.2 彎曲工況的測點分布

扭轉剛度的加載一般分為兩種工況。中部座椅處的加載以及尾部行李廂處的加載，相對于兩種不同工況的加載，測點的重點也需要做出調整。對于第一種工況，門檻梁的測點以及座椅安裝點處中央通道的測點，重要性不言而喻。而對于第二種工況，尾部縱梁處的位移也就相對比較重要了。

3.3 彎曲剛度的計算

當車身上作用有對稱垂直載荷時，結構處于彎曲工況，車身底架的最大垂直撓度是評價整車彎曲剛度的重要指標，將車身整體簡化為一根具有均勻彎曲剛度的簡支梁，在梁相對位置加集中載荷，就可得到近似車身簡支梁的彎曲剛度與垂直撓度的關系；中部加載的彎曲工況，存在門檻橫梁的測點位移和座椅安裝點的測點位移兩大類，一般來說，門檻橫梁的位移要小，計算剛度會偏大；在車身的剛度計算中兩種方法效果都是等同的，在比較時存在一定的不同。

例如，用A 車的門檻橫梁位移計算的剛度去比較B 車座椅安裝點的剛度，明顯是不科學的，在比較之前，先把測點的選取弄清楚；彎曲剛度的計算：EI=F/d（彎曲剛度EI、所加載力F、平均位移d）

利用以上的實驗及計算方法，車身剛度基本都能正確的反映出來。在汽車的設計中，也并非剛度越高越好。在考慮車身剛度的同時，要衡量吸能安全性的要求。

4、 結束語

通過以上對扭轉和彎曲剛度試驗及計算的分析，我們基本能在設計最初及時發(fā)現(xiàn)問題，并通過與CAE 的對標，逐步互相提高，逐步改善。最終的目的，是希望能通過計算機的計算來替代物理實驗。以為后續(xù)車型的改進與研發(fā)，縮短周期，減少費用。但物理實驗畢竟不同于CAE 分析，在實驗過程中，存在比較多的偶然性，各個車型在最初的制造中也可能存在一定的缺陷。所以要作到完全替代，還需大家的共同努力與不懈的探索。