白車身關(guān)鍵接頭截面幾何域載荷分布研究

馬書坤 賢慧

摘 要：為了研究耐久路面工況下白車身關(guān)鍵接頭截面上各個(gè)零件的真實(shí)受力分布情況，本文提出了一種白車身關(guān)鍵接頭截面幾何域載荷分布研究。通過多體動力學(xué)載荷分解方法得到真實(shí)的耐久路面工況，在此工況下結(jié)合截面幾何域的建立方法和有限元準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算方法得到白車身關(guān)鍵接頭截面在幾何域的載荷分布情況，并驗(yàn)證得到的接頭截面幾何域載荷的一致性。本研究為車身設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了量化載荷的指導(dǎo)，對更好的進(jìn)行汽車車身設(shè)計(jì)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：白車身 截面幾何域 多體動力學(xué) 有限元分析

1 引言

汽車白車身接頭的關(guān)鍵截面設(shè)計(jì)是汽車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，車身整體布置和外型尺寸往往受到車型定位和造型的限制，改動余地較小;而車身關(guān)鍵接頭截面和接頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)余地較大，合理設(shè)計(jì)車身關(guān)鍵截面和接頭對整個(gè)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1-3]。目前行業(yè)內(nèi)對于白車身接頭截面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)對標(biāo)車或者基型車的截面形狀，在此基礎(chǔ)上采用一定的優(yōu)化手段進(jìn)行改良，但是對于為什么要設(shè)計(jì)成這種截面、這種截面具體受力形式如何、最終的效果如何，在前期不能準(zhǔn)確的了解掌握，只能等到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行分析優(yōu)化，但是在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段車身結(jié)構(gòu)基本已經(jīng)定型，只能進(jìn)行局部細(xì)節(jié)的改良，而且后期的結(jié)構(gòu)改動需要付出比較大的代價(jià)[3-6]。

為了提高前期研發(fā)階段車身設(shè)計(jì)質(zhì)量，在概念設(shè)計(jì)的時(shí)候能夠得到最好的截面形狀與截面特性、減少樣車試驗(yàn)階段反復(fù)修改工作、縮短響應(yīng)的研發(fā)周期，汽車設(shè)計(jì)工程師付出了辛勤的工作與大量精力，希望能夠在設(shè)計(jì)的前期設(shè)計(jì)出能夠有利于性能設(shè)計(jì)的接頭截面[6]。但是目前研究的主要方向在于接頭截面的形狀對不同性能的影響或者是不同接頭形狀截面對截面合力的影響，對于單獨(dú)一個(gè)接頭截面各個(gè)零件具體的受力分布情況相關(guān)方面的研究較少[3]。目前國內(nèi)各大汽車道路試驗(yàn)場中，白車身對疲勞耐久路面的受力工況比較敏感，所以本文主要研究在典型耐久扭曲工況載荷情況下白車身關(guān)鍵接頭截面各零件基于幾何域載荷分布情況，得到耐久疲勞路面工況下基于幾何域的白車身關(guān)鍵接頭截面載荷分布情況，了解接頭截面各個(gè)零部件的受力分布情況，使工程師對接頭截面載荷分布的認(rèn)識從定性了解轉(zhuǎn)變?yōu)槎康恼J(rèn)識，能夠更好的優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，對白車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有十分重要的價(jià)值[3，4]。

2 基于多體動力學(xué)的耐久扭曲路面工況硬點(diǎn)載荷分解

本文選取了某品牌汽車的一款車型作為研究目標(biāo)，該車型的前懸為麥弗遜懸架，屬于常用懸架類型。后懸為縱置鋼板彈簧懸架，該類型懸架既有彈簧裝置的功能，同時(shí)又具有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的功能，如圖1所示。

建立了基于Adams的前后懸架多體動力學(xué)模型后，根據(jù)真實(shí)的K&C測試數(shù)據(jù)對搭建的Adams前后懸架多體動力學(xué)模型的K&C進(jìn)行動力學(xué)對標(biāo)分析，保證模型K&C的對比精度，保證多體模型可以進(jìn)行準(zhǔn)確的多體動力學(xué)載荷分解[3，7，8]。將某整車試驗(yàn)場典型耐久扭曲路面下疲勞分析工況作為載荷輸入，結(jié)合多體動力學(xué)載荷分解方法，計(jì)算得到該工況下車身與底盤連接的各個(gè)硬點(diǎn)位置的準(zhǔn)確載荷分布數(shù)據(jù)，將整車硬點(diǎn)載荷數(shù)據(jù)加載到整車簧上有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析獲取車身關(guān)鍵界面位置的載荷。

3 白車身關(guān)鍵截面的幾何域建立

為了準(zhǔn)確描述關(guān)鍵界面位置的載荷，選擇車身關(guān)鍵截面，根據(jù)截面形式進(jìn)行截面幾何域的建立，利用幾何域載荷的形式進(jìn)行截面真實(shí)受力的表現(xiàn)。

2.1 關(guān)鍵截面的選取

根據(jù)耐久扭曲路面工況載荷形式及車身變形的方式，選取D柱上接頭的3個(gè)截面作為本次研究分析對象，如圖2所示。

截面T11C、T02E、T03C的幾何外形如圖3、圖4、圖5所示。

2.2 截面幾何域建立

現(xiàn)實(shí)中白車身的接頭截面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在XYZ三個(gè)方向上受力形式多樣，所以一般的二維X、Y坐標(biāo)系無法準(zhǔn)確的描述白車身接頭截面某一零件的載荷分布情況。為了準(zhǔn)確清晰的把白車身關(guān)鍵接頭截面各個(gè)零部件的受力載荷分布情況表達(dá)出來，本文引入幾何域的概念。

幾何域：根據(jù)組成截面零件的幾何形狀，沿著幾何形狀的輪廓其在其長度方向上建立一個(gè)一維的坐標(biāo)軸，按照一定的標(biāo)尺建立度量基準(zhǔn)，這樣就對組成截面的每個(gè)零件建立了一個(gè)幾何域的坐標(biāo)，同樣也可以對組成截面的所有零件建立一個(gè)整體的幾何域坐標(biāo)[3]。

本文以10mm為標(biāo)尺度量基準(zhǔn)，建立T11C截面、T02E截面、T03C截面上各個(gè)零件基于幾何域的坐標(biāo)，如圖6、圖7、圖8所示。在同一輪廓線上的兩個(gè)零件的基于幾何域的坐標(biāo)采用連續(xù)的表達(dá)方式。

4 白車身關(guān)鍵接頭截面幾何域載荷分布分析

將第一節(jié)表2中求解的白車身與底盤相連接位置的硬點(diǎn)載荷作為整車FE模型的載荷輸入，加載到模型的對應(yīng)硬點(diǎn)位置上，通過對白車身FE模型的慣性釋放來進(jìn)行有限元準(zhǔn)靜態(tài)分析計(jì)算，得到上述三個(gè)接頭截面的幾何域載荷分布情況。

在耐久扭曲路面工況下，截面T11C基于幾何域各坐標(biāo)點(diǎn)的A零件和B-C零件的截面節(jié)點(diǎn)力分布情況分別如圖9、圖10所示。

截面T02E基于幾何域各坐標(biāo)點(diǎn)的A零件和C零件的截面節(jié)點(diǎn)力分布情況分別如圖11、圖12所示。

截面T03C中基于幾何域各坐標(biāo)點(diǎn)的D零件、E零件、F零件的截面節(jié)點(diǎn)力分布情況分別如圖13、圖14、圖15所示。

通過上述3個(gè)截面各個(gè)零件在耐久扭曲路面工況下基于幾何域的載荷力分布情況，分析得出：

（1）截面T11C主要承受Z向載荷力，截面T02E主要承受X向載荷力，截面T03C主要承受Y向載荷力。通過截面幾何域的載荷分布結(jié)果，可以精確的得到接頭截面各零件的受力分布形式。（2）如圖16所示，截面T11C的主要受力區(qū)域?yàn)镚區(qū)域，且承受主要載荷的零件為B零件，因此在接頭截面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該更多的加強(qiáng)該區(qū)域，同時(shí)輕量化其他零部件。（3）同一截面上各個(gè)零部件之間的受力分布情況不完全一致，不是傳統(tǒng)認(rèn)知上的接頭截面各個(gè)零件受力形式一致。這同時(shí)也說明接頭截面的幾何中心和截面幾何域的載荷受力中心不在同一點(diǎn)上，相互之間存在一定的距離。（4）通過截面T03C的各個(gè)零部件基于幾何域受力分布情況可以看出，以D、E零件組成的腔體沒有起到應(yīng)有的主要傳力路徑的作用，反而不該承受較大載荷的F零件承受了較大的力。（5）在扭曲路面工況下的接頭截面在幾何域的受力分布，主要表現(xiàn)為三個(gè)方向上的彎曲變形。

上述結(jié)論表明了白車身關(guān)鍵接頭截面幾何域載荷分布研究對整個(gè)車身結(jié)構(gòu)的疲勞、強(qiáng)度、模態(tài)、剛度、NVH、輕量化等性能的提升具有重大意義。

5 白車身關(guān)鍵接頭截面幾何域載荷分布驗(yàn)證

選取上述3組截面圍成的D柱上接頭作為研究對象，采用接頭截面幾何域的建立方式建立基于有限元的子系統(tǒng)網(wǎng)格模型[3]，并將第3節(jié)中求解的三個(gè)接頭截面的各個(gè)零件的幾何域載荷施加在接頭子系統(tǒng)的有限元模型上，詳細(xì)如圖17所示。

利用Nastran求解器在慣性釋放的基礎(chǔ)上，對接頭子系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到該模型的整體應(yīng)力強(qiáng)度狀態(tài)，結(jié)果如圖18所示。

如圖19所示，將表2提取的耐久扭曲路面工況下的車身與底盤連接的各個(gè)硬點(diǎn)位置的準(zhǔn)確載荷分布數(shù)據(jù)，施加到白車身整車有限元模型的相對應(yīng)硬點(diǎn)位置上。

利用Nastran求解器在慣性釋放的基礎(chǔ)上對白車身整車有限元模型進(jìn)行有限元靜力學(xué)應(yīng)力分析，得到白車身整車的應(yīng)力強(qiáng)度分析結(jié)果。在整車應(yīng)力強(qiáng)度分析中，對應(yīng)的D柱上接頭位置的應(yīng)力強(qiáng)度分布結(jié)果如圖20所示。

根據(jù)圖18、圖20的應(yīng)力分析結(jié)果可知，基于幾何域截面載荷的接頭截面子系統(tǒng)有限元模型的應(yīng)力分布與整車有限元模型中對應(yīng)位置的接頭應(yīng)力分布情況一致，應(yīng)力分析結(jié)果的偏差在5%以內(nèi)，一致性較好，充分的證明了基于截面幾何域方法得到的接頭截面零部件的受力分布情況的準(zhǔn)確性和有效性，完全可以滿足對白車身關(guān)鍵接頭截面上各個(gè)零件的真實(shí)受力分布情況的研究。

6 結(jié)語

本文主要研究了白車身關(guān)鍵接頭截面各個(gè)零部件的載荷分布情況，提出了一種截面幾何域的建立方法，通過這種方法，準(zhǔn)確、清晰的表達(dá)了白車身接頭截面上各個(gè)零件的受力狀態(tài)，完成了對接頭截面各個(gè)零部件載荷分布形式的認(rèn)知從定性分析到定量分析的轉(zhuǎn)變，能更好的指導(dǎo)白車身接頭的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)。通過接頭子系統(tǒng)和整車對應(yīng)位置上的應(yīng)力分析對比，證明了該方法得到的接頭截面載荷分布的準(zhǔn)確性和有效性。該研究對整個(gè)車身結(jié)構(gòu)的疲勞、強(qiáng)度、模態(tài)、剛度、NVH、輕量化等性能的提升具有重大意義，具有較大的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。

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