白車身剛度試驗與仿真分析研究

徐余平，蘆偉，張艷玲，李偉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

現(xiàn)階段大多數(shù)乘用車采用承載式車身結(jié)構(gòu)。車身作為底盤等附件的安裝基礎(chǔ)，在行駛中承受著各種路況帶來的交變載荷，因此車身結(jié)構(gòu)的剛度性能至關(guān)重要。低剛度會導(dǎo)致車身明顯變形，引起門窗內(nèi)飾損壞，車鎖變形卡死等問題[1]。

本文對某款 MPV白車身進(jìn)行了彎曲扭轉(zhuǎn)剛度試驗測試以及CAE仿真分析，通過兩種途徑來獲取靜剛度性能，并探究仿真與試驗之間的關(guān)聯(lián)與差異，驗證仿真是否可以提供有效直接的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為整車設(shè)計改進(jìn)提供依據(jù)。

1 白車身靜剛度試驗測試

1.1 測試設(shè)備

在白車身剛度試驗臺上進(jìn)行白車身彎曲扭轉(zhuǎn)剛度測試，利用固定裝置（T型槽地板、固定柱和夾具）以及加載裝置（加載電動機、橫桿梁和拉桿）對白車身進(jìn)行固定和試驗加載，通過位移傳感器，力傳感器獲取試驗加載條件下車身部位的變形量，從而計算得到白車身的彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度值。

1.2 試驗方案

1.2.1 邊界條件

在白車身前懸架與支撐盤之間通過螺栓剛性連接，在支撐盤與支撐架之間通過球鉸鏈連接，后懸架要進(jìn)行完全約束如圖1所示：

圖1 前后懸架約束形式

1.2.2 傳感器布置位置

試驗測點位置的選取應(yīng)在能夠體現(xiàn)車身整體剛度的位置：前后縱梁，門檻梁等關(guān)鍵地方[2]。測點布置示意圖如圖2所示。

圖2 位移傳感器布置

1.2.3 扭轉(zhuǎn)剛度試驗

在扭轉(zhuǎn)剛度試驗中分為左加載與右加載兩種情況，試驗載荷在白車身前懸架塔形支撐處進(jìn)行施加扭矩。

（1）預(yù)加載：為消除約束位置部件與夾具之間的安裝間隙影響[3]，試驗正式進(jìn)行前，預(yù)加載一半的扭轉(zhuǎn)載荷，即2000N·m。

（2）試驗過程：預(yù)載后，測試設(shè)備數(shù)據(jù)歸零，在車身前部左側(cè)施加扭轉(zhuǎn)載荷4000N·m，按1000N·m步長逐級加載，加載位置如圖3所示；第一次試驗結(jié)束后，卸載，將設(shè)備數(shù)據(jù)清零，重復(fù)第一次試驗步驟，進(jìn)行第2、3次試驗。

圖4 右扭轉(zhuǎn)加載

圖3 左扭轉(zhuǎn)加載

（3）試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果：通過位移傳感器獲取相應(yīng)測點位置在加載過程中的變形量，然后求取三次試驗結(jié)果的平均值。

表1 相對扭轉(zhuǎn)角/°

圖5 左扭轉(zhuǎn)剛度擬合曲線

計算左、右扭轉(zhuǎn)最大的相對扭轉(zhuǎn)角，如表1所示，并由各載荷下相對扭轉(zhuǎn)角擬合白車身扭轉(zhuǎn)剛度，如圖5所示。

剛度擬合結(jié)果為左扭轉(zhuǎn)19618Nm/°，右扭轉(zhuǎn)18930Nm/°，平均扭轉(zhuǎn)剛度Kt=19274Nm/°

1.2.4 彎曲剛度試驗

彎曲扭轉(zhuǎn)試驗步驟與扭轉(zhuǎn)工況一樣：在車身左右門檻梁1/3處上方位置各施加載荷4000N，按1000N步長階梯加載，如圖6所示。

圖6 彎曲剛度加載

三次試驗結(jié)果取平均值，根據(jù)最大變形量擬合白車身彎曲剛度，如圖7所示。白車身彎曲剛度Kb=14682N/mm。

圖7 彎曲剛度曲線

2 白車身剛度有限元仿真分析

2.1 白車身有限元建模

白車身主要由鈑金沖壓件通過焊接而成，在有限元建模軟件中由殼單元四邊形Cquad4和三角形Ctria3來模擬車身結(jié)構(gòu)，單元基本尺寸為8mm×8mm。建模過程主要包括幾何清理、網(wǎng)格劃分、連接單元創(chuàng)建、模型檢查等內(nèi)容。

2.2 邊界條件

圖8 左扭轉(zhuǎn)分析模型

參照剛度試驗情況，對有限元模型施加等效一致的約束條件及載荷[4,5]。本文在前懸架、后減振器安裝處利用RBE2單元模擬塔形支撐，扭轉(zhuǎn)工況下，在前懸架下方 800mm處正中心位置約束自由度 12356，在后減震器塔包支撐處約束自由度123；彎曲工況下，在前懸塔包處約束自由度23，在后減震器塔包處約束自由度123。

3 試驗與仿真研究對比分析

由于白車身結(jié)構(gòu)基本左右對稱，因此只對白車身的彎曲、左扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行對比分析。其彎曲工況仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 彎曲變形仿真云圖

在仿真結(jié)果中提取相應(yīng)的測點位移值，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

表2 扭轉(zhuǎn)角

扭轉(zhuǎn)剛度可根據(jù)車身載荷與前后懸的相對扭轉(zhuǎn)角的比值衡量，計算式為：Kt=T/θ。由表2得仿真分析扭轉(zhuǎn)剛度：Kt=4000Nm/（0.2369°-0.0124°）=17817Nm/°。

同理可得彎曲工況下測點最大位移值0.535mm。彎曲剛度可由車身載荷與最大彎曲撓度的比值來衡量[6]，即：Kb=F/Zmax=8000N/0.535mm=14953N/mm。統(tǒng)計試驗與仿真結(jié)果對比見表3。

表3 白車身彎扭剛度試驗與仿真對比

可知：扭轉(zhuǎn)剛度對比誤差為 7.56%，彎曲剛度對比誤差為1.85%，仿真精度達(dá)到90%以上。

4 結(jié)語

白車身靜剛度是整車的基礎(chǔ)性能之一，在剛度試驗臺上對該白車身進(jìn)行彎扭剛度試驗，并與有限元仿真分析相對比，確定該 MPV車身結(jié)構(gòu)的剛度特性，并探究靜剛度試驗與仿真分析之間的關(guān)系，對比表明：扭轉(zhuǎn)剛度在仿真分析與試驗測試間相差 7.56%，彎曲剛度相差 1.85%，仿真精度兩者均在90%以上，差異較小，反映出該白車身有限元模型搭建基本準(zhǔn)確，分析結(jié)果可供設(shè)計參考，也為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供基礎(chǔ)，從而縮短研發(fā)周期，節(jié)約成本，提升企業(yè)產(chǎn)品市場競爭力。