某工程車白車身剛度有限元分析

盧曉莉,陸美娟,錢波

(無錫中車新能源汽車有限公司，江蘇無錫 214177)

0 引言

車輛的白車身剛度在整個(gè)汽車的設(shè)計(jì)過程中是非常重要的參數(shù)，汽車的抗扭轉(zhuǎn)能力以及抗彎曲載荷的能力可以通過車輛的白車身剛度這個(gè)參數(shù)表示。汽車的白車身剛度能夠極大地影響汽車的舒適性能、安全性能、NVH等性能，所以在整車的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于汽車白車身的剛度分析是有必要的[1-2]。汽車的白車身剛度不足時(shí)，將導(dǎo)致車身變形量變大，影響車輛的安全性和舒適性。而較低的汽車白車身剛度，其固有頻率也較低，會(huì)使得汽車在行駛中更容易發(fā)生共振以及異響噪聲。另一方面，假如汽車白車身的剛度較大，就會(huì)讓整個(gè)汽車車身的質(zhì)量變大，這會(huì)使得汽車的油耗變大，同時(shí)也會(huì)降低汽車的動(dòng)力性能[3]。因此在設(shè)計(jì)過程中必須考慮車身的整體剛度和關(guān)鍵部位的變形。本文作者利用Hypemesh/Optistuct軟件，對(duì)工程車白車身進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況以及彎曲工況的應(yīng)變分析，得出了工程車白車身的Z向應(yīng)變分布，并計(jì)算出扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲剛度，為該工程車的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。

1 幾何模型和有限元模型

1.1 幾何模型

工程車車身的幾何模型是利用CATIA建立的CAD數(shù)模，為了減少有限元分析時(shí)的計(jì)算量，在建立有限元模型時(shí)應(yīng)當(dāng)簡化工程車的CATIA模型。簡化CATIA模型的方法有以下幾點(diǎn)：(1)車身上直徑小于6 mm的孔對(duì)于車身剛度的應(yīng)力應(yīng)變的影響較小，可以刪除。(2)減去車身的蒙皮，車身蒙皮對(duì)車身剛度的影響較小，可以忽略。(3)車身上的各種安裝孔、工藝孔等對(duì)于車身的截面特性的影響較小，應(yīng)進(jìn)行簡化。(4)去除車身上的各種功能件以及非承載的部件，因?yàn)檫@些部件對(duì)于車身剛度的影響也比較小。此外，簡化模型還應(yīng)當(dāng)忽略車身上用于裝配其他部件的螺釘、螺母、零件中的各種倒圓角，而某些對(duì)于汽車力學(xué)結(jié)構(gòu)和車身剛度影響較小的工藝結(jié)構(gòu)、沖壓筋以及非重要結(jié)構(gòu)的零件也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)簡化。最終的簡化模型應(yīng)當(dāng)與初始的設(shè)計(jì)保持相同的結(jié)構(gòu)特征[4]。

1.2 有限元模型

由于該工程車車身主要是由鈑金沖壓件經(jīng)過點(diǎn)焊焊接后制成的，因此車身的薄板鈑金結(jié)構(gòu)可以考慮用殼體單元來模擬。

在建立車身的有限元模型時(shí)，在Hypemesh軟件中導(dǎo)入工程車車身的CATIA簡化模型，再對(duì)導(dǎo)入的簡化模型進(jìn)行抽中面、幾何清理、劃分網(wǎng)格等步驟。網(wǎng)格的劃分以四邊形單元為主，選擇單元大小為10 mm[5]。在需要點(diǎn)焊的地方加上硬點(diǎn)，點(diǎn)焊焊點(diǎn)采用RBE2連接兩個(gè)硬點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)。選擇Q235鋼作為工程車車身的材料，Q235鋼的材料參數(shù)見表1。工程車的白車身有限元模型的信息見表2，其有限元模型圖如圖1所示。

表1 Q235材料參數(shù)

表2 白車身有限元模型信息

圖1 有限元模型圖

2 剛度分析

汽車車身的基本功能是安裝汽車的各零件，并保證各零件相對(duì)位置不變。汽車在平坦路面上勻速行駛的彎曲載荷和在崎嶇路面上低速行駛時(shí)的扭轉(zhuǎn)載荷是汽車在使用過程中常遇到的兩種工況載荷[2]，為避免車身在遇到以上工況時(shí)出現(xiàn)大變形，車身的剛度需要滿足一定的要求。

2.1 彎曲剛度分析

2.1.1 約束和載荷

對(duì)工程車的白車身進(jìn)行彎曲剛度的計(jì)算時(shí)，需要對(duì)白車身加載約束與載荷。約束為：在白車身前懸架和后懸架的固定座支撐點(diǎn)上約束其X、Y、Z向的平動(dòng)自由度。載荷為：在工程車中部的座椅安裝點(diǎn)處加載左右對(duì)稱的豎直向下的力，力的大小為F=2×10 000=20 000 N。白車身彎曲剛度計(jì)算分析的約束條件和載荷條件如圖2所示。

圖2 白車身彎曲剛度約束條件和載荷條件

2.1.2 彎曲剛度分析結(jié)果

利用Hyperworks軟件的Optistruct模塊對(duì)已加載約束條件和載荷條件的白車身有限元模型進(jìn)行仿真分析，得到白車身各部分在彎曲工況下沿Z軸方向的應(yīng)變以及彎曲工況的Z向應(yīng)變?cè)茍D，如圖3所示。

圖3 白車身彎曲工況Z向位移

車身載荷F與車身最大彎曲撓度Z的比值能夠用來衡量白車身的彎曲剛度[6]，因此工程車白車身的彎曲剛度可用式(1)來計(jì)算：

Ky=F/Zmax

(1)

式中:F為集中載荷力20 000 N；Zmax為受力點(diǎn)Z向的最大位移。

由圖3可知，受力點(diǎn)在車身中部，左右加載點(diǎn)Z向的最大位移分別為6.67、6.25 mm取兩加載點(diǎn)的平均位移 6.46 mm。此時(shí)彎曲剛度為：

2.2 扭轉(zhuǎn)剛度分析

2.2.1 約束和載荷

對(duì)白車身進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算時(shí)，需要對(duì)白車身加載約束與載荷。約束為：在白車身后懸架的固定座支撐點(diǎn)和前橫梁中心點(diǎn)上約束其X、Y、Z向的平動(dòng)自由度。載荷為：將扭矩M換算成一對(duì)數(shù)值相等、方向相反的力分別施加在兩個(gè)前懸置點(diǎn)處，其中M=0.5×前軸最大負(fù)荷×輪距,白車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算分析的約束條件和載荷條件如圖4所示。

圖4 白車身扭轉(zhuǎn)剛度約束條件和載荷條件

2.2.2 扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

利用Hyperworks軟件的Optistruct模塊對(duì)加載好的白車身有限元模型進(jìn)行仿真分析，得到白車身各部分在扭轉(zhuǎn)工況下沿Z軸方向的應(yīng)變以及扭轉(zhuǎn)工況的Z向應(yīng)變?cè)茍D，如圖5所示。

圖5 白車身扭轉(zhuǎn)工況Z向位移

扭轉(zhuǎn)剛度是用車身受到的扭矩M與最大扭轉(zhuǎn)角度θ的比值來衡量的[7]，此時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為：

(2)

(3)

式中:M=2 626.67 N·m；L為前懸置兩加載點(diǎn)距離，L=1.31 m;Z1為前懸置左側(cè)加載點(diǎn)Z向位移絕對(duì)值;Z2為前懸置右側(cè)加載點(diǎn)Z向位移絕對(duì)值。取左右的最大位移為Z1、Z2的值。

由圖5可知，懸置左側(cè)加載點(diǎn)Z向位移絕對(duì)值為3.84 mm，前懸置右側(cè)加載點(diǎn)Z向位移絕對(duì)值為3.30 mm。此時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度為：

3 結(jié)束語

文中基于工程車建立了三維模型以及有限元模型，并利用Hypermesh得到了工程車白車身各部分在彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下的Z向應(yīng)變?cè)茍D，計(jì)算分析得到了車身的彎曲剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度。通過彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度值，可以對(duì)白車身設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)和改進(jìn)，從而能夠更好地指導(dǎo)車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。