某汽車白車身有限元分析與校核

張曉晨，李迪

（1.255049 山東省 淄博市 山東理工大學 交通與車輛工程學院；2.山東金麒麟股份有限公司）

0 引言

有限元仿真分析技術是一種高效、先進的仿真模擬技術，可利用仿真模擬實際工況得出仿真結果，通過對標等手段解決復雜的工程問題[1]。本文運用HyperMesh 軟件對某款汽車的白車身進行剛度和自由模態(tài)仿真，校核白車身的靜態(tài)結構性能是否符合企業(yè)設計要求。

1 白車身有限元模型建立

在HyperMesh 中對白車身三維模型進行前處理工作。修繕白車身三維模型中的一些破面、錯位與重疊等問題，對于小于4 mm 的倒角和凸臺等特征進行簡化處理。由于白車身含有大量的鈑金件，因此本文選用殼單元網格進行離散化并劃分尺寸為8 mm，企業(yè)的網格具體標準見表1。

表1 網格單元標準Tab.1 Grid cell standard

白車身的網格劃分主要有3 種：一維單元主要模擬焊點與螺栓連接；二維單元主要是選擇Quad4 和Tria3 單元，多用于白車身鈑金件中面的網格劃分；三維單元主要是選擇四面體單元和六面體單元，多用于無法抽中面的實體部件。在HyperMesh 中選用rigid 類型的單元模擬焊點和螺栓，完成該款汽車白車身的裝配工作，白車身有限元模型如圖1 所示。

圖1 白車身有限元模型Fig.1 Finite element model of body in white

2 白車身有限元仿真

2.1 剛度仿真

汽車在行駛過程中受到垂向載荷時，車身會產生彎曲變形，彎曲剛度是體現(xiàn)車身抵抗彎曲變形能力的重要指標[2]。白車身彎曲剛度值在數(shù)學表達式中采用載荷與監(jiān)測點彎曲撓度值比值表示

在HyperMesh 中設置白車身彎曲剛度求解的有限元模型。在地板座椅安裝的4 個位置按照每個1 000 N 加載，約束前減振位置Z 向自由度和后減震位置XYZ 三個方向自由度。在OptiStruct中提交運算得到彎曲剛度結果文件。彎曲剛度仿真變形云圖如圖2 所示。在HyperView 中提取門檻梁監(jiān)測點的彎曲撓度值，最大為-0.35 mm，計算可得白車身彎曲剛度為11 429 N/mm。

圖2 彎曲剛度變形云圖Fig.2 Bending stiffness deformation cloud

汽車在行駛過程中，由于受力不均會導致車身扭轉變形，從而產生相對扭轉角，白車身扭轉剛度是體現(xiàn)整車抵抗扭轉變形的一個重要指標。扭轉剛度數(shù)學計算表達式通?？珊喕癁?/p>

按照真實工況在HyperMesh 中設置求解模型：前減振器塔位置施加2 000 N·m 的扭矩，前部和后懸減震位置分別約束Z 向和XYZ 向自由度。通過仿真得到扭轉工況變形云圖如圖3 所示。前減振器塔處的位移量分別是-1.42，1.38 mm，可求得白車身扭轉剛度為12 500 N·m/rad。

圖3 扭轉剛度變形云圖Fig.3 Torsional stiffness deformation cloud

2.2 模態(tài)仿真

當汽車的固有頻率與外界的激勵頻率相近時會造成汽車共振現(xiàn)象[3]。在汽車設計階段就需要考慮汽車的振動頻率和振型等，以便避開外界激勵頻率并進行相應的優(yōu)化。模態(tài)仿真理論基礎

為了避免發(fā)生共振現(xiàn)象，保證汽車的NVH性能，需要對設計初始階段的白車身進行模態(tài)仿真。通過仿真得到前12 階模態(tài)頻率與振型，去除結構剛體模態(tài)后剩余的模態(tài)仿真結果如圖4—圖9 所示。

圖4 1 階模態(tài)頻率與振型Fig.4 First-order modal frequency and mode shape

圖5 2 階模態(tài)頻率與振型Fig.5 Second-order mode frequency and mode shape

圖6 3 階模態(tài)頻率與振型Fig.6 Third-order mode frequency and mode shape

圖7 4 階模態(tài)頻率與振型Fig.7 Fourth-order mode frequency and mode shape

圖8 5 階模態(tài)頻率與振型Fig.8 Fifth-order modal frequency and mode shape

圖9 6 階模態(tài)頻率與振型Fig.9 Sixth-order modal frequency and mode shape

3 白車身性能校核

3.1 白車身剛度校核

按企業(yè)要求，白車身剛度值及開口變形量必須滿足設定的剛度標準，否則需要對設計初始階段的車型進行重新設計。企業(yè)剛度標準見表2。仿真結果與企業(yè)剛度標準對比可知白車身剛度性能符合剛度標準。

表2 車身剛度對比表Tab.2 Body stiffness simulation results

白車身受到載荷時極易導致車身上的開口處變形，白車身開口處變形量是體現(xiàn)整車剛度的指標之一[4]。選取該款汽車白車身上的車門及風窗等6 個開口處的12 個對角線進行剛度工況變形量的校核。由表3 可知，彎曲和扭轉工況開口處對角線變形低于目標值，滿足企業(yè)設計要求，驗證了該款汽車車身剛度良好。

表3 剛度工況開口處變形量對比Tab.3 Comparison of deformation at opening under stiffness condition

3.2 白車身模態(tài)校核

按企業(yè)要求校核設計初始階段的白車身模態(tài)是否符合設計要求。根據(jù)仿真結果，前6 階模態(tài)振型和頻率見表4。

表4 各階模態(tài)振型與頻率Tab.4 Mode shapes and frequencies of each order

汽車受到路面和發(fā)動機的激勵頻率在20 Hz以下，由表4 可知，白車身6 個模態(tài)頻率大致在22～50 Hz，汽車在行駛中能夠避免共振現(xiàn)象。扭轉振型頻率與相近的彎曲振型的頻率差較大，可避免彎曲與扭轉振型耦合，白車身模態(tài)仿真結果良好。

4 結語

本文根據(jù)汽車三維數(shù)據(jù)建立了有限元模型，并對白車身進行了靜態(tài)剛度和自由模態(tài)仿真。仿真結果表明，白車身剛度值及變形均滿足企業(yè)剛度標準，白車身模態(tài)頻率與振型分布合理，該款汽車的白車身性能滿足設計要求。通過仿真分析形成了一套科學嚴謹?shù)能嚿硇：死砟詈头椒ǎ瑢ζ渌愋偷钠囇邪l(fā)同樣具有重要參考價值。