帶天窗結(jié)構(gòu)微型電動汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

楊 靖，陳 鋒

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.滁州永強(qiáng)汽車制造有限公司，安徽 滁州 239000)

隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在國家宏觀政策和地方政策的共同支持下，電動汽車作為人們代步工具的優(yōu)勢已經(jīng)凸顯。同時，電動汽車規(guī)?；a(chǎn)和市場競爭的現(xiàn)狀，使微型電動汽車市場正成為各汽車品牌廠商角逐的新戰(zhàn)場。微型兩座電動汽車價格實惠、能耗低、使用成本低、出行便捷、停車占地空間小，這些特點契合人們的出行需求，故微型兩座電動汽車的設(shè)計具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義[1]。

目前，國內(nèi)外對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)研究主要從材料研發(fā)、CAE技術(shù)應(yīng)用等方面著手。2005年，歐洲某研發(fā)中心進(jìn)行SuperLight-CAR項目研發(fā)，以新型材料取代傳統(tǒng)鋼材制造轎車車身，車身質(zhì)量減少25%，力學(xué)性能得到較大提升[2]。Jahani等[3]利用有限元仿真與試驗分析出車身結(jié)構(gòu)中剛度貢獻(xiàn)率較高的部分，通過改變結(jié)構(gòu)形態(tài)提高了車身的力學(xué)性能。易輝成[4]利用多目標(biāo)優(yōu)化方法改變車門結(jié)構(gòu)件料厚，達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。雷明準(zhǔn)等[5]利用靈敏度分析方法實現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。這些研究為汽車車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計及輕量化改進(jìn)提供了參考。但是，微型兩座電動汽車車身結(jié)構(gòu)的受力特點與傳統(tǒng)燃油汽車有區(qū)別，特別是其動力電池安裝在車身底部，故對于車身結(jié)構(gòu)的有限元分析、模型建立、參數(shù)設(shè)置都有必要進(jìn)行研究。并且，微型兩座電動汽車頂部設(shè)置天窗，對承載式車身整體的力學(xué)性能會有較大影響。本研究利用HyperMesh軟件對某國產(chǎn)自主品牌微型兩座電動汽車(天窗版)車身建模，根據(jù)汽車運(yùn)行受載情況，對車身進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度及自由模態(tài)的分析，以期為車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計及輕量化提供參考。

1 車身模型的建立

微型兩座電動汽車車身結(jié)構(gòu)的主要功能是傳遞和承受載荷，薄壁結(jié)構(gòu)的鋼板、鋁板及復(fù)合材料通常利用焊接技術(shù)組合為一體，部分結(jié)構(gòu)采用膠裝工藝。微型兩座電動汽車車身主要包括地板、側(cè)包圍、頂蓋、風(fēng)窗框體、梁體等，這些結(jié)構(gòu)在汽車運(yùn)行時承載的功能各有不同。地板、側(cè)包圍等結(jié)構(gòu)用于承載乘客，動力電池附件等設(shè)備要求具備足夠的強(qiáng)度、剛度和韌性。風(fēng)窗框體要求具備足夠的剛度來保證密封和降噪效果。梁體除了有剛度和強(qiáng)度要求，還要考慮碰撞時的吸能作用。因此，在建模時將板材結(jié)構(gòu)用殼單元模擬，對殼單元進(jìn)行單元化，再合理布置節(jié)點，車身模型質(zhì)量為158.3 kg，以質(zhì)量點代替動力電池等設(shè)備。車身模型單元材料參數(shù)如表1所示。

表1 車身模型單元材料參數(shù)Tab.1 Material parameter of body model unit

從表1可以看出，微型兩座電動汽車的輕量化設(shè)計使用了5052、6016等型號的鋁板以降低車身質(zhì)量，使用A380型含有一定碳纖維材料的鋁合金及DC01型鋼板作為保障車身剛度和強(qiáng)度的材料。生成的車身結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1。

圖1 車身結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 Finite element model of body structure

2 車身剛度有限元分析

汽車車身結(jié)構(gòu)的剛度是保障汽車安全性的重要指標(biāo)，特別是在微型兩座電動汽車帶有天窗結(jié)構(gòu)和使用輕型鋁制材料的情況下。車身結(jié)構(gòu)的剛度分析主要包括靜態(tài)彎曲剛度分析和靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度分析。

2.1 車身彎曲剛度

靜態(tài)彎曲剛度是在平坦路面上，只考慮車身、乘客和貨物質(zhì)量時汽車在垂直受力方向的位移量，一般有分布式載荷加載和集中式載荷加載兩種方式[6]。在進(jìn)行靜態(tài)彎曲剛度有限元分析時，設(shè)置模擬載荷和邊界約束。基于微型兩座電動汽車車身結(jié)構(gòu)特點，在設(shè)置載荷時采用門檻梁加載法。在左右兩個門檻梁也就是前后軸中心點位置集中施加載荷F(1 500 N)，如圖2所示。

圖2 彎曲剛度邊界條件Fig.2 Bending stiffness boundary condition

從圖2可以看出：車身前端約束分別在前端左右兩側(cè)減震器安裝座的中心位置，用2、3標(biāo)注；車身后端約束也設(shè)置在車身后端左右兩側(cè)減震器安裝座中心位置，用1、2、3標(biāo)注。其中，數(shù)字1、2、3分別表示X、Y、Z這3個方向的自由度。因此，總體邊界條件設(shè)定如下：約束左前和右前減震器安裝座中心Y、Z兩個方向的自由度；約束左后和右后減震器安裝座中心X、Y、Z這3個方向的自由度；同時分別在左右兩個門檻梁中心位置施加載荷1 500 N。

在HyperMesh軟件中設(shè)置測量點，根據(jù)對應(yīng)的繞度值來分析車身變形情況。車身剛度測量點如圖3和圖4所示。

圖3 縱梁和門檻測量點分布Fig.3 Distribution of measuring points of longitudinal beam and threshold

由圖3可見，在車身地板受載荷影響較大的部位，主要測量點位于縱梁和門檻位置。除此之外，也需要重點觀察車身風(fēng)窗和車門門洞測量點變形情況，特別是天窗位置，見圖4。觀察門洞對角線距離的變化量,從而評估車身在特殊條件下是否會出現(xiàn)車門卡死、玻璃擠碎、密封不嚴(yán)導(dǎo)致漏雨等現(xiàn)象[7]。經(jīng)過仿真后處理，得到車身彎曲剛度Z向位移云圖(圖5)。根據(jù)測量點Z向位移結(jié)果，擬合成車身彎曲剛度曲線，如圖6所示。

圖5 車身彎曲剛度Z向位移云圖Fig.5 Nephogram of Z-direction displacement of body bending stiffness

圖6 車身彎曲剛度曲線Fig.6 Body bending stiffness curve

從圖5和圖6來看，車身彎曲剛度沒有突變情況，曲線相對平滑。在圖6中提取最大位移0.206 mm，通過計算得出彎曲剛度為14 597 N/mm，該數(shù)據(jù)大于設(shè)計要求的10 000 N/mm，可知彎曲剛度滿足使用條件。風(fēng)窗和門洞包括天窗結(jié)構(gòu)變形量均小于5 mm，也符合設(shè)計要求。

2.2 車身扭轉(zhuǎn)剛度

車身扭轉(zhuǎn)剛度是在不平路面上，車身左右兩側(cè)受到來自地面不同作用力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形量，有減震塔測點法和縱梁測點法兩種測量方式。由于微型電動汽車電池包與車身連接，整體對扭轉(zhuǎn)起到一定抑制作用，所以采用減震塔測點法較合適。在車身前端左右兩側(cè)減震器安裝座中心之間形成2 000 N·m的扭矩，測量點與加載點重合，車身扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件如圖7所示。

圖7 扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件Fig.7 Torsional stiffness boundary conditions

由圖7可見，扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件設(shè)定為后端左右兩側(cè)減震器安裝座中心約束X、Y、Z這3個方向自由度，前端防撞梁中心約束Z向自由度。經(jīng)過仿真后處理，得到車身扭轉(zhuǎn)剛度Z向變形云圖(圖8)。根據(jù)測量點Z向變形結(jié)果，擬合為剛度曲線，如圖9所示。

從圖8和圖9來看，車身扭轉(zhuǎn)變形沒有突變情況，曲線相對平滑。從圖9中提取扭轉(zhuǎn)角度0.197°，通過計算得出扭轉(zhuǎn)剛度為10 152 N/mm，該數(shù)據(jù)大于設(shè)計要求的10 000 N/mm，可知扭轉(zhuǎn)剛度滿足使用條件。

圖8 車身扭轉(zhuǎn)剛度Z向變形云圖Fig.8 Nephogram of Z-direction deformation of body torsional stiffness

圖9 車身扭轉(zhuǎn)剛度曲線Fig.9 Body torsional stiffness curve

3 車身模態(tài)分析

車身模態(tài)分析是指汽車設(shè)計時，汽車在運(yùn)行中受到外界激勵條件的影響產(chǎn)生共振從而影響汽車各項性能的分析[8]。車身模態(tài)分析有實驗法和有限元仿真法兩種[9]。如果車身在前期設(shè)計時出現(xiàn)了振型不符合使用條件的情況，則需要不斷優(yōu)化。因此，采用有限元仿真法成本更低。

對車身結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行無約束、無載荷的自由模態(tài)仿真，產(chǎn)生14階模態(tài)，忽略前6階剛體模態(tài)(前6階模態(tài)為平動和轉(zhuǎn)動模態(tài)且頻率為0)。去除剛性模態(tài)后，分析前8階模態(tài)振型和頻率。研究車型分為天窗版和無天窗版兩種，這里取帶天窗結(jié)構(gòu)的車身進(jìn)行分析，其模態(tài)振型與頻率仿真結(jié)果如表2所示。

表2 車身模態(tài)振型與頻率Tab.2 Modal shape and frequency of vehicle body

在幾個高階振型中，呈現(xiàn)出多局部范圍振動特點，并且有振型疊加現(xiàn)象。由于車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析過程主要參考地面激勵的影響，頻率低于20 Hz，故以低階振型作為評價對象比較符合設(shè)計要求。前6階(低階)振型云圖見圖10。

圖10 車身模態(tài)振型云圖Fig.10 Modal shape of vehicle body

從圖10可以看出：整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為43.3 Hz，高于同類型車型一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率30 Hz的設(shè)計要求；一階彎曲模態(tài)頻率為67.9 Hz，高于同類型車型一階彎曲模態(tài)頻率55 Hz的設(shè)計要求；整體模態(tài)頻率為40～75 Hz，高于激勵頻率，避免了電動汽車運(yùn)行時的共振現(xiàn)象，符合設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本研究對帶天窗結(jié)構(gòu)的微型兩座電動汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了分析，驗證了天窗結(jié)構(gòu)對微型汽車車身整體力學(xué)性能的影響有限。車身結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，后續(xù)可以對其進(jìn)行靈敏度多目標(biāo)分析和碰撞模型分析。