基于斷面主慣性矩性能的車身B柱上斷面優(yōu)化設(shè)計

周 亮，劉志波

（1.長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，吉林 長春 130013； 2. 一汽奔騰轎車有限公司，吉林 長春 130025）

0 引言

車身結(jié)構(gòu)斷面的設(shè)計和開發(fā)是車身概念設(shè)計階段的一項重要工作，而斷面的慣性矩作為衡量白車身強度和剛度性能的重要參數(shù)，其主慣性矩分析和優(yōu)化又是斷面設(shè)計中的一項重要工作[1-2]。車身結(jié)構(gòu)斷面慣性矩分析可以從車身斷面主慣性矩對標分析和慣性矩敏感度分析兩方面進行[3]，慣性矩對標分析通過對比分析研發(fā)車型與對標車型相應(yīng)斷面位置處的慣性矩值，進而對研發(fā)車型的慣性矩值進行定義；慣性矩敏感度分析是利用有限元方法來分析研發(fā)車型各主斷面對車身模態(tài)及剛度的影響，進而探究出車身模態(tài)對某一斷面的敏感度最高[4-5]。 因此，本文主要基于斷面主慣性矩性能對B柱上斷面影響進行優(yōu)化設(shè)計，并通過SFE分析驗證，最后將優(yōu)化后的方案在車身進行頂壓試驗仿真驗證。

1 車身斷面主慣性矩性能及B柱上斷面作用

1.1 車身斷面主慣性矩性能

車身斷面對標分析是在車身開發(fā)初期，通過借鑒以往車型以及對標車型的主要斷面信息，并結(jié)合新工藝、新材料等技術(shù)信息，以此為基礎(chǔ)來定義白車身開發(fā)的設(shè)計目標[6]。斷面的慣性矩是分析斷面性能的重要指標[7]，慣性矩指標可以分為相對于X軸、Y軸和Z軸的3個慣性矩Ix、Iy和Iz，如圖1所示。

圖1 斷面示意圖

其中：Ix對應(yīng)于斷面相對X軸的慣性矩代表梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度性能，Iy（Iz）對應(yīng)于斷面相對 Y（Z）軸的慣性矩代表梁結(jié)構(gòu)彎曲剛度性能[8]。若將Y軸和Z軸定義為通過質(zhì)心的軸，則有Iy和Iz是主慣性矩，斷面相對于坐標軸的慣性矩具有如下關(guān)系：

根據(jù)慣性矩的定義可知，可將相對于X軸、Y軸和Z軸的慣性矩表示如下：

通過對上述公式的分析可知：若要增加斷面的慣性矩可以通過增加斷面的實體面積或者增加斷面線與慣性軸的距離[9]。分析表明：車身不同部位對不同方向上的彎曲剛度具有不同的要求，據(jù)此可以通過增加斷面尺寸和提升斷面實體面積獲得慣性矩的增加，或者為滿足輕量化需求在保持斷面實體面積不變的情況下，通過改變斷面尺寸以達到慣性矩增加的目標[10]。

1.2 車輛頂壓試驗中B柱上斷面作用

車輛頂壓試驗時，B柱在保證車身剛度性能方面具有巨大的貢獻，B柱在試驗過程中主要產(chǎn)生沿著車身X軸的彎曲，通過第1.1節(jié)中介紹的車身斷面的慣性矩分析可知：在進行B柱上斷面的設(shè)計時，應(yīng)適當?shù)卦龃骕軸的慣性矩。斷面慣性矩的計算將主要利用斷面的尺寸、形狀以及厚度信息，圖2為B柱上斷面的輪廓線分別代表著B柱的內(nèi)板、加強板以及外板，根據(jù)設(shè)計需求及慣性矩的大小要求，上斷面優(yōu)化方案包括取消B柱的加強板或增加B柱的加強板的設(shè)計。

圖2 B柱上斷面示意圖

2 B柱上斷面優(yōu)化設(shè)計方案

2.1 B柱上斷面對標分析

利用點云掃描技術(shù)獲取對標車型的數(shù)據(jù)，然后將B柱上斷面的結(jié)構(gòu)信息作為對標基準，并以某預(yù)研車型（A0）的B柱上斷面為優(yōu)化目標，探究增加截面面積和增大尺寸這兩種方法對提升斷面主慣性矩的影響，并定義如上圖2中所示過質(zhì)心的X軸和Y軸。通過計算預(yù)研車型的B柱上斷面X軸的主慣性矩為89 620 mm4，對標車型B柱上斷面的主慣性矩為176 300 mm4（見表1），通過數(shù)據(jù)分析可知，預(yù)研車型與對標車型在鈑金實體面積相當?shù)那闆r下，由于y向距離相差13 mm，導(dǎo)致預(yù)研車型X軸的主慣性矩約為對標車型的0.5倍，需要為增大B柱上斷面X軸的主慣性矩進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2 B柱上斷面優(yōu)化方案

為增大預(yù)研車型B柱上斷面X軸的慣性矩，通過以下三種優(yōu)化方案探究斷面尺寸對提升B柱上斷面性能的影響。

優(yōu)化方案1：增加補強板；優(yōu)化方案2：改變內(nèi)板形狀；優(yōu)化方案3：增加y向距離。表3.1為三種優(yōu)化方案對應(yīng)的斷面信息。

1）優(yōu)化方案1。不改變預(yù)研車型x與y向最大尺寸的情況下，加強板上增加厚度為2 mm的補強板。補強板導(dǎo)致鈑金實體面積增加，進而使優(yōu)化后X軸的主慣性矩相比于預(yù)研車型提升了22%，達到108 700 mm4，未達到對標車型的目標值。

2）優(yōu)化方案2。不改變預(yù)研車型的x與y向最大尺寸的情況下，改變內(nèi)板的形面及厚度。優(yōu)化后的斷面X軸的主慣性矩相比于預(yù)研車型提升了26%，達到113 300 mm4，未達到對標車型的目標值。內(nèi)板厚度的增加使鈑金實體面積與對標車型相當，從表1中數(shù)據(jù)可以分析出鈑金實體面積對主慣性矩增加的貢獻較小，主慣性矩增大的主要原因為內(nèi)板型面的更改，使內(nèi)板上的點到主軸x的y向距離增加。

表1 對標車型和預(yù)研車型及其優(yōu)化方案的斷面信息

3）優(yōu)化方案3。將預(yù)研車型的y向尺寸增長13mm達到與對標車型尺寸相當。此時優(yōu)化后斷面X軸的主慣性矩約為對標車型的1.07倍，這主要是由于y向尺寸的增加和鈑金實體面積增加的共同作用結(jié)果。

通過以上優(yōu)化方案對比分析可知：對于B柱上斷面增大X軸的主慣性矩最佳方式為增

加斷面尺寸的y向距離。

2.3 B柱上斷面優(yōu)化方案的SFE驗證

為進一步驗證根據(jù)主慣性矩分析法所設(shè)計斷面的合理性，通過SFE分析方法對優(yōu)化后的斷面2和3進行車身頂壓試驗仿真驗證。

根據(jù)中國保險汽車安全指數(shù)（C-IASI）可知車頂強度性能指標定義為：剛性壓板以5 mm/s的速度給試驗車施加載荷，加載位移大于等于127 mm，壓板位移量在小于127 mm范圍內(nèi)測得的峰值載荷與整備質(zhì)量狀態(tài)下的車重之比（SWR）。其評級分為優(yōu)秀、良好、一般、較差4個等級，依次用G（SWR≥4）、A（4＞SWR≥3.25）、M（3.25＞SWR≥2.5）、P（2.5＞SWR）表示。利用仿真軟件SFE分析獲得兩種優(yōu)化斷面峰值載荷與時間的關(guān)系如下圖3所示。

圖3 載荷隨時間的變化圖

當整備車的重量為1 540 kg時，結(jié)合上圖中的信息可知具有優(yōu)化2斷面車身的車頂抗壓強度等級為A（SWR＝3.42）、優(yōu)化2斷面車身的車頂抗壓強度等級也為A（SWR＝3.77）。

上述測量結(jié)果表明：B柱上斷面y向尺寸越大，其關(guān)于X軸的慣性矩就越大，并且由此斷面組成車身的車頂抗壓強度等級越高，即可驗證由斷面慣性矩推斷抗彎強度的可行性以及根據(jù)主慣性矩分析法探究斷面設(shè)計的合理性，但斷面主慣性矩的增大是否有利于白車身剛度要結(jié)合斷面的具體位置而定。主慣性矩分析法探究斷面設(shè)計的合理性這將會為車身結(jié)構(gòu)斷面的后續(xù)設(shè)計提供一定的指導(dǎo)和方向，并通過與競爭車型進一步的斷面慣性矩對比分析最終確定新車型斷面尺寸的目標值。

3 結(jié)論

本文主要是探究車身斷面結(jié)構(gòu)的設(shè)計對整車性能的影響，采用主斷面慣性矩分析得到增加斷面尺寸或斷面面積可以獲得慣性矩的增加，達到提升車身的強度和剛度性能的目的，通過探究影響B(tài)柱上斷面主慣性矩的三個優(yōu)化方案，并以頂壓試驗為例驗證了車身主斷面慣性矩分析方法對提升車身性能的作用，最后通過慣性矩分析對斷面結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的方法，將對車身結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計以及車身輕量化目標的實現(xiàn)具有很強的指導(dǎo)意義。