郭 微,邱小勇

(1安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系,安徽 合肥 231603;2天津新巨升電子工業(yè)有限責(zé)任公司,天津 300384)

所謂“白車身”就是由各種各樣的骨架件和鈑金件通過焊接拼裝而成的汽車車身.商務(wù)車的白車身剛度分析是整車開發(fā)設(shè)計過程中必不可少的環(huán)節(jié),對于改進車身結(jié)構(gòu),改善車輛強度、剛度狀況,提高車輛舒適性和可靠性均具有很重要的實際意義.利用先進的有限元軟件對其進行分析計算,指導(dǎo)生產(chǎn)開發(fā),對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品開發(fā)成本能起到一定的作用,并可以指導(dǎo)設(shè)計人員對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化從而提高車身的碰撞安全性.

1 白車身的剛度特性

剛度是汽車車身設(shè)計的重要指標(biāo).白車身剛度分布設(shè)計是否合理,會直接或間接地影響整車的性能,車身的靜剛度一般包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度.

1.1 彎曲剛度

車身整體的彎曲剛度[1,2]由車身底架的最大垂直撓度以及底板在車身長度方向上的垂直撓度變化曲線(應(yīng)連續(xù)無明顯突變)等指標(biāo)來評價.此時的彎曲剛度

1.2 扭轉(zhuǎn)剛度

車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度(GJ)為單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力[1,2],即

式中:L為軸距,T為扭矩,θ為軸間相對扭轉(zhuǎn)角.車身扭轉(zhuǎn)角θ與梁的撓度之間的關(guān)系為

式中:U1為左側(cè)縱梁的撓度,U2為右側(cè)縱梁的撓度,B為底架寬.

2 白車身剛度的有限元分析

采用Altair公司的 HyperWorks軟件對白車身的剛度(彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度)進行了模擬分析,并與目標(biāo)值進行比較.

2.1 主要步驟

圖1所示為利用Hyperworks系列軟件進行商務(wù)車白車身靜剛度有限元分析的主要步驟[3],前處理(點畫線框中的內(nèi)容)在HyperMesh中完成;求解利用Hyperworks自帶的求解器 Radioss進行,后處理使用HyperView.

圖1 利用Hyperworks進行有限元分析的主要步驟

2.2 有限元分析計算

在保證充分反映實際結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下對車身部件做了必要簡化,本文建立的有限元模型包括388000個單元、392000個節(jié)點、12200個焊點.

1)建立計算模型 車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度的計算模型分別如圖2、圖3所示,在扭轉(zhuǎn)剛度模型中約束后懸架彈簧上支點123456方向的自由度及前軸中點12356方向的自由度,在前懸懸架彈簧上支點施加一對方向相反、大小為11795 N的作用力;在彎曲剛度模型中邊界條件的處理是分別約束后懸架彈簧上支點及前軸中點的123456方向的自由度,并且在車身地板中部施加共9810 N的力.

2)有限元分析計算 建立起計算模型后,設(shè)置了適當(dāng)?shù)挠嬎銋?shù)后就可以提交計算了,計算結(jié)果在HyperView中查看.圖4給出了彎曲剛度的計算結(jié)果和位移云圖.圖5為左右縱梁均勻布置的測點位置(共26個,一邊13個,由于左右對稱,圖中只給出左梁).

根據(jù)上述13個測點的Z向位移以及它們的Z向平均位移的測量數(shù)據(jù)繪出圖6所示測點曲線,由測點曲線可以明顯看出底板(即縱梁)在車身長度方向上的垂直撓度(Z向位移)變化曲線連續(xù)無明顯突變,并且在底板中部也即施加載荷處垂直撓度最大,最大垂直變形為-0.7524 mm.

圖6 測點曲線

圖7給出了扭轉(zhuǎn)剛度的計算結(jié)果和位移云圖;表1所示為在圖8所示的縱梁前后懸上位置選取的4個測點的z向位移.

表1 4個測點的z向位移

3)結(jié)果分析并與目標(biāo)值比較 因為在彎曲工況下縱梁的最大垂直變形為-0.7524 mm,則相對彎曲剛度可以由公式(1)得

國際一般使用設(shè)計參考值為12200 N/mm,因此本商務(wù)車的彎曲剛度合格,滿足設(shè)計要求.

由表1中數(shù)據(jù)計算出最大撓度差 (即z向位移差),聯(lián)合本商務(wù)車的軸距,將它們帶入到公式(3)中,可得出扭轉(zhuǎn)角度θ為0.01345 rad;再根據(jù)施加的載荷及本商務(wù)車的軸距可以得出最大扭轉(zhuǎn)載荷為10373.7 Nm,則由公式(2)得到本商務(wù)車扭轉(zhuǎn)剛度

國際上設(shè)計參考值為12500 Nm/deg,由此看出,本商務(wù)車的扭轉(zhuǎn)剛度也滿足設(shè)計要求.從以上的計算結(jié)果來看,該車整體彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的數(shù)值均大于目標(biāo)值,并且其彎曲剛度曲線基本光滑無明顯突變,這說明該車的靜剛度符合設(shè)計要求.

3 白車身剛度試驗分析

白車身剛度試驗是指在試驗室條件下模擬白車身在實際使用過程中的約束條件和載荷條件,采用相關(guān)的試驗測量白車身各個特征部位的變形量,從而評價白車身的剛度性能.

為了與有限元分析結(jié)果進行對比,本文在車身扭/彎剛度專用試驗臺架(圖9)上完成白車身的扭轉(zhuǎn)和彎曲兩種典型工況.

圖9 剛度試驗臺和車身安裝圖

按試驗數(shù)據(jù)處理計算并將所得結(jié)果取整,得到最大扭矩作用下白車身軸間相對扭轉(zhuǎn)剛度為:GJ=13129.32 Nm/deg,相應(yīng)的車身前后軸間相對扭轉(zhuǎn)角為 0.01302 rad;車身彎曲剛度為:EI=12417.5 N/mm(按縱梁最大變形計算).

將上述試驗數(shù)據(jù)與上節(jié)中的模擬結(jié)果進行比較,數(shù)值計算得到白車身扭轉(zhuǎn)剛度與試驗測得的扭轉(zhuǎn)剛度相對誤差為2.48%;數(shù)值計算得到白車身彎曲剛度與試驗測得的彎曲剛度的相對誤差為5%;此外,無論是理論分析還是試驗測得的扭轉(zhuǎn)剛度值均高于國外同類車型設(shè)計參考值12500 Nm/deg,而白車身彎曲剛度也均超過國外同類車型的一般設(shè)計參考值12200 N/mm,都符合設(shè)計要求.

4 結(jié)論

本文通過有限元分析和對應(yīng)剛度試驗兩種方式分析了某商務(wù)車白車身的靜態(tài)剛度性能,對分析結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理并加以比較分析,結(jié)果表明,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相比誤差不大,都在設(shè)計參考值之內(nèi),理論值與試驗值接近,說明所建有限元模型具有一定精度,白車身靜態(tài)抗扭剛度性能和彎曲剛度性能均較好,該商務(wù)車的靜剛度符合設(shè)計要求.

[1]段 偉,石 琴,張 雷,等.轎車白車身靜剛度分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,31(6):843-846.

[2]夏國林.轎車白車身靜剛度分析[J].汽車科技,2008(3):25-18.

[3]郭 微.基于數(shù)值模擬技術(shù)的某商務(wù)車整車碰撞性能研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)圖書館,2008.