摘 要 通過軟件建立起某微型車車身的有限元分析模型，并實施剛度及模態(tài)分析。通過分析輕量化前與后的計算成果，對比可得知，輕量化后的車身剛度和模態(tài)在接受的預(yù)定值內(nèi)，是可以滿足減輕車身質(zhì)量的要求。通過試驗驗證，輕量化的后有限元分析結(jié)論與實車的試驗結(jié)果有較高的一致性。

關(guān)鍵詞 剛度；模型分析；微型車；輕量化

中圖分類號 U463 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)052-0230-01

經(jīng)研究分析，汽車燃油的耗損量越大，車身的總質(zhì)量就越重，反之，汽車燃油的耗損量越小，車身的總質(zhì)量就越輕。隨著人們的經(jīng)濟水平提高，汽車越來越多，如何降低排放量、節(jié)約資源是當(dāng)前研究的熱門，所以這需要到輕量化的車身設(shè)計。當(dāng)前，市面上大部分轎車的車身結(jié)構(gòu)一般是采用的全承載式車身，因承載式的車身擔(dān)負了全車所有的扭轉(zhuǎn)和彎曲，所以自身的剛度特征具有十分重要的意義。在車身輕量化的變化中，假如發(fā)現(xiàn)車身的剛度有不同程度的降低，必會引起車身門窗、發(fā)動機艙口等形態(tài)改變，引發(fā)玻璃破碎、車門關(guān)閉困難等情況的出現(xiàn)。這時，低剛度出現(xiàn)伴有低頻率，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)共振、噪聲，會影響到人乘坐的舒適性，不同程度的影響整車的能性。因此，達到車身的輕量化需滿足車身的剛度與模態(tài)。文章是組建有關(guān)板殼單元為基本單元的車身有限元分析模型，運用有限元的軟件分析某微型車車身的前、后輕量化剛度及模態(tài)變化，可以更好地為輕量化作指導(dǎo)。

1 有關(guān)剛度與模態(tài)的基礎(chǔ)理論

1.1 剛度扭轉(zhuǎn)的理論分析

如果車身受對稱垂直的重量時，結(jié)構(gòu)處會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的情況，致使車身扭曲變形，軸之間的角發(fā)生扭轉(zhuǎn)。說明，結(jié)構(gòu)的變形力度是與所受力、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)及剛度相關(guān)。用公式解釋為：車身的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度等于扭矩與軸之間的相對扭轉(zhuǎn)角的比。

1.2 剛度彎曲的理論分析

從車身的彎曲剛度能夠得出：產(chǎn)生垂直力下的車身是縱向擴展力量，表明出車身的彎曲程度，分析車身縱梁的鉛垂直力作用的撓度大小，可以看作彎曲的剛度等于車身彎曲的重量與縱向的彎曲最大值之比。

1.3 關(guān)于模態(tài)的理論分析

在車的快速行駛中，自身的結(jié)構(gòu)由各種振源會發(fā)生震動，像發(fā)動機運轉(zhuǎn)、路面崎嶇引發(fā)的震動等。如類似這樣的震動源可以激勵使車身整體或是部分有一定的頻率，會導(dǎo)致共振的出現(xiàn)，引發(fā)產(chǎn)生強烈震動或噪聲問題，嚴(yán)重會致使結(jié)構(gòu)損壞。所以，為了從汽車的安全性、舒適性、可靠性，必須在對車身的震動上有效地改善，需對車自身的震動特性加以分析計算，利用結(jié)構(gòu)的設(shè)計改變各種振源率。依據(jù)模態(tài)的理論可得出：剛度矩陣與第一階段的模態(tài)的振型向量的和等于第一階段模態(tài)的固有頻率與質(zhì)量矩陣總和。

2 關(guān)于車身有限元模型的輕量化與組建的描述

2.1 關(guān)于車身輕量化的描述

在車身的設(shè)計中，想要減輕車身的質(zhì)量，可以從：鋼材的結(jié)構(gòu)、車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計，新材料的運用等。結(jié)合本次研究是成型與焊接裝備的通用性，在穩(wěn)定車身不變、保證安全性的情況下，針對小零件進行微變化，來滿足輕量化的要求。本文是通過研究的車身輕量化的改變部件的重量?，F(xiàn)在，我國的輕量化形式是外覆蓋部件厚度降低，前、后蓋外板材料性能降低，依據(jù)公司的內(nèi)部要求，輕量化的剛度扭轉(zhuǎn)鋼度、彎曲變化不高于5%，開口件的對角變形后尺寸變化率不高于0.15%。一階扭轉(zhuǎn)、彎曲模態(tài)變化率不高于3%。

2.2 車身的有限元模型的組建

某微型客車車身一般由：車身地板、車架、側(cè)圍、頂蓋、發(fā)動機艙、發(fā)動機罩、翼子扳、儀表臺骨架等共11個總成，不少于250個零群件組建而成。而每一個CAD模型所進行的有限元網(wǎng)絡(luò)區(qū)分，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)檢查。一般的車身零件間都以點焊連接，運用模擬在整個車身的構(gòu)造中焊點。

2.3 對有限元模型進行驗證

一般對有限元模型進行模態(tài)分析、靜態(tài)剛度的測試。先是采用實驗設(shè)備對其進行模態(tài)測試，獲得的數(shù)據(jù)參數(shù)。再進行車身的靜剛度檢測，測試車身在靜態(tài)下承受不同的重量發(fā)生的變化，分析車身結(jié)構(gòu)抵抗的能力。

通過軟件對車身模型進行模態(tài)的計算，獲得參考數(shù)據(jù)。然后，按照靜剛度的檢測，選出支撐的邊界條件，依據(jù)實際的超重解決方式，運用軟件算出靜剛度的模擬計算結(jié)果，整理數(shù)據(jù)文件。根據(jù)模態(tài)、靜剛度的檢測結(jié)果、有限元模型的算數(shù)模態(tài)，最后得出滿意的車身的有限元模型。

3 有關(guān)車身前、后輕量化與模態(tài)的分析

3.1 有關(guān)扭轉(zhuǎn)剛度的分析

在建立起有限元模型后，算出車身扭轉(zhuǎn)剛度的邊界條件。在研究扭轉(zhuǎn)剛度中發(fā)現(xiàn)，約束前懸架支撐部分的5個自由度，約束后螺旋彈簧有的6個自由度，在支撐時運用施加等大小、方向的上下集中力。車身的結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)剛度通過不同部分變形程度分析，即：側(cè)縱梁在車身的長度中方向發(fā)生垂直位移及窗口開口件對角線尺寸變化。

經(jīng)過計算得出，測量出的右側(cè)縱梁各位置的垂直位移發(fā)生的變化，坐標(biāo)是全標(biāo)，原點的位置在門前處。通過位移的角度換算，計算車身的扭轉(zhuǎn)，分析出扭轉(zhuǎn)開口件對角線的變化。最后得出車身輕量化前、后的扭轉(zhuǎn)剛度、開口件對角線的尺寸變化率，再依據(jù)企業(yè)的內(nèi)部要求，將其控制在范圍內(nèi)。

3.2 有關(guān)彎曲剛度的分析

在分析彎曲的剛度中，約束前懸架的支撐點、后螺旋的支撐方向6個自由度的不同，前部彎曲的情況位于門檻上，后部的彎曲程度在中門檻上，每側(cè)均勻在集中力的垂直下方。車身的彎曲剛度分析，是通過下部位的變形情況，從一側(cè)縱梁的車身長度方位垂直變化。文章通過分析，算出計算結(jié)果，測量出右側(cè)的縱梁上的各方位的變化曲線位移，坐標(biāo)是整車的坐標(biāo)系，把車身的前部、后部彎曲剛度在車輕量化前、后作對比。通過對比，得出車身輕量化前、后的彎曲剛度、開口件的對角線的大小變化，使其在控制范圍內(nèi)。

3.3 有關(guān)模態(tài)的分析

因為車身的震動會影響到頻率的不同區(qū)域，產(chǎn)生不同的激勵頻率。為了確保車身結(jié)構(gòu)的剛度及強度，所以一般采用修改模態(tài)數(shù)據(jù)的方案，把車身結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)頻率加以提高。在有關(guān)的模態(tài)分析中，運用自由的模態(tài)，不限定各種條件的約束，一般在一階段中扭轉(zhuǎn)的模態(tài)計算降低，不會超出企業(yè)的內(nèi)部規(guī)定要求，所以一階段的彎曲變化模態(tài)的分數(shù)值不大。經(jīng)研究分析，參照之前工程的數(shù)據(jù)，一階段的扭轉(zhuǎn)模態(tài)的分數(shù)值減少是受到來自結(jié)構(gòu)外板的薄厚的影響。

在保持原有的后側(cè)圍外板厚度的基礎(chǔ)上，又對車模態(tài)進行了新的計算，采用一階段的扭轉(zhuǎn)模態(tài)計算，在質(zhì)量不減的情況下，對比可以看出兩個部件的扭轉(zhuǎn)問題，一階段扭轉(zhuǎn)模態(tài)計算提高的快，所以，通過研究決定后側(cè)圍外板不應(yīng)該減少厚度。

經(jīng)分析，最終確定在原有的基礎(chǔ)上減輕質(zhì)量。為了驗證分析有限元，對車身的輕量化進行模態(tài)的測試，測出了規(guī)定的頻率與振型。運用振點、多點的方法對車進行自由模態(tài)的測試，車的輕量化對車進行檢測。通過對有限元模型計算得出固有頻率與測試的頻率，輕量化后的有限元模型反應(yīng)的實際問題。另外，基本薄厚的變化零件能夠在原始生產(chǎn)的原模，為了更好的完成，有效地控制住生產(chǎn)的成本。

4 結(jié)論

本文通過組建車身的有限元分析模型，并對其采取了扭轉(zhuǎn)、彎曲及模態(tài)進行實驗分析，對比計算出車身輕量化的前、后車身的數(shù)值。經(jīng)過研究對比分析，車身的輕量化前、后車身的扭轉(zhuǎn)、彎曲鋼度相差不大，而一階段的扭轉(zhuǎn)模態(tài)值變化大，呈現(xiàn)降低趨勢。通過計算分析，得到底階段的有關(guān)扭轉(zhuǎn)模態(tài)的外板、后側(cè)圍板的某些靈敏部件是需要關(guān)注的重點，提出了關(guān)鍵的部件厚度不變，確保車身模態(tài)的要求，也要在一定的程度上加大車的剛度值。通過測試，發(fā)現(xiàn)輕量化的有限元分析結(jié)果與實車的測試結(jié)果較一致。綜合全文所述，采用模態(tài)分析的方法，將其方式運用其他車的輕量化的項目發(fā)展中，不但可以很好的降低成本，還可以有效地提高產(chǎn)品的安全可靠性。

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