馮蘭芳，王宏曉，惠延波，夏兆義

（河南工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)制造研究所，鄭州 450007）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)量的不斷攀升，競(jìng)爭(zhēng)加劇，能源的日益短缺，環(huán)境的日益惡化，油價(jià)不斷上漲，這就促使汽車(chē)企業(yè)需要在不斷提高車(chē)輛性能的同時(shí)，進(jìn)一步降低油耗及成本，輕量化設(shè)計(jì)已成為汽車(chē)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。車(chē)身作為占整車(chē)質(zhì)量比例較大的結(jié)構(gòu)，往往是輕量化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)對(duì)象。而車(chē)身作為一個(gè)關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)，必須有足夠的剛度來(lái)保證其裝配和使用要求。車(chē)身剛度不合理，將直接影響轎車(chē)的可靠性、安全性、NVH性能等關(guān)鍵性指標(biāo)。所以基于白車(chē)身的剛度的輕量化研究就比較重要和實(shí)用[1～3]。

白車(chē)身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析是整車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。本文以某汽車(chē)公司正在研發(fā)的某款輕型客車(chē)的白車(chē)身為研究對(duì)象，基于該公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)提供的整車(chē)CAD模型，在Hypermesh中對(duì)其進(jìn)行有限元建模，運(yùn)用大型有限元求解器Nastran中對(duì)其進(jìn)行彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度求解。在剛度求解的基礎(chǔ)上，以白車(chē)身關(guān)鍵鈑金件厚度為設(shè)計(jì)變量，以剛度為約束，以白車(chē)身鈑金件的總質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)，在Nastran200中進(jìn)行靈敏度優(yōu)化分析。最后使該輕客白車(chē)身在達(dá)到剛度目標(biāo)值情況下質(zhì)量最小。

1 有限元模型的建立

由于整車(chē)是由一系列薄壁件構(gòu)成的組合件，在hypermesh的nastran模板下采用Quad4板橋單元對(duì)白車(chē)身進(jìn)行單元離散，為保證仿真精度單元的平均尺寸設(shè)置為10mm，輔以少量的三角形單元以滿(mǎn)足高質(zhì)量網(wǎng)格的過(guò)度需要，但三角形單元要控制在6%以?xún)?nèi)。該車(chē)的連接方式主要是螺栓連接和焊接。螺栓連接采用與螺栓直徑相同的Bar單元模擬，點(diǎn)焊采用Cweld單元模擬，二氧化碳保護(hù)焊采用Rbe3單元模擬[4]。規(guī)定整車(chē)的縱向向后為Y軸正方向，整車(chē)橫向向右為X軸正方向，整車(chē)向上方向?yàn)閆軸正方向。搭建好的該車(chē)有限元模型如圖1所示。

該車(chē)白車(chē)身總成由各種不同材料不同厚度的鈑金構(gòu)成，本次設(shè)計(jì)主要選用由寶鋼生產(chǎn)的DC01，DC03，DC06等材料，這些材料都具有較好的塑性，具體參數(shù)見(jiàn)表1。建立好的白車(chē)身重量為420kg，本次設(shè)計(jì)要求白車(chē)身的質(zhì)量限制在430kg以?xún)?nèi)，在滿(mǎn)足剛度要求的前提下，白車(chē)身質(zhì)量越低越好。

圖1 橫向穩(wěn)定桿CAD模型

表1 材料參數(shù)

2 白車(chē)身彎曲剛度分析

2.1 彎曲剛度邊界條件

約束：約束左端前螺旋彈簧支撐處的13（UX、UY、UZ、FX、FY、FZ分別對(duì)應(yīng)123456）自由度，右端的3自由度，縱梁緩沖座中心部位左端123自由度，右端23自由度。

載荷：找到上述前后約束位置的中間地板處，在兩邊分別做一個(gè)MPC，對(duì)其施加1000N的集中力，方向Z想向下。

位移測(cè)量點(diǎn)：由加載點(diǎn)做XZ平面與左右縱梁底面相交，其形成的交線與左右縱梁的交點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)[5]。

圖2 彎曲工況邊界條件

2.2 彎曲剛度計(jì)算結(jié)果

白車(chē)身彎曲剛度的計(jì)算結(jié)果：彎曲剛度模型測(cè)量點(diǎn)位移分別為0.2948mm和0.3007mm相加求平均值為Z=0.29775mm。轎車(chē)白車(chē)身整體的彎曲剛度D可用車(chē)身載荷F與測(cè)量點(diǎn)位移Z的比值來(lái)衡量，此時(shí)彎曲剛度計(jì)算式為：

計(jì)算得白車(chē)身的彎曲剛度6717N/mm，略小于該車(chē)白車(chē)身彎曲剛度的目標(biāo)值6800N/mm，需做進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3 彎曲工況位移云圖

3 白車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度分析

3.1 扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件

約束：約束縱梁緩沖座中心部位右端23自由度，左端123自由度，前梁中心3自由度。

載荷：前懸掛左右螺旋彈簧支撐處做1個(gè)MPC， Uzright+Uzleft=0；

加載：前懸左前懸掛彈簧支座安裝點(diǎn)處施加一大小為T(mén)=2000Nm的力矩，左右安裝點(diǎn)距離為1010mm，等效為沿Z軸向上大小為3960N的力。

位移測(cè)量點(diǎn)：由加載點(diǎn)做XZ平面與左右縱梁底面相交，其形成的交線與左右縱梁的交點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)[5]。

圖4 扭轉(zhuǎn)工況邊界條件

3.2 扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果

圖5 扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果云圖

白車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度模型測(cè)量點(diǎn)的位移分別為1.53mm和-1.58mm。兩測(cè)量點(diǎn)間的距離為8 0 8 m m，根據(jù)上述數(shù)據(jù)求出扭轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得白車(chē)身的扭轉(zhuǎn)剛度為524761.38KNmm/rad，略小于該車(chē)扭轉(zhuǎn)剛度目標(biāo)值550000-600000Nmm/rad。

4 靈敏度分析及優(yōu)化

分別建立彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度分析模型。以白車(chē)身各個(gè)鈑金件厚度位設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)關(guān)心部件的尺寸厚度0.5d≦D≦1.5d（d為原部件的厚度，D為優(yōu)化后部件的厚度）；以白車(chē)身鈑金件的總質(zhì)量最小為目標(biāo)函數(shù)；以剛度為約束，進(jìn)行靈敏度分析[6]。由于直接的剛度無(wú)法在軟件中體現(xiàn)，白車(chē)身剛度對(duì)鈑金件厚度的靈敏度可以等價(jià)為測(cè)量點(diǎn)Z向的節(jié)點(diǎn)位移的變化量對(duì)鈑金件的靈敏度，因此在模型定義時(shí)，將剛度轉(zhuǎn)化成位移。計(jì)算出的靈敏度結(jié)果指的是該零件每增加1kg質(zhì)量所增加的剛度，計(jì)算結(jié)果如表3、4所示。

5 結(jié)果分析

對(duì)靈敏度影響比較高的零部件厚度進(jìn)行調(diào)

表3 彎曲剛度靈敏度分析

表4 扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析

表5 剛度優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

整后，對(duì)修改后的模型重新進(jìn)行計(jì)算其中彎曲剛度由優(yōu)化前的6717N/mm增加至6844N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度由優(yōu)化前的524761 KNmm/rad增加至554617KNmm/rad，均達(dá)到目標(biāo)值要求。而白車(chē)身的總質(zhì)量由優(yōu)化前的418kg增加到420kg，只增加了2kg就達(dá)到了剛度設(shè)計(jì)要求，且在質(zhì)量要求范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

1) 通過(guò)有限元虛擬仿真分析的結(jié)果可知，本文所分析的白車(chē)身在車(chē)身質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，剛度也達(dá)到了企業(yè)設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

2) 通過(guò)有限元虛擬仿真分析大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。

3) 建立了一套白車(chē)身剛度靈敏度分析優(yōu)化方法，為其他車(chē)型的剛度靈敏度優(yōu)化分析提供了參考。

[1] 黃宗斌,李江柳,等.微型客車(chē)車(chē)身剛度的提升措施[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē),2008,35(5):34－35.

[2] 靳曉雄,單莘,等.轎車(chē)白車(chē)身靜剛度試驗(yàn)中若干問(wèn)題的探討[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究2009,25(4):92-95.

[3] 馬迅,趙幼平.輕型客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)剛度與模態(tài)的有限元分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002,21(1):86－88.

[4] 曹萍,王衛(wèi)英.基于慣性釋放的微型客車(chē)車(chē)身強(qiáng)度分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2011,49(7):46-49.

[5] 桂良進(jìn),范子杰,等.長(zhǎng)安之星微型客車(chē)白車(chē)身剛度研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,40(9):195-198.

[6] 胡志遠(yuǎn),浦耿強(qiáng),高云凱.輕型客車(chē)車(chē)身剛度靈敏度分析及優(yōu)化[J].機(jī)械強(qiáng)度,2003,25 (1):67-70.