遲瑞豐， 母德強(qiáng)， 王金武

（1.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.長春工業(yè)大學(xué) 國際教育學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引 言

車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是車身設(shè)計(jì)過程中的一個重要環(huán)節(jié)［1］，在設(shè)計(jì)初期對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速預(yù)測，不僅可以整體把握車身結(jié)構(gòu)的性能，而且可以避免在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段可能出現(xiàn)的問題，為詳細(xì)設(shè)計(jì)提供可行的設(shè)計(jì)方案。車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)已成為車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題，受到國內(nèi)外研究人員的高度重視［2－7］。文中采用有限元的方法對某款轎車進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算了該車的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及模態(tài)。

1 概念車身結(jié)構(gòu)模型的創(chuàng)建

在車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段，為了提高車身的設(shè)計(jì)效率，往往以簡化的車身幾何模型作為研究對象進(jìn)行力學(xué)分析，這種車身模型也被稱為車身概念模型，在建立車身概念模型時，從整體入手進(jìn)行簡化，承載的梁結(jié)構(gòu)簡化成直線或曲線，復(fù)雜的板結(jié)構(gòu)去掉局部幾何特征，簡化成形狀比較規(guī)則的幾何面，對于一些對車身整體力學(xué)性質(zhì)影響較小的局部細(xì)節(jié)，例如圓孔、局部加強(qiáng)筋等可以忽略。建立的某款轎車的車身概念模型如圖1所示。

圖1 某款轎車的車身概念模型

在此基礎(chǔ)上建立有限元模型，利用梁單元和板單元對車身概念模型劃分單元，根據(jù)車身概念模型創(chuàng)建的有限元模型，該模型共有5 325個單元，4 527個節(jié)點(diǎn)。某款轎車有限元模型如圖2所示。

圖2 某款轎車有限元模型

2 梁截面力學(xué)參數(shù)的計(jì)算

截面力學(xué)性能是梁單元的重要屬性，它是體現(xiàn)梁單元承載能力的一個重要因素，在傳統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)中，梁單元常采用數(shù)值型截面，即把截面的力學(xué)參數(shù)賦給截面，這種方式雖然提高了設(shè)計(jì)的效率，但卻忽略了截面放置的方向?qū)嚿斫Y(jié)構(gòu)性能的影響，降低了設(shè)計(jì)的精度。為了避免這種情況的發(fā)生，在本設(shè)計(jì)中，采用了簡化的幾何梁截面，利用線段構(gòu)成車身各梁對應(yīng)的截面的幾何形狀，根據(jù)式（1）～式（5）計(jì)算截面的各種力學(xué)參數(shù)，這些參數(shù)直接影響到車身的承載能力，對車身結(jié)構(gòu)十分重要。

截面慣性矩計(jì)算公式：

開口截面計(jì)算公式：

閉口截面計(jì)算公式：

截面面積公式：

式中：t——各截面線段的厚度；

l——各截面線段的長度；

θ——各截面線段相對于y軸的夾角；

cy——從各截面線段中心到截面中心y方向坐標(biāo)的距離；

cz——從各截面線段中心到截面中心z方向坐標(biāo)的距離；

公式顯示圖如圖3所示。

圖3 公式顯示圖

該轎車簡化后的車身梁截面形狀以及根據(jù)上述公式計(jì)算得到的截面力學(xué)參數(shù)，由于篇幅有限，僅列出3個截面的參數(shù)。截面數(shù)據(jù)見表1。

表1 截面數(shù)據(jù)表

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對梁單元賦予幾何截面，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整梁截面的放置方向，這種模擬方法大大提高了設(shè)計(jì)的精度。

3 接頭單元的模擬

接頭是車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的另一個重要因素，研究表明，在概念設(shè)計(jì)階段，接頭對車身整體剛度和模態(tài)都具有較大影響。因此，在概念設(shè)計(jì)階段，必須考慮接頭單元對車身結(jié)構(gòu)的作用。

根據(jù)接頭的力學(xué)性質(zhì)，建立接頭剛度方程，如下式：

式中：M——加載的力矩；

K——接頭單元的剛度矩陣；

θij——接頭分支的角位移；

i——接頭的各分支；

j——坐標(biāo)系方向。

在研究接頭某一分支剛度時，將剛度方程進(jìn)行解耦，得到分支的剛度矩陣，見式（7），根據(jù)式（7）計(jì)算該車身5個主要接頭的剛度。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 接頭剛度計(jì)算結(jié)果 單位：kN／rad

采用一個剛性單元和3個相互垂直的扭轉(zhuǎn)彈簧單元模擬接頭分支，扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度值由上述計(jì)算可得。對于剛性單元，為了保持接頭中心與各分支線位移一致，釋放剛性單元的3個轉(zhuǎn)動自由度，而約束其它3個平動自由度。通過這種方式實(shí)現(xiàn)了對接頭單元的模擬。

4 車身結(jié)構(gòu)計(jì)算

對車身有限元模型進(jìn)行求解，分別計(jì)算車身的扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度以及模態(tài)，并與最終的詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比分析。計(jì)算各車身洞口變形量，洞口變形示意圖如圖4所示。

圖4 車身洞口變形圖

洞口對比結(jié)果見表3。

表3 車身洞口變形對比

通過表3對比可知，概念設(shè)計(jì)的大部分模擬結(jié)果與詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果比較接近，但也存在一定誤差，產(chǎn)生誤差的主要原因在于對幾何模型進(jìn)行了一定的簡化，忽略了一些細(xì)節(jié)特征，但對于設(shè)計(jì)人員來說，在概念設(shè)計(jì)階段更關(guān)注的是車身整體結(jié)構(gòu)的情況，因此，概念設(shè)計(jì)的結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)的要求。

扭轉(zhuǎn)工況的位移分布圖如圖5所示。

圖5 扭轉(zhuǎn)工況的位移分布圖

彎曲工況的位移分布圖如圖6所示

圖6 彎曲工況的位移分布圖

在計(jì)算模態(tài)時，由于概念車身模型省略了加強(qiáng)筋等一些特征，所以導(dǎo)致局部模態(tài)的產(chǎn)生，為了避免這種情況，忽略概念模型中的板結(jié)構(gòu)，只計(jì)算和對比梁結(jié)構(gòu)的車身模型，一階振形圖如圖7所示。

圖7 一階振形圖

二階振形圖如圖8所示。

圖8 二階振形圖

對比扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度以及模態(tài)結(jié)果見表4。

表4 概念設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)對比

根據(jù)表4對比可知，本次模擬的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度都略大于詳細(xì)的設(shè)計(jì)結(jié)果，而模態(tài)結(jié)果都略小于詳細(xì)結(jié)果，誤差都在20%以內(nèi)。而車身質(zhì)量誤差僅為5%，通過以上對比，本次概念設(shè)計(jì)的結(jié)果基本能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測車身結(jié)構(gòu)的整體性能。

5 結(jié) 語

對某款轎車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，建立了該轎車的有限元模型，設(shè)計(jì)并簡化了該車的梁截面，計(jì)算了截面的力學(xué)屬性，模擬了5個主要的接頭，計(jì)算了該車型的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及三階模態(tài)，并與詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了對比，對比結(jié)果比較接近，能夠從整體反映車身的整體性能，為車身設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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