鄧曉龍，　馮國(guó)勝，　李鵬飛，　馬俊長(zhǎng)

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊　050043;2.河北御捷車業(yè)有限公司，河北 邢臺(tái)　054800)

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基于ANSYS Workbench的某轎車車身剛度研究

鄧曉龍1，馮國(guó)勝1，李鵬飛1，馬俊長(zhǎng)2

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊050043;2.河北御捷車業(yè)有限公司，河北 邢臺(tái)054800)

摘要：利用Catia軟件對(duì)某轎車車身的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，對(duì)車身進(jìn)行前置處理并檢查有限元網(wǎng)格劃分質(zhì)量。模擬仿真車身彎曲和扭轉(zhuǎn)工況，計(jì)算車身相應(yīng)剛度值、應(yīng)力分布和車身開口處對(duì)角線變化值。分析仿真結(jié)果表明該車車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都有一定的不足，但車身開口對(duì)角線變形量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，為整車的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：CATIA ；Workbench；彎曲剛度；扭轉(zhuǎn)剛度；變形量

0引言

車身剛度是汽車性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，直接或間接地影響車輛的密封性、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性等[1]?，F(xiàn)代的轎車多采用承載式車身，它具有質(zhì)量小、高度低、裝配容易等優(yōu)點(diǎn)，滿足整車輕量化的要求[2]。承載式車身沒有剛性的整體車架，只是加強(qiáng)了車頭、側(cè)圍、車尾、底板等部位，車身所受的外界負(fù)載通過懸架裝置傳遞給車輪，車身承擔(dān)了所有的扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷，因此，研究承載式車身的剛度特性具有非常重要的意義。

1車身三維模型簡(jiǎn)化

Catia V5軟件是一款功能強(qiáng)大應(yīng)用范圍廣泛的CAD/CAE/CAM集成化三維軟件，可以對(duì)產(chǎn)品整個(gè)開發(fā)過程的各個(gè)方面進(jìn)行仿真[3]。且Catia 的曲面造型功能相當(dāng)突出，已經(jīng)在汽車行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。車身結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,對(duì)原有的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元求解會(huì)很困難，甚至無解，因此要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。在保留車身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主要力學(xué)特性的前提下簡(jiǎn)化車身，忽略半徑較小的孔洞、圓角及非承載用的小零件等。某企業(yè)正在研發(fā)的車身三維模型如圖1所示，簡(jiǎn)化后的三維模型如圖2所示。

圖1　車身三維模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　筒化后車身三維模型

2車身剛度仿真過程中網(wǎng)格質(zhì)量的檢查

Workbench是ANSYS公司開發(fā)的新一代協(xié)同仿真環(huán)境，善于對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分，人機(jī)界面好，便于操作，支持幾乎所有的有限元分析功能[4]。將簡(jiǎn)化好的三維模型導(dǎo)入到 Workbench中，進(jìn)行前置處理，求解和后置處理即完成有限元分析過程[5]。

圖3　車身網(wǎng)格

整個(gè)流程中控制好網(wǎng)格的數(shù)量和形狀，檢查網(wǎng)格質(zhì)量至關(guān)重要。劃分網(wǎng)格時(shí)，因三角形單元為常應(yīng)變單元，應(yīng)避免或少選用三角形單元，其只能反應(yīng)出簡(jiǎn)單的應(yīng)變狀態(tài)；而四邊形單元內(nèi)部應(yīng)變分布狀態(tài)是線性變化的，精度比三角形單元的要高很多，即四邊形單元越多計(jì)算越精確，且四邊形單元的形狀越接近正方形越好[6]。網(wǎng)格劃分的越小計(jì)算精度越高，但會(huì)延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間，計(jì)算時(shí)間取決于模型中最小單元的尺寸[7]，因此要控制好單元的尺寸大小。本車身共劃分為71 044個(gè)單元，70 939個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3車身網(wǎng)格所示。

在 Workbench中網(wǎng)格質(zhì)量檢查有8個(gè)項(xiàng)目，其中最為基礎(chǔ)和重要的是單元質(zhì)量檢查和單元畸變度檢查。

單元質(zhì)量檢查是基于一個(gè)給定單元的體積與邊長(zhǎng)間的比率。其值處于0～1之間，0為最差，1為最好。如圖4質(zhì)量評(píng)估單元數(shù)柱狀圖所示：為1的單元有44 689個(gè)占了總體單元的一半以上，且小于0.5的幾乎為零。

單元畸變度是最基本的網(wǎng)格質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)。其值處于0～1之間，0為最好，1為最差。一般超過0.95的網(wǎng)格數(shù)量要極少，最好沒有。如圖5畸變度評(píng)估單元數(shù)柱狀圖所示：為0的單元有45 744個(gè)占了總體單元的一半以上，且小于0.75的幾乎為零。

由圖4、圖5可知，車身劃分的單元由3節(jié)點(diǎn)三角形單元和4節(jié)點(diǎn)四邊形單元組成，并且4節(jié)點(diǎn)四邊形遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于3節(jié)點(diǎn)三角形單元。綜合考慮，則車身網(wǎng)格劃分合格，且是比較優(yōu)秀的。

圖4　質(zhì)量評(píng)估單元數(shù)柱狀圖

圖5　畸變度評(píng)估單元數(shù)柱狀圖

3車身剛度仿真計(jì)算

與汽車車身的剛度相關(guān)的工況有多種,最主要的是車身彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況[8]。汽車在良好的路面上勻速行駛時(shí)的彎曲剛度，可以用汽車靜止時(shí)加載的彎曲剛度來衡量。汽車在很壞的路上行駛速度很慢，因而動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)的極限工況與靜態(tài)扭轉(zhuǎn)相差不多，可以將車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)的剛度值來替代車身動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)的剛度值。

3.1彎曲剛度計(jì)算

在滿載情況下，固定支撐車身前、后4個(gè)懸置處，得到地板的最大彎曲位移量umax(撓度)，車身彎曲受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。車身所受的所有載荷力∑F與車身的最大彎曲位移量umax的比值為車身的彎曲剛度

(1)

圖6　車身彎曲受力簡(jiǎn)圖

汽車的設(shè)計(jì)要求是最多乘坐5個(gè)成人(前面2個(gè)，后面3個(gè))，每個(gè)成人按65 kg計(jì)算，駕駛員和副駕駛座椅的質(zhì)量為10 kg，后座椅的質(zhì)量為20 kg。則F1和F2都為735N,F3為2 107 N。在Workbench中施加相應(yīng)的約束和外力，得到車身變形圖，如圖7所示，車身的最大彎曲位移量為1.150 2 mm，則車身彎曲剛度為3 109.89 N/mm。車身的應(yīng)力云圖，如圖8所示，最大應(yīng)力為119.6 MPa。

圖7　車身的位移變形云圖　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　車身的應(yīng)力云圖

3.2扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算

圖9　車身扭轉(zhuǎn)簡(jiǎn)圖

當(dāng)車前輪遇到突起物抬起時(shí)發(fā)生的扭轉(zhuǎn)變形最為嚴(yán)重，模擬此工況則限制車身左后和右后2個(gè)懸置處的3個(gè)平動(dòng)自由度，在左右前懸置處施加扭矩M,扭矩M可轉(zhuǎn)化為兩個(gè)大小相等、方向相反的力F分別作用左前和右前懸置處。車身扭轉(zhuǎn)簡(jiǎn)圖如圖9所示。

圖9中的力F可由公式(2)求得

(2)

式中，L為左右兩懸置處的距離。

圖9中的u,h則為左右懸置處豎直方向的位移量，則車身相對(duì)于水平面的最大轉(zhuǎn)角θmax可由公式(3)求得

(3)

則扭轉(zhuǎn)剛度由公式(4)求得

(4)

對(duì)于輕、微型轎車計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度一般施加3 000 N·m的扭矩[9]，左右前懸置處的距離為985 mm，則應(yīng)施加3 045.7 N的力。由Workbench分析得到車身扭轉(zhuǎn)工況豎直方向變形圖，如圖10所示，底板和發(fā)動(dòng)機(jī)支架左右位置處在豎直方向的最大位移量約為-3.3 mm和3.3 mm，最大變形量處的水平距離約為1 030 mm，則車身相對(duì)水平面的最大轉(zhuǎn)角為0.367°，車身的扭轉(zhuǎn)剛度則為8 174.4 N·m/(°)。在此工況下，再進(jìn)行滿載分析得出車身的應(yīng)力云圖如圖11所示，最大應(yīng)力為253.42 MPa。

圖10　車身扭轉(zhuǎn)工況豎直方向變形圖　　　　　　　　　　圖11　車身扭轉(zhuǎn)工況滿載下應(yīng)力云圖

3.3車身開口對(duì)角線變化量計(jì)算

圖12　車身開口部分對(duì)角線位置圖

在分析車身扭轉(zhuǎn)剛度過程中，車身開口處對(duì)角線的變形量是非常大的，也是衡量車身扭轉(zhuǎn)剛度的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。則在本文扭轉(zhuǎn)工況下，分析計(jì)算車身前、后風(fēng)窗，右側(cè)兩車門處對(duì)角線的長(zhǎng)度變化情況，如圖12所示。將Workbench中分析好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS中，分析求解得出車身開口對(duì)角線變形量，如表1所示。

表1　扭轉(zhuǎn)工況車身開口對(duì)角線變形量　mm

4結(jié)論

(1) 在彎曲工況時(shí)，車身彎曲剛度為3 109.89 N/mm，而國(guó)外同種類型的車設(shè)計(jì)參考值為12 200 N/mm，通過比較，認(rèn)為該車身的彎曲剛度較低，應(yīng)加以改進(jìn)提高。滿載工況下，車身最大應(yīng)力為136.29 MPa，車身材料為Q235，最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，則車身發(fā)生破壞的可能性較小。

(2)在扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，車身扭轉(zhuǎn)剛度為8 174.4 N·m/(°)，而國(guó)外同種類型的車設(shè)計(jì)參考值為13 000 N·m/(°)，通過比較，認(rèn)為該車身的扭轉(zhuǎn)剛度偏低，應(yīng)加以改進(jìn)提高。滿載工況下，車身最大應(yīng)力為253.42 MPa， 車身材料為Q235，最大應(yīng)力值偏高，車身后地板支架處發(fā)生破壞的可能性較大。

(3)表1中車身開口對(duì)角線變形量‘+’為對(duì)角線增長(zhǎng)，‘-’為對(duì)角線減短。變形量的絕對(duì)值都在參考值范圍內(nèi)，則車身開口處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性較高。

(4)由于是對(duì)簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行分析，存在一定的誤差。但在汽車的前期設(shè)計(jì)階段，為車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了一定的參考，可避免車身設(shè)計(jì)的前期試驗(yàn)，為廠家節(jié)約成本，縮短開發(fā)周期，具有一定的可參考性。

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Study on Stiffness of Car Body Based on ANSYS Workbench

Deng Xiaolong1,Feng Guosheng1,Li Pengfei1,Ma Junchang2

(1.School of Mechanical Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China;2.Hebei YOGOMO Special Vehicle Manufacturing Co.,Ltd.,Xingtai 054800, China)

Abstract:By simplifying the 3D model of a car body by using Catia software, importing it to ANSYS Workbench, the body finite element meshing quality is checked in pre-processing. Through simulation of the working condition of body bending and torsion, the corresponding body stiffness is calculated as well as the stress distribution and the car body openings change of the diagonal. Analyses of the simulation results conclude that the car body bending stiffness and torsional rigidity have some shortcomings, but body openings diagonal deformation is within the scope of the standard,and this provides a reference for the design and optimization of vehicle structure.

Key words:CATIA; Workbench; bending stiffness; torsional rigidity; deformation

中圖分類號(hào)：U463.82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-0373(2016)01-0064-05

作者簡(jiǎn)介：鄧曉龍(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐囕v現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。E-mail:1055290716@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11272220)；河北省科技項(xiàng)目(14C1303193005)；河北省“2011”協(xié)同創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013-37)

收稿日期：2015-01-17責(zé)任編輯:劉憲福

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.12

鄧曉龍，馮國(guó)勝，李鵬飛，等.基于ANSYS Workbench的某轎車車身剛度研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(1):64-68.