劉瑩，蘇陽(yáng)，趙永波，曲曉慶，喬鑫

（華晨汽車工程研究院CAE工程室，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

論某白車身靜態(tài)剛度對(duì)動(dòng)態(tài)剛度與正碰性能的影響

劉瑩，蘇陽(yáng)，趙永波，曲曉慶，喬鑫

（華晨汽車工程研究院CAE工程室，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

文章以研發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)變更為契機(jī)，仿真結(jié)果為依據(jù)，用有限元的手段，論證靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度與動(dòng)態(tài)剛度及碰撞的關(guān)系。借以拋磚引玉，引發(fā)深入思考，為設(shè)計(jì)過(guò)程中的性能關(guān)聯(lián)性提供參考。

扭轉(zhuǎn)；動(dòng)態(tài)剛度；正碰；影響

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.021

CLC NO.: U463.82 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-60-03

引言

扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)模態(tài)、正面碰撞作為車身設(shè)計(jì)的重要性能工況，在性能體系里面占有重要的位置。往往我們會(huì)要求車身的剛度達(dá)到一定的水平來(lái)滿足市場(chǎng)的需求。近些年來(lái)，行業(yè)內(nèi)的水平不斷的在提高的同時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度的水平與動(dòng)態(tài)性能及碰撞的指標(biāo)究竟有何種聯(lián)系？本文以下內(nèi)容將逐一論述。

1、模態(tài)及動(dòng)剛度

汽車白車身結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能仿真計(jì)算屬于線彈性問(wèn)題，其中彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算屬于線彈性范圍內(nèi)的靜力學(xué)問(wèn)題，模態(tài)及動(dòng)剛度屬于線彈性范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算，基于有限元法和線性振動(dòng)理論。具有有限自由度的線彈性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可用虛功原理給出，其形式為[1]：

其中，M為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣，Z為系統(tǒng)阻尼矩陣，K為系統(tǒng)的剛度矩陣，P(t)為載荷列陣，由于要計(jì)算的是結(jié)構(gòu)的固有特性，載荷不存在，同時(shí)因車身阻尼很小可以忽略不計(jì)，所以車身結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性的計(jì)算就成為有限個(gè)自由度系統(tǒng)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)問(wèn)題，其系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為：

由此，車身結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化成為求解上述方程的特征值和特征向量問(wèn)題。

對(duì)于受動(dòng)載荷激勵(lì)的車身結(jié)構(gòu)，我們考察其動(dòng)態(tài)剛度特性。對(duì)（2-1）式進(jìn)行傅里葉變換[2]：

2、動(dòng)剛度分析的必要性

車輛在道路上行駛一般承受動(dòng)態(tài)激勵(lì)，而我們通常考察的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，在這樣的動(dòng)態(tài)激勵(lì)下是否還能保持一個(gè)的水平，這個(gè)水平的趨勢(shì)是什么？

本文闡述的靜動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，實(shí)際上規(guī)避了局部結(jié)構(gòu)（加載區(qū)域）的剛度水平以達(dá)到評(píng)價(jià)整體車身性能的目的。實(shí)現(xiàn)的方式是在加載點(diǎn)的縱梁投影點(diǎn)來(lái)讀取響應(yīng)，這樣做的好處是在局部剛度合理的前提下，進(jìn)一步探討車身結(jié)構(gòu)的合理性。

某車型靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度為21335Nm/deg，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為47.8HZ.通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析得到兩種狀態(tài)（約束的動(dòng)態(tài)特性與FREE-FREE-STATE 動(dòng)態(tài)特性）下的動(dòng)力學(xué)行為，如下：

圖1 動(dòng)態(tài)加載方式

如圖，兩種行為下剛度值在0Hz的時(shí)候得到的扭轉(zhuǎn)剛度均等于靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度。但，隨著頻率的提高，剛度均由基礎(chǔ)狀態(tài)21335 Nm/deg變化到2733Nm/deg和2630Nm/deg，最低值分別發(fā)生在18.7Hz和48Hz。

圖2 動(dòng)剛度變化

因此，我們看到，無(wú)論哪種動(dòng)態(tài)剛度均反映，實(shí)際車體應(yīng)用狀態(tài)下尤其是特定頻率激勵(lì)下，剛度特性大幅下降，扭轉(zhuǎn)剛度不能保證在行駛過(guò)程中達(dá)到恒定水平。

3、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度與扭轉(zhuǎn)模態(tài)的關(guān)系

3.1 設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)剛度變化

圖3 鈑金料厚更改

圖4 厚度更改后扭轉(zhuǎn)剛度云圖

以上我們發(fā)現(xiàn)自由模態(tài)的扭轉(zhuǎn)頻率恰恰就是47.8Hz。那么扭轉(zhuǎn)剛度是否對(duì)應(yīng)自由模態(tài)，哪個(gè)模態(tài)影響更大（兩個(gè)模態(tài)模型質(zhì)量一致）？通過(guò)模型的設(shè)計(jì)更改，我們繼續(xù)探討：

料厚的變化后的剛度是16921Nm/deg，比基礎(chǔ)模型低4414Nm/deg。

3.2 評(píng)價(jià)方法找到危險(xiǎn)區(qū)域

雖然，我們?cè)诹私庠O(shè)計(jì)變化的前提下，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)變化對(duì)性能的影響。但從正向設(shè)計(jì)的角度來(lái)講，我們可否通過(guò)性能的指標(biāo)來(lái)找到設(shè)計(jì)的薄弱區(qū)域？ 以下是設(shè)計(jì)前后的扭轉(zhuǎn)性能曲線。

圖5 車身扭轉(zhuǎn)曲線圖

從曲線上分析，相同扭矩之下，從1位置開(kāi)始，扭轉(zhuǎn)角就發(fā)生改變。但隨著車前方走勢(shì)差距似乎不再變大。于是將曲線疊加相減得到曲線mm，誤差變化更加明顯。根據(jù)該曲線，我們?nèi)匀徊荒苷业絾?wèn)題的關(guān)鍵區(qū)域，于是將曲線mm每100mm幅值遞減曲線得到曲線nn，我們發(fā)現(xiàn)：大部分前車身剛度基本沒(méi)有區(qū)別，而在曲線nn的特定區(qū)域位置1到位置2，性能大幅下降。由于此位置正是衣帽架所處的投影區(qū)域，我們可以準(zhǔn)確找到薄弱環(huán)節(jié)，與我們初始的更改區(qū)域一致。

3.3 剛度和模態(tài)是否有對(duì)應(yīng)關(guān)系

綜合以上分析結(jié)果列于下表。

表1 分析結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)剛度下降后對(duì)自由模態(tài)影響較小，但對(duì)約束模態(tài)影響很大，其變化量與扭轉(zhuǎn)剛度值值的變化量相當(dāng)。

4、靜扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)碰撞的影響

實(shí)際發(fā)生更改的區(qū)域?yàn)橐旅奔芟鄳?yīng)結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)離正面碰撞的關(guān)鍵區(qū)域，不會(huì)因?yàn)榫植棵舾袇^(qū)域的改變而對(duì)碰撞性能造成的影響，支撐論點(diǎn)的論據(jù)更為客觀。

圖6 正碰變形圖

表2 性能指標(biāo)對(duì)比

圖6為碰撞最終的變形圖，通過(guò)表2可知，衣帽架的剛度變化，對(duì)侵入量影響不大，但加速度左側(cè)增加4G,右側(cè)增加1G.影響較大。

圖7 基礎(chǔ)模型曲線

圖8 更改模型曲線

通過(guò)圖7與圖8對(duì)比可知，碰撞的波形總體上并未發(fā)生大的變化，但峰值與谷值變化較為激烈。由本次分析，我們清楚看到：雖然剛度變化區(qū)域遠(yuǎn)離碰撞的主要區(qū)域，但由于后端剛度的降低，導(dǎo)致碰撞的加速度發(fā)生改變

5、結(jié)論

1）實(shí)際車體應(yīng)用狀態(tài)下尤其是特定頻率激勵(lì)下，剛度特性大幅下降，扭轉(zhuǎn)剛度不能保證在行駛過(guò)程中達(dá)到恒定水平。

2）通過(guò)軸向扭轉(zhuǎn)角度隨變化值曲線，能夠成功找到扭轉(zhuǎn)剛度的薄弱區(qū)域。進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到針對(duì)性優(yōu)化的目的。

3）扭轉(zhuǎn)剛度的變化對(duì)相同約束下的扭轉(zhuǎn)模態(tài)存在強(qiáng)相關(guān)，間接影響自由模態(tài)

4）遠(yuǎn)離碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)更改同樣影響到碰撞等動(dòng)力學(xué)行為，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，尤其把握性能評(píng)估的同步性。

[1] 周中堅(jiān),盧耀祖.機(jī)械與汽車結(jié)構(gòu)有限元分析[M].同濟(jì)大學(xué)出版社.1997.7

[2] 李東旭.高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

圖7 2號(hào)進(jìn)氣管實(shí)測(cè)性能與仿真性能對(duì)比

如圖7所示，2號(hào)進(jìn)氣管的實(shí)測(cè)扭矩和功率與仿真的扭矩和功率結(jié)果吻合程度也很高。在2500r/min到4500r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)扭矩值的下降比仿真扭矩明顯要小，與仿真值差距較大。但是實(shí)測(cè)的扭矩值與1號(hào)進(jìn)氣管進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?號(hào)進(jìn)氣管發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩值平均提高了7%左右。對(duì)于節(jié)能車進(jìn)氣管進(jìn)氣管長(zhǎng)度的仿真和優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期效果。

實(shí)際在操場(chǎng)試車過(guò)程中，節(jié)能車由20km/h加速到45km/h的加速時(shí)間由原來(lái)的平均6.5秒縮短到5秒左右，每次加速的油耗值也由原來(lái)的1.0ml減小到0.8ml,節(jié)能車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都有了較大的提高。

3、結(jié)論

本文利用發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算軟件GT-Power分析了節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管長(zhǎng)度變化對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響。并對(duì)節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。由此得出如下結(jié)論：

1）建立的節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真模型能準(zhǔn)確模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況，便于對(duì)節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)其他參數(shù)的仿真優(yōu)化提供依據(jù)。

2）利用節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程仿真模型，計(jì)算分析不同進(jìn)氣管管長(zhǎng)度下發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，篩選出了最優(yōu)的參數(shù)組合。優(yōu)化后的進(jìn)氣管改善了節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩，縮短了加速時(shí)間，提高了節(jié)能車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1] Liu J P, J F Bingham. Effects of Intake System Dimension on Volumetric Efficiency-Speed Characteristics of MultiCylinder Engines［J］Transaction of CSICE. 1997.150.

[2]韓同群.電噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2005, 26(3):22-26.

[3] 石來(lái)華,馮仁華.基于GT-POWER模型的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化[J].客車技術(shù)與研究,2010,3.

Study Of Dynamic Stiffness And Frontal Collision Based On Static Stiffness Of The BIW

Liu Ying, Su Yang, Zhao Yongbo, Qu Xiaoqing, Qiao Xin
(Brilliance Automobile Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141)

Absract: During the process of BIW design, we make a study of the relationship of the static stiffness, dynamic stiffness and frontal collision based on the result of FEM analysis. It’s a preliminary study and needs to be study more. The result is useful for the relationship of different performance.

Torsion; Dynamic stiffness; Frontal collision; Influence

U463.82

A

1671-7988 (2016)12-60-03

劉瑩，就職于華晨汽車工程研究院。