焦學(xué)健，邢 帥， 趙慧力，曲學(xué)凱

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

基于Hyperworks某乘用車白車身剛度及模態(tài)分析

焦學(xué)健，邢 帥， 趙慧力，曲學(xué)凱

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

為研究車身的強(qiáng)度、剛度以及模態(tài)的性能指標(biāo)，避免車身在使用過(guò)程中出現(xiàn)塑性變形和局部斷裂的現(xiàn)象，利用Hyperworks軟件對(duì)車身進(jìn)行有限元仿真分析.通過(guò)建立彎曲、扭轉(zhuǎn)以及模態(tài)工況，最終獲取整車的剛度、模態(tài)頻率及振型.有限元分析結(jié)果顯示，白車身有良好的彎曲剛度，扭轉(zhuǎn)剛度偏低；低階模態(tài)頻率高，有良好的低頻特性.在后續(xù)改進(jìn)中應(yīng)采取相應(yīng)措施提高其扭轉(zhuǎn)剛度.

白車身；扭轉(zhuǎn)剛度；彎曲剛度；模態(tài)分析；Hyperworks

現(xiàn)代轎車車身大多數(shù)采用全承載式結(jié)構(gòu)，這在很大程度上滿足了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輕量化要求．承載式車身幾乎承載了轎車使用過(guò)程中的各種載荷，如扭轉(zhuǎn)、彎曲和碰撞載荷等．在這些載荷的作用下，轎車車身的剛度特性尤顯重要.如果白車身剛度不足，在使用過(guò)程中車身變形會(huì)比較大，特別是立柱、門(mén)框、窗框等關(guān)鍵部位的變形過(guò)大時(shí)，可能造成門(mén)鎖變形、內(nèi)飾脫落、整車密封性差，甚至車門(mén)卡死、框內(nèi)玻璃被擠碎等現(xiàn)象．因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮白車身整體剛度和關(guān)鍵部位的變形．本文通過(guò)有限元仿真分析為白車身設(shè)計(jì)提供參考.

1 白車身有限元模型的建立

對(duì)工程項(xiàng)目的分析和研究，CAD數(shù)據(jù)一定先于CAE數(shù)據(jù)，這就要求在做分析之前，首先必須依據(jù)CAD數(shù)據(jù)建立CAE的有限元模型，在有限元模型建立的過(guò)程中，要保證兩者的一致性，確保后續(xù)進(jìn)行分析的有限元模型能夠充分反映車身的真實(shí)性能情況[1].因此，建立有效高質(zhì)量的有限元模型至關(guān)重要.

1.1 白車身網(wǎng)格處理

大部分車身構(gòu)件是由薄板件沖壓而成的，所以采用2D殼單元來(lái)模擬車身構(gòu)件，在保證模型計(jì)算精度與速度的前提下，單元基本尺寸定義為15mm，并對(duì)網(wǎng)格設(shè)置相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1.

表1 網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)

單元質(zhì)量檢查參數(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)翹曲/(°)<5長(zhǎng)寬比<5扭曲度/(°)<40雅可比值>0．6三角形最小內(nèi)角/(°)<30三角形最大內(nèi)角/(°)<120四邊形最小內(nèi)角/(°)<40四邊形最大內(nèi)角/(°)<140

1.2 白車身材料參數(shù)

該轎車白車身使用的鋼板厚度范圍為0.5～4mm，大多數(shù)零件的材料厚度在0.8～3mm，白車身的材料性能見(jiàn)表2.

表2 轎車白車身材料性能

零件材料密度t/mm彈性模量/Mpa泊松比屈服應(yīng)力/Mpa保險(xiǎn)杠塑料9．13×10-1130．6--鈑金件低碳鋼7．90×10-92100000．3140～800焊點(diǎn)鋼7．90×10-92100000．3140～800

1.3 白車身的連接方式

轎車白車身大約有4000個(gè)左右的焊點(diǎn)，一般由車身的六大部件焊接成型，包括地板總成、左右側(cè)圍、頂蓋、下車身、后擱板，本文采用Hyperworks中的ACM焊點(diǎn)類型來(lái)模擬車身的連接.ACM(AreaContactMethod)是一種特殊的焊接方法，不同于剛性單元結(jié)點(diǎn)連接的方法,它是由一個(gè)六面體(PSOLID)和RBE3 單元組成，更能準(zhǔn)確模擬焊點(diǎn)信息，不會(huì)增加局部的剛度,如圖1所示.

圖1 焊點(diǎn)ACM

該白車身共有171個(gè)零件，在有限元模型中共有384 595個(gè)單元，375 540個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 500個(gè)焊點(diǎn).白車身有限元模型如圖2所示.

圖2 白車身有限元模型

2 白車身剛度分析

汽車車身的基本功能是安裝汽車的各零件，并保證各零件相對(duì)位置不變.汽車在平坦路面上勻速行駛的彎曲載荷和在崎嶇路面上低速行駛時(shí)的扭轉(zhuǎn)載荷，是汽車在使用過(guò)程中常遇到的兩種工況載荷[2].為避免車身在遇到以上工況時(shí)出現(xiàn)大變形，車身的剛度需要滿足一定的要求.

2.1 彎曲剛度分析

對(duì)車身進(jìn)行彎曲剛度分析時(shí)采用接近實(shí)際情況的載荷施加方式，按照實(shí)際的運(yùn)行工況施加約束條件.

約束：約束前后左右彈簧支座X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度如圖3所示.

圖3 彎曲工況約束

載荷：在前排左右座椅位置沿Z軸方向分別施加大小為1 500N的集中載荷，在后排座椅的中間位置沿Z軸方向施加大小為4 000N的集中載荷，并通過(guò)RBE3的方式將載荷加載點(diǎn)與地板柔性連接，如圖4所示.

圖4 彎曲載荷施加

車身結(jié)構(gòu)的彎曲剛度可以通過(guò)車身前后縱梁下方、門(mén)檻梁下方、前圍板下部沿Z軸方向的撓度來(lái)評(píng)價(jià)，測(cè)量點(diǎn)的間隔為150mm，共29個(gè)測(cè)量點(diǎn).如圖5所示.

圖5 車身底部測(cè)量點(diǎn)

計(jì)算輸出測(cè)量點(diǎn)沿Z軸的變形量，結(jié)果如圖6所示.

圖6 測(cè)量點(diǎn)變形曲線

通過(guò)圖6曲線可以看出在節(jié)點(diǎn)ID=910處的變形量最大，最大變形量為0.55mm.

車身彎曲剛度的求解公式為

(1)

式中：Kb為彎曲剛度(N/mm)；W為加載的全部彎曲載荷(N)；d為地板以及門(mén)檻梁、縱梁位置的最大撓度(mm)[3].

通過(guò)式(1)計(jì)算可得車身的彎曲剛度為14 000N/mm.

2.2 扭轉(zhuǎn)工況分析

在對(duì)白車身進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況分析時(shí)，按照工況條件施加約束條件，并給白車身施加扭轉(zhuǎn)載荷.

約束:約束前防撞梁中間部位X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度，約束左右后彈簧支座處的X、Y、Z平動(dòng)自由度.

載荷：在前減震器安裝支座位置施加大小相等、方向相反的垂向力，形成扭矩.最大扭轉(zhuǎn)載荷計(jì)算公式為

(2)

式中：P為前軸最大載荷；S為前輪輪距；T為扭轉(zhuǎn)載荷.

上述約束反載荷如圖7所示.白車身在扭轉(zhuǎn)工況下的位移云圖如圖8所示.

圖7 扭轉(zhuǎn)工況約束及載荷

圖8 扭轉(zhuǎn)工況位移云圖

車身扭轉(zhuǎn)剛度的求解公式為

(3)

式中：T為施加扭轉(zhuǎn)載荷;δL為左側(cè)前懸架安裝點(diǎn)的撓度值;δR為右側(cè)懸架安裝點(diǎn)的撓度值;L為左右安裝點(diǎn)的距離[3].

由扭轉(zhuǎn)工況下的云圖可知δL=6.8mm，δR=7.25mm，L為1 575mm，求得車身的扭轉(zhuǎn)剛度為K=9244(N·m)/(°)

2.3 白車身模態(tài)分析

模態(tài)是對(duì)車身結(jié)構(gòu)固有動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)反應(yīng)，其固有頻率和振型都與外界載荷條件無(wú)關(guān).車身結(jié)構(gòu)的振型主要集中在低頻率段，所以求解模態(tài)頻率范圍可設(shè)置在60Hz以內(nèi)，這樣可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高效率[4].

對(duì)汽車進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，將無(wú)限多自由度的車身進(jìn)行離散化處理，其運(yùn)動(dòng)微分方程可表示為

(4)

式中：M為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣；C為結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣;K為整體剛度矩陣；P(t)為載荷陣列.進(jìn)行自由模態(tài)分析時(shí)，考察結(jié)構(gòu)的固有特性，假設(shè){P(t)}=0.省略對(duì)固有特性影響較小的結(jié)構(gòu)阻尼[5]，式(4)可簡(jiǎn)化為

(5)

自由模態(tài)分析的前六階模態(tài)為剛體模態(tài)，計(jì)算得到60Hz以內(nèi)的白車身固有頻率與振型如表3所示，第七～第十階振型云圖如圖9～圖12所示.

表3 模態(tài)頻率以及振型

階數(shù)固有頻率/Hz振型1～60剛體模態(tài)723．7車身前端一階橫擺829．1頂蓋后端一階垂擺933．4一階扭轉(zhuǎn)1036．9一階彎曲1141．4局部模態(tài)1244．2局部模態(tài)1345．0局部模態(tài)1448．5局部模態(tài)1553．0局部模態(tài)1654．0局部模態(tài)1756．2局部模態(tài)

圖9 第七階模態(tài)振型云圖

圖10 第八階模態(tài)振型云圖

圖11 第九階模態(tài)振型云圖

圖12 第十階模態(tài)振型云圖

汽車在正常路面上行駛的過(guò)程中，會(huì)有很多外部的載荷和激勵(lì)通過(guò)各種傳遞路徑傳遞到車身，引起結(jié)構(gòu)的響應(yīng).這些外在激勵(lì)所產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲的頻率與車身的固有頻率重合，將會(huì)發(fā)生共振，使得噪聲更加嚴(yán)重，車身振動(dòng)更加劇烈[6].

作為汽車主要激振源的發(fā)動(dòng)機(jī)其激振頻率為

(6)

式中：f為發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率；n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)；μ為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速上下浮動(dòng)的誤差；m為發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際缸數(shù).

該車型采用的是一款四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速轉(zhuǎn)速為650r/min，上下浮動(dòng)誤差為50r/min，帶入式(6)得出發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下的頻率在20～23.34Hz范圍內(nèi).白車身結(jié)構(gòu)自由模態(tài)的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為33.4Hz，在發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率的范圍之外，避免了結(jié)構(gòu)方面產(chǎn)生共振的可能性.來(lái)自路面的激勵(lì)頻率范圍約為5～20Hz，同樣不會(huì)激發(fā)車身出現(xiàn)較大的共振現(xiàn)象[7].

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)白車身進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)工況的分析，得到了白車身靜態(tài)抗彎、抗扭剛度性能，為該車型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒和依據(jù).通過(guò)模態(tài)分析得到了模態(tài)頻率及振型，有限元分析結(jié)果表明，其彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度均滿足白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求.

[1]彭超. 以輕量化為目標(biāo)的某乘用車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué),2015.

[2] 于國(guó)江. 汽車白車身剛度仿真分析與檢測(cè)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2014.

[3] 楊佳璘. 乘用車白車身有限元分析及其輕量化設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[4]馬驪凕,朱智民.轎車白車身模態(tài)分析[J]. 振動(dòng)與沖擊,2013(21):214-218.

[5] 夏兆義,馮蘭芳,王宏曉,等.某轎車白車身模態(tài)分析與優(yōu)化[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2011(3):26-28.

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[7] 韓陽(yáng),李洪力,朱延鵬.某轎車白車身模態(tài)有限元分析與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2015(3):105-107.

(編輯：郝秀清)

Thestiffnessandmodalanalysisonpassengercar′sbody-in-whitebasedonhyperworks

JIAOXue-jian,XINGShuai,ZHAOHui-li,QUXue-kai

(SchoolofTransportationandVehicleEngineering，ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Inordertoresearchbodystrength,stiffnessandmodalperformanceindex,avoidtheplasticdeformationandlocalfailureoccurredintheprocess,wecarryoutfiniteelementssimulationanalysisonthecarbody.Throughestablishingthebending,torsionandmodesworkconditionoftheBIWinHyperworks,weobtainthefinalstiffnessoftheBIW,themodalfrequenciesandshapes.Accordingtotheresultsoffiniteelementanalysis,thebendingstiffnessisbetterandthetorsionrigidityislow.ThelowerordermodalfrequencyofBIWishigherandhasgoodlowfrequencycharacteristics,inthesubsequentimprovementmeasuresshouldbetakentoimprovethetorsionstiffness.

BIW；torsionrigidity；bendingstiffness;modelanalysis;Hyperworks

2016-04-04

焦學(xué)健，男，jeosword@126.com

1672-6197(2017)02-0040-04

U463.82

A