孫靜瑤,武金科,張雷,高鳳武
(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心,河北保定 071000;2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車企業(yè)對(duì)產(chǎn)品配置不斷提升,全景天窗使前后座位乘客都有天窗的感受,甚至是整塊玻璃的車頂,坐在車中可以一覽無余沿途風(fēng)景。全景天窗超大視野的享受,受到了眾多消費(fèi)者的青睞[1-2]。
采用全景天窗的汽車車身,頂蓋天窗開口面積擴(kuò)大到2/3以上,并取消了頂蓋中間橫梁(B環(huán)),削弱了車身整體剛度,同時(shí)當(dāng)頂蓋天窗口扭轉(zhuǎn)位移量超出全景天窗玻璃的扭轉(zhuǎn)界限時(shí)玻璃會(huì)破碎,因此在增加全景天窗配置時(shí),車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足車身剛度和全景天窗要求。
評(píng)估全景天窗結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法有:車身模態(tài)優(yōu)化方案、頂蓋剛度優(yōu)化方案等[3-5]。作者根據(jù)全景天窗扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)要求,通過分析車身扭轉(zhuǎn)剛度定量評(píng)估天窗口變形量,完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化,縮短產(chǎn)品后期整改周期,減少產(chǎn)品上市風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)某SUV的車身CAD模型,采用HyperMesh軟件對(duì)各零部件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,采用fastener定義焊點(diǎn)模型,建立得到該SUV白車身有限元模型,其中節(jié)點(diǎn)數(shù)(nodes)772 082,2D單元中(Tria3)30 364個(gè),焊接單元4 505個(gè)。白車身單元?jiǎng)澐中畔⑷绫?所示。
表1 白車身單元?jiǎng)澐中畔⒈?/p>
為避免車身超靜定,計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度時(shí),對(duì)車身模型做如下約束:前端約束Z向平動(dòng),左后減震器位置約束X、Y、Z平動(dòng),右后減震器位置約束X、Z平動(dòng);在左、右前減震器位置分別施加大小相等、方向相反的2 600 N垂直方向載荷,其分析模型如圖1所示。
圖1 扭轉(zhuǎn)剛度的邊界條件
將分析模型導(dǎo)入ABAQUS軟件的非線性模塊進(jìn)行剛度計(jì)算分析,得到該車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。
為分析全景天窗結(jié)構(gòu)的頂蓋對(duì)車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響,將設(shè)計(jì)全景天窗的車身扭轉(zhuǎn)剛度A與未配置天窗的車身扭轉(zhuǎn)剛度B分別進(jìn)行了仿真及試驗(yàn)分析,其仿真與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比
由表2可知:車A與車B的仿真與試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)剛度比值分別為0.492、0.484,扭轉(zhuǎn)剛度比值基本一致,試驗(yàn)結(jié)果略大于仿真值。增加汽車全景天窗會(huì)使汽車的車身剛度降低約50%。從測(cè)試的結(jié)果對(duì)比分析,有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果誤差均在6%以內(nèi),仿真模型可以考察車身行駛扭轉(zhuǎn)變形。
為分析天窗口變形量,同時(shí)兼顧計(jì)算效率,在車身天窗邊框含角點(diǎn)選定14個(gè)測(cè)點(diǎn),其中單側(cè)X向布置5個(gè)點(diǎn),Y向布置4個(gè)點(diǎn),如圖2所示:測(cè)點(diǎn)1、5、9、11為角點(diǎn),輸出三向位移;其他為非角點(diǎn),輸出垂向位移。
圖2 天窗頂蓋測(cè)點(diǎn)示意圖
變形量計(jì)算方法定義如下:選取天窗邊框1、5、9、11四角點(diǎn)三向相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)的位移量,作為點(diǎn)A、B、C、D的坐標(biāo)值,分別計(jì)算點(diǎn)A、B、C、D相對(duì)于其他三點(diǎn)所確定平面的距離lA、lB、lC、lD;如圖3:lA為點(diǎn)A到其他三點(diǎn)(B、C、D)所確定平面距離,lB、lC、lD同理。
圖3 變形量計(jì)算方法
計(jì)算距離的最大值:
lM=max(lA,lB,lC,lD)
用以判斷此時(shí)玻璃變形量大小,lM等于0時(shí),A、B、C、D四點(diǎn)在同一平面上,玻璃僅有空間位移,無變形;lM越大,表明玻璃扭曲變形越嚴(yán)重。
通過扭曲路路面仿真模擬分析得到天窗和非天窗垂向位移數(shù)據(jù)對(duì)比曲線,如圖4所示。
圖4 測(cè)量點(diǎn)變形量
從數(shù)據(jù)仿真對(duì)比分析,窗框變形增大,頂蓋Z向位移也增大,非天窗版最大變形量3.4 mm,全景天窗車型玻璃窗框最大變形量為4.29 mm,全景天窗車身窗框變形量不滿足玻璃廠家設(shè)計(jì)允許值。
經(jīng)過對(duì)初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形的分布,查找影響窗框變形的主要因素:(1)A環(huán)上部區(qū)域、頂蓋前橫梁與側(cè)圍搭接區(qū)域接頭剛度不足;(2)C環(huán)與D環(huán)上部區(qū)域剛度不足;(3)側(cè)圍、地板門檻梁區(qū)域剛度不足。
根據(jù)分析結(jié)果,制定如下優(yōu)化方案:
優(yōu)化一:(1)頂蓋前橫梁總成修改為盒狀斷面,增加頂蓋前橫梁上板,增大截面面積;(2)在側(cè)圍與頂蓋前橫梁下板中部區(qū)域增加兩個(gè)螺栓連接(左右對(duì)稱),優(yōu)化孔洞大小及位置,增強(qiáng)側(cè)圍與頂蓋前橫梁的連接剛度(見表3)。
表3 前橫梁優(yōu)化方案
優(yōu)化二:基于提升扭轉(zhuǎn)剛度的目的,對(duì)D、C環(huán)車身部件進(jìn)行厚度靈敏度優(yōu)化,通過增加D、C環(huán)關(guān)鍵部件的厚度提升扭轉(zhuǎn)剛度,如表4所示。
表4 D、C環(huán)料厚優(yōu)化方案
優(yōu)化三:A、B柱加強(qiáng)板改為熱成型材質(zhì),側(cè)圍地板縱梁采用高強(qiáng)度滾壓型材,提升側(cè)圍、地板剛度。
將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后模型進(jìn)行虛擬場(chǎng)仿真,根據(jù)天窗邊框四角點(diǎn)三向位移,計(jì)算扭曲路各時(shí)刻頂蓋窗框變形量。優(yōu)化后分析結(jié)果如表5所示。
此分析結(jié)果可以滿足設(shè)計(jì)要求。
同時(shí),對(duì)白車身模態(tài)進(jìn)行分析,前部扭轉(zhuǎn)振型、后部扭轉(zhuǎn)振型分別為30.84、39.25 Hz,滿足車身目標(biāo)值要求。
通過對(duì)白車身剛度、天窗框變形量的分析,得到如下結(jié)論:
(1)全景天窗會(huì)使汽車的扭轉(zhuǎn)剛度下降,在正弦路扭曲工況下天窗開口變形量最大,車身扭轉(zhuǎn)剛度是考評(píng)全景天窗的重要指標(biāo);
(2)通過修改頂蓋前橫梁為閉口截面,增大截面面積,修改部分零部件料厚等措施,將車身扭轉(zhuǎn)剛度提升到某一數(shù)值,可滿足全景天窗的使用要求;
(3)該方法為后續(xù)車型的開發(fā)和改進(jìn)提供了一定的參考。
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