韓立 張兵 曹宏偉

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

現(xiàn)代轎車大多數(shù)采用全承載式車身結(jié)構(gòu)，在使用過程中車身承擔(dān)著幾乎所有的彎曲、扭轉(zhuǎn)及碰撞等載荷。如果車身剛度不足，會(huì)引起車身上一些部件的變形過大或其它總成相對(duì)位置發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，從而影響正常工作，因此車身剛度具有舉足輕重的作用。但是，車身的彎曲扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)沒有國標(biāo)可借鑒，各主機(jī)廠都有自己的試驗(yàn)測試方法，而仿真和試驗(yàn)對(duì)標(biāo)的一致性歷來是難以攻克的問題點(diǎn)。文章在闡述仿真方法和試驗(yàn)流程的基礎(chǔ)上，通過仿真和試驗(yàn)對(duì)標(biāo)找到了影響仿真準(zhǔn)確性和試驗(yàn)穩(wěn)定性的重要因素，并針對(duì)控制影響因素的敏感程度給出了解決辦法，為車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化奠定基礎(chǔ)。

1　靜剛度有限元仿真

當(dāng)前CAE分析技術(shù)日趨成熟，在國外大型汽車企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。我國各大汽車企業(yè)為了提升自主研發(fā)能力，已將CAE分析技術(shù)應(yīng)用到新車型研發(fā)中，且獲得良好效果[1]。

1.1　車身有限元模型建立

某轎車白車身采用無前后風(fēng)擋玻璃、無四門兩蓋及無副車架狀態(tài)，借助軟件HyperMesh建立有限元模型，車身鈑金采用10 mm殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，焊點(diǎn)采用acm類型模擬，焊縫采用cweld單元模擬，膠粘采用adhesives類型連接，有限元模型材料基本參數(shù)，如表1所示。

表1　白車身材料基本參數(shù)表

對(duì)標(biāo)試驗(yàn)中，采用在前后風(fēng)窗口和左側(cè)前后車門門口部位建立plot單元，沿車身縱向在縱梁及門檻梁上按照間隔350～450 mm對(duì)稱建立測點(diǎn)plot單元，測點(diǎn)X軸坐標(biāo)參數(shù)，如表2所示。某轎車白車身有限元模型，如圖1所示，包括619 781個(gè)單元，636 593個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表2　縱梁及門檻梁測點(diǎn)X軸坐標(biāo)參數(shù)表mm

圖1　某轎車白車身有限元模型圖

1.2　扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算

白車身有限元模型建立之后，計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)鍵問題是約束及載荷的處理。前彈簧支座加強(qiáng)板下方增加厚度為10 mm的工裝件，垂直于工裝法平面向下且在距離加載點(diǎn)Z向100 mm位置建立球鉸單元，放開X，Y，Z向旋轉(zhuǎn)自由度和X向平動(dòng)。利用rigid單元架構(gòu)倒三角形剛性支撐框架，頂點(diǎn)處約束X，Y，Z向平動(dòng)和X，Z向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，施加順時(shí)針繞X向扭轉(zhuǎn)力矩2000N·m，如圖2所示。后彈簧支座及其補(bǔ)板連接處約束包含X，Y，Z向平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，如圖3所示。

圖2　白車身前懸扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件示意圖

圖3　白車身后懸扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件示意圖

模型提交給求解器OptiStruct計(jì)算得到后綴名為“h3d”的文件，導(dǎo)入軟件HyperView中進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。風(fēng)窗和門口的相對(duì)變形量，如表3所示，前后懸測點(diǎn)的Z向變形量及Y向間距云圖，如圖4所示。

表3　風(fēng)窗和門口相對(duì)變形量統(tǒng)計(jì)mm

圖4　白車身前后懸測點(diǎn)Z向變形及Y向間距云圖

將前后懸測點(diǎn)Z向變形和Y向間距值代入式（1），計(jì)算得到前后懸相對(duì)扭轉(zhuǎn)角度（α/（°））。

式中：df1，dfr——前懸左右側(cè)點(diǎn)Z向變形量的絕對(duì)值，mm；

dr1，drr——后懸左右側(cè)點(diǎn)Z向變形量的絕對(duì)值，mm；

Yf，Yr——前后懸左右測點(diǎn)的Y向距離，mm。

將α代入式（2），得到某轎車白車身扭轉(zhuǎn)剛度（Kt）為10 025 N·m/（°）。

式中：M——所施加力矩，N·m。

1.3　彎曲剛度計(jì)算

彎曲剛度通過門檻梁在車身長度方向上的垂直撓度變形來衡量，前懸球鉸位置約束X，Y，Z向平動(dòng)自由度，后懸投影到縱梁區(qū)域單點(diǎn)約束Z向平動(dòng)自由度，每個(gè)座椅安裝位置施加1 000 N垂直力，邊界條件，如圖5所示。模型提交給求解器OptiStruct計(jì)算，得到后綴名為“h3d”的文件導(dǎo)入軟件HyperView中進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。值得注意的是，由于加載前后，前懸和后懸相對(duì)初始位置發(fā)生了變化，此時(shí)所有測點(diǎn)位移包含前后懸局部變形和加載位移兩部分，需按照?qǐng)D6所示“梯形法”修正掉前后懸局部變形部分。

圖5　白車身彎曲剛度邊界條件示意圖

圖6　門檻梁測點(diǎn)位移“梯形法”修正示意圖

通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)三角形相似原理，可得出修正公式，如式（3）所示。

式中：a，b——前后懸測點(diǎn)Z向位移，mm；

c——門檻梁上任意一個(gè)測點(diǎn)Z向位移，mm；

d——任意一個(gè)測點(diǎn)相對(duì)前后懸的Z向變形，mm；

Xr——后懸X軸坐標(biāo)，mm；

Xn——門檻梁上任意一個(gè)測點(diǎn)X軸坐標(biāo)，mm。

其中a，b，c，d數(shù)值均小于0，門檻梁上各測點(diǎn)位移修正結(jié)果，如表4所示。

表4　門檻梁各測點(diǎn)位移統(tǒng)計(jì)表mm

門檻梁上相對(duì)前后懸最大變形點(diǎn)出現(xiàn)在第4點(diǎn)，位移絕對(duì)值為0.203 mm，代入式（4）得到某轎車白車身彎曲剛度（Kb）為19 667 N/mm。

式中：n——座椅個(gè)數(shù)，個(gè)；

f——每個(gè)座椅上承受的載荷，N；dmax——門檻梁相對(duì)前后懸最大變形量的絕對(duì)值，mm。

2　靜剛度試驗(yàn)測試

目前，轎車白車身靜剛度試驗(yàn)無國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同企業(yè)、學(xué)校及科研單位都有自己的試驗(yàn)體系，這些體系的不同主要體現(xiàn)在：1）白車身狀態(tài)是否包含風(fēng)窗玻璃、四門兩蓋、保險(xiǎn)杠及副車架等零部件；2）安裝固定方式是否考慮前后懸和前后橋彈性元件；3）載荷施加位置和大小，試驗(yàn)結(jié)果后處理以及評(píng)估方式。試驗(yàn)方法的選擇需要尋求條件統(tǒng)一、便于實(shí)施且易于確定的方案，忌用大量而不同的試驗(yàn)得到相近的結(jié)果[2-3]?，F(xiàn)對(duì)某車型白車身靜剛度試驗(yàn)情況加以闡述。

2.1　試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備包括：1輛試驗(yàn)車、白車身靜態(tài)加載試驗(yàn)平臺(tái)、垂向加載設(shè)備、位移傳感器、位移百分表、位移千分表及水平尺等。

2.2　白車身安裝

白車身前懸架的螺旋彈簧和減振器用剛性件代替，通過剛性替代件將前軸輪胎中心位置與加載裝置連接，后懸架通過替代件剛性固定在試驗(yàn)臺(tái)架上。車身前后要水平調(diào)正，可用水平尺檢驗(yàn)。剛性替代件及夾具在加載過程中的最大變形可通過位移百分表或千分表在加載過程中進(jìn)行監(jiān)測，工裝的左右不對(duì)稱性將直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的非對(duì)稱性。

2.3　傳感器布置

按照仿真模型中設(shè)置的各測點(diǎn)坐標(biāo)，沿車身長度方向在縱梁及門檻梁上左右對(duì)稱布置傳感器對(duì)，如圖7所示。在前后風(fēng)窗和左側(cè)車門門口布置傳感器并進(jìn)行變形量的測量，如圖8所示。

圖8　前后風(fēng)窗及左側(cè)車門門洞傳感器布置及測量示意圖

2.4　扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)

2.4.1預(yù)加載

試驗(yàn)前，對(duì)車身順逆時(shí)針各施加3次預(yù)載荷，預(yù)載荷大小為試驗(yàn)最大扭矩（2 000 N·m）的一半，以消除車身與夾具連接間隙和車身下沉等對(duì)測量結(jié)果的影響。

2.4.2加載及測量

對(duì)白車身前軸施加扭矩，以500 N·m逐級(jí)遞增至2 000 N·m，每500 N·m采集1次各測點(diǎn)的變形量，順逆時(shí)針各做1次為1組，共做3組，3組數(shù)據(jù)取平均值。若白車身需要加裝風(fēng)擋玻璃、四門兩蓋及副車架等結(jié)構(gòu)件需重復(fù)試驗(yàn)。

2.5　彎曲剛度試驗(yàn)

2.5.1預(yù)加載

試驗(yàn)前，先對(duì)車身施加3次垂直預(yù)載荷，大小為最大載荷（1 000 N）的一半，以消除車身與夾具連接間隙和車身下沉等對(duì)測量結(jié)果的影響。

2.5.2加載及測量

在每個(gè)座椅位置上施加垂直載荷，以250 N逐級(jí)遞增至1 000 N，施加3次載荷并記錄試驗(yàn)結(jié)果。若白車身需要加裝風(fēng)擋玻璃、四門兩蓋及副車架等結(jié)構(gòu)件需重復(fù)試驗(yàn)。

3　對(duì)標(biāo)結(jié)果

3.1　仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)某車型白車身靜剛度的仿真分析和試驗(yàn)測試，得到該白車身扭轉(zhuǎn)和彎曲工況下的靜剛度數(shù)值，對(duì)比兩者結(jié)果顯示誤差分別為4.0%和8.9%，如表5所示。

表5　白車身靜剛度仿真與試驗(yàn)對(duì)比表

3.2　仿真與試驗(yàn)影響因素

扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析中，前懸球鉸位置到加載點(diǎn)的Z向距離是個(gè)敏感參數(shù)，隨著距離的減小扭轉(zhuǎn)剛度也減小，當(dāng)距離≤100 mm時(shí)，仿真剛度數(shù)值趨于穩(wěn)定。彎曲剛度仿真分析中，后懸約束方式對(duì)結(jié)果影響較大，鑒于對(duì)標(biāo)試驗(yàn)一致性采用單點(diǎn)約束Z向平動(dòng)自由度；此外，前懸測點(diǎn)與前彈簧座加強(qiáng)板位移相差0.02 mm，可用來近似修正前懸局部變形。

彎曲剛度試驗(yàn)測試中，前懸球鉸螺栓應(yīng)處于擰緊卻不帶預(yù)緊力狀態(tài)，確保多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性；鑒于后懸測點(diǎn)對(duì)局部剛度敏感程度較高，后懸鋼球約束位置增加厚度為2 mm的鋼板，避免縱梁在加載過程中產(chǎn)生較大的局部塑性變形。

4　結(jié)論

文章以某車型白車身為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述了彎曲扭轉(zhuǎn)剛度的仿真分析方法及試驗(yàn)測試流程。對(duì)標(biāo)過程中，找到了影響仿真精度和試驗(yàn)穩(wěn)定的敏感因素并給出解決辦法，著重對(duì)彎曲剛度的數(shù)據(jù)后處理采用“梯形法”修正，使得二者對(duì)標(biāo)結(jié)果良好，攻克了困擾各主機(jī)廠的一項(xiàng)難題。因此在汽車研發(fā)初期，通過仿真分析車身靜剛度特性是否滿足工程性能目標(biāo)值的方法將大大節(jié)約研發(fā)成本，后期通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證該特性，仿真和試驗(yàn)二者結(jié)合相輔相成，進(jìn)而為車身輕量化奠定可靠的基礎(chǔ)。