袁夏麗，劉俊紅，劉丹，左樂

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心性能集成開發(fā)部，安徽 合肥 230009）

引言

汽現(xiàn)代轎車通常采用承載式車身，在汽車行駛過程中，車身要承受各種彎扭載荷，白車身靜剛度特性直接影響整車的品質(zhì)[1]。因此，白車身剛度分析是非常重要的，必須確保車身結(jié)構(gòu)具有足夠的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度來抵抗形各種載荷產(chǎn)生的變形，以避免行駛過程中因剛度不足導(dǎo)致的車身變形過大、玻璃擠碎和車門卡死等嚴(yán)重后果。

本文以某轎車白車身為研究對象，采用有限元法分析其彎曲和扭轉(zhuǎn)的靜剛度特性，發(fā)現(xiàn)車身的扭轉(zhuǎn)剛度不滿足目標(biāo)值，在此基礎(chǔ)上采用了增加結(jié)構(gòu)膠的優(yōu)化方案，并對優(yōu)化方案進(jìn)行了校核計算，結(jié)果表明扭轉(zhuǎn)剛度性能提升明顯并滿足目標(biāo)要求，為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

1 剛度分析理論

剛度是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，車身剛度主要考察車彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩個指標(biāo)，必須保證在車輛行駛過程車身產(chǎn)生的變形不會影響整車的正常使用[2]。

1.1 彎曲剛度

白車身彎曲剛度可以用垂直載荷作用下車身結(jié)構(gòu)的繞度來描述，計算公式為：

式中：F為施加的垂直載荷；Zmax為門檻梁的最大彎曲繞度；EI為白車身彎曲剛度值。

1.2 扭轉(zhuǎn)剛度

白車身扭轉(zhuǎn)剛度可以用單位扭轉(zhuǎn)角度所受的力矩來描述，計算公式為：

式中：T為扭矩；L為加載點距離；θ為相對扭轉(zhuǎn)角。

2 剛度的有限元分析

2.1 有限元模型的建立[3]

白車身主要是由各種鈑金件拼焊而成。首先對白車身CAD模型進(jìn)行簡化處理，然后利用HyperMesh軟件對簡化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用acm單元模擬點焊，采用rigids單元模擬弧焊及螺栓連接，最后該白車身有限元模型如圖 1所示。

圖1 白車身有限元模型

2.2 彎曲剛度分析

彎曲剛度分析邊界條件：前減震器塔中心點處約束Z向平動自由度，后懸彈簧座安裝點處約束 X、Y、Z向平動自由度；在各座椅R點位置施加1666N的垂向載荷，如圖2所示。

提取左、右門檻梁測點Z向最大位移的平均值計算彎曲剛度，經(jīng)計算門檻量Z向最大位移平均值Zmax為0.385mm，則彎曲剛度為：

2.3 扭轉(zhuǎn)剛度分析

圖3 白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析邊界條件

扭轉(zhuǎn)剛度分析邊界條件：前減震器塔中心點處建立約束Z向平動自由度MPC單元，并施加大小相等、方向相反的Z向集中力，形成繞X軸旋轉(zhuǎn)的2000Nm的扭矩，后懸彈簧座安裝點處約束X、Y、Z向平動自由度，如圖3所示。

采用左、右前減震器塔中心點相對扭轉(zhuǎn)角來評價白車身扭轉(zhuǎn)剛度，經(jīng)計算相對扭轉(zhuǎn)角度為0.152°，則扭轉(zhuǎn)剛度為：

3 剛度優(yōu)化分析

本文研究對象的扭轉(zhuǎn)剛度的目標(biāo)值是 13500Nm/°，當(dāng)前扭轉(zhuǎn)剛度未達(dá)標(biāo)，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)提升扭轉(zhuǎn)剛度值。本文采用在關(guān)鍵位置增加結(jié)構(gòu)膠的優(yōu)化方案[4]，這種結(jié)構(gòu)膠的密度為1.2e-9t/mm3，彈性模量為1900MPa，泊松比為0.4，其布置方案如圖4中所示的藍(lán)色區(qū)域。最后對優(yōu)化方案進(jìn)行剛度校核，優(yōu)化前后結(jié)果對比如表1所示，優(yōu)化方案滿足目標(biāo)要求。

圖4 結(jié)構(gòu)膠布置示意圖

表1 優(yōu)化前后剛度結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文采用有限元法對在研白車身進(jìn)行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析，分析結(jié)果表明扭轉(zhuǎn)剛度未達(dá)標(biāo)，通過增加結(jié)構(gòu)膠有效的提高了車身剛度性能并使扭轉(zhuǎn)剛度達(dá)標(biāo)，為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)提供了理論依據(jù)。