鄧春陽，李東旭，楊樹鵬，趙金泉，張立

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某商用車身靜剛度優(yōu)化設(shè)計

鄧春陽，李東旭，楊樹鵬，趙金泉，張立

（寶能汽車有限公司，陜西 西安 712000）

文章從白車身靜剛度的構(gòu)成及影響、提升方向和提升方法三方面入手，確定了商用車身靜剛度提升策略。從截面剛度提升、接頭剛度提升、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面詳細論述了白車身整體剛度提升策略的制定和實施過程。同時，從安裝部位和板殼件板件剛度兩方面提升白車身局部剛度，重點討論了設(shè)計階段從功能和性能、工藝和工裝等方面考慮材料升級方案的制定和實施過程。最后通過CAE輔助手段對白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進行仿真模擬，驗證了設(shè)計分析的合理性和方案改進的有效性。

白車身；靜剛度；工況；結(jié)構(gòu)設(shè)計；CAE

前言

重型商用車根據(jù)用途的不同可以分為牽引車、載貨車、自卸車和專用車四大類。不同的使用工況對會對商用車的車輛配置、產(chǎn)品性能、經(jīng)濟效益產(chǎn)生差異化的需求和影響，因此，在以上四大類的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)使用工況繼續(xù)細分，例如自卸車根據(jù)使用工況可以分為城建渣土、礦坑運輸、公路自卸等。工況的差異表現(xiàn)在運輸總質(zhì)量、往返配貨情況、車速、路況、運距等，本文的優(yōu)化設(shè)計對象為礦坑運輸自卸車，工況惡劣，白車身需進行靜剛度優(yōu)化設(shè)計，以適應(yīng)該工況下的可靠性要求。

1 研究背景

目標白車身在試制和試驗過程中發(fā)現(xiàn)和解決了白車身開焊、開裂等可靠性問題。考慮礦坑運輸自卸車使用工況更惡劣，同時從CAE仿真和臺架試驗兩方面與該細分市場成熟產(chǎn)品進行白車身靜剛度對比發(fā)現(xiàn)：該工況下的白車身彎曲、扭轉(zhuǎn)等靜剛度值需進一步提升。

2 提升策略

2.1 白車身靜剛度的構(gòu)成及影響

車身剛度的構(gòu)成如圖1所示，白車身靜剛度由整體剛度和局部剛度組成。

圖1 車身剛度的構(gòu)成

車輛使用過程的載荷比較多，主要受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷，據(jù)此將整體剛度區(qū)分彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度。整體剛度取決于部件布置和白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計。局部剛度主要是安裝部位和大面積板殼件剛度，取決于局部車身結(jié)構(gòu)的斷面形狀和采用的加強結(jié)構(gòu)等。

研究白車身靜剛度的意義如下：

①白車身的靜剛度特性反應(yīng)了車身承載扭矩和彎曲載荷的能力，是白車身整體性能的體現(xiàn)；

②車身振動、噪聲等性能與車身靜剛度特性緊密相關(guān)；

③可靠性、安全性以及操控穩(wěn)定性、動力響應(yīng)特性與車身靜剛度有關(guān)聯(lián)。

白車身剛度不足的表現(xiàn)形式如下：

①白車身開裂、斷裂，疲勞壽命低；

②外板件抗凹性能差，白車身模態(tài)低，有共振風險；

③白車身開口部件變形、開膠、脫焊等，造成駕駛室密封性差；

④車身承受沖擊能力差，碰撞安全法規(guī)測試有風險。

2.2 白車身靜剛度提升的方向

白車身靜剛度提升應(yīng)重點提升關(guān)鍵承力件的截面剛度、車身鉸接點剛度、外板等板件剛度。在設(shè)計過程中應(yīng)用CAE拓撲優(yōu)化方法對白車身剛度分布、截面剛度和接頭剛度進行評價和設(shè)計優(yōu)化。

高剛度、輕量化是車身設(shè)計的發(fā)展方向。在進行白車身靜剛度提升過程中，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用、工藝方案制定等方面兼顧輕量化設(shè)計。

2.3 白車身靜剛度提升的方法

白車身靜剛度設(shè)計貫穿整個白車身開發(fā)過程，是白車身性能設(shè)計的重要內(nèi)容之一。

在預(yù)言階段需要對標桿車型白車身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、板件剛度等進行全面的測試評價，確定目標車身的剛度設(shè)計目標。

在方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計階段需要對材料性能提升、斷面慣性矩和構(gòu)件剛度改進、部件布置優(yōu)化和連接結(jié)構(gòu)改進等措施使白車身的整體和局部剛度達到設(shè)計目標。

在開發(fā)驗證階段需要進行各種臺架和路試對設(shè)計成果進行驗證、改進和固化。

在整個提升過程中，結(jié)構(gòu)工程師和CAE工程師要緊密配合，通過拓撲優(yōu)化方法對設(shè)計方案進行不斷改進優(yōu)化，直到滿足設(shè)計目標。靈敏度分析和接頭優(yōu)化是常用的白車身剛度拓撲優(yōu)化方法。剛度優(yōu)化方法不合理，會導致車身重量、成本的增加，車身性能隨之降低。

2.4 本次提升策略

本次白車身靜剛度提升從整體剛度和局部剛度兩方面進行優(yōu)化。整體剛度的提升是在目標白車身的鉸接點增加加強件，改進白車身整體結(jié)構(gòu)，提高白車身整體的抗彎、抗扭性；局部剛度提升是關(guān)鍵受力區(qū)零件材料升級，提升白車身局部的連接強度和板件剛度。

3 工程方案

3.1 方案分析

方案分析的目的是尋找目標白車身的靜剛度提升點，確定優(yōu)化方向。

方案分析的方法是對標及試驗問題搜集。對標是根據(jù)細分市場的使用工況，將標桿車型和目標車型的白車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等靜剛度指標進行對標分析。試驗問題分析是對目標白車身試制、試驗問題收集、分析。通過以上兩方面的分析，識別目標白車身靜剛度提升點。

從白車身靜剛度指標對標情況來看，目標白車身靜剛度指標與市場標桿基本持平。考慮細分市場礦坑運輸自卸車市場使用工況的惡劣性，從產(chǎn)品競爭力角度建議繼續(xù)提升目標白車身的彎曲、扭轉(zhuǎn)整體剛度，保持我公司自卸車產(chǎn)品性能的領(lǐng)先性。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1整體剛度提升

白車身整體剛度的提升主要通過白車身結(jié)構(gòu)的改進來實現(xiàn)。對于白車身結(jié)構(gòu)而言，剛度研究的重點是構(gòu)件，構(gòu)件剛度取決于組成材料的彈性模量外，還同其幾何形狀、邊界條件等因素以及外力的作用形式有關(guān)。

本文的研究對象已確定，即邊界條件已確定，應(yīng)從構(gòu)件的幾何形狀變更來改進白車身結(jié)構(gòu)，進而提高白車身的整體剛度。幾何形狀對白車身剛度的影響主要表現(xiàn)在截面剛度、鉸接點剛度。白車身結(jié)構(gòu)改進示意圖如圖三所示，加強件布置在風窗上橫梁與側(cè)圍、側(cè)圍與前圍等車身的鉸接點位置、駕駛室懸置安裝點等關(guān)鍵受力區(qū)域；同時考慮實際工況約束和力學加載特征，在左右地板后部增加橫梁，提升車身的抗扭剛度。

圖3 白車身結(jié)構(gòu)改進示意圖

3.2.1.1 截面剛度提升

車身主斷面的性能參數(shù)包括截面形狀和大小，與之相關(guān)的物理量是截面面積S、截面主慣性矩I和彈性模量Z。相關(guān)研究表明：截面主慣性矩I決定主斷面處白車身剛度，I越大則該處斷面剛度越大。

I=M/ρ

其中M為主斷面軸距，ρ為面密度，通常面密度ρ=10kg/m2。

地板縱梁后端、后圍鎖止、風窗A柱區(qū)域開發(fā)加強件，均會帶來相應(yīng)斷面軸距的增加，即剛度提升。

3.2.1.2 鉸接點剛度提升

車身鉸接點作為車身各部分主要連接點，其結(jié)構(gòu)的合理性及自身剛度的對白車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣起著決定性的作用。車身鉸接點主要位于車身各部分連接的位置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對白車身的整體剛度影響較大。

影響白車身接頭剛度的因素有鉸接點各部件的數(shù)量、形狀、料厚、相互之間的搭接等。鉸接點剛度不足時，可以通過增強鉸接點的連接力來提升剛度，如增加連接長度、部件料厚、焊點數(shù)量等措施來解決。

本文對相關(guān)鉸接點位置的剛度提升主要是通過增加加強件來實現(xiàn)，具體方案及效果如表1所示。

表1 鉸接點剛度提升位置及效果

3.2.1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項

加強件結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)進行充分的空間校核，避免與鄰近的內(nèi)襯、儀表臺等車身內(nèi)飾和底盤零部件及管線的干涉，按照相關(guān)的校核標準要求，預(yù)留合理的設(shè)計間隙。在滿足沖壓和裝焊工藝的情況下，應(yīng)盡可能的提高加強件的剛度和連接強度。

對于白車身產(chǎn)品的局部改進，設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮現(xiàn)有裝焊生產(chǎn)線布局，設(shè)計方案應(yīng)能保證多車型的共線生產(chǎn)。同時，設(shè)計、工藝方案對工裝設(shè)備的改造應(yīng)盡可能小，以免造成不必要的投資。經(jīng)工藝分析，本產(chǎn)品裝焊方案的實施與現(xiàn)有平臺車型共用，無需考慮生產(chǎn)場地。

3.2.2局部剛度提升

白車身局部剛度提升主要是提升安裝部位和板殼件剛度。

3.2.2.1 安裝部位剛度提升

白車身安裝部位的剛度提升可以通過增加材料厚度、增加加強板、改變斷面形狀等方式來提升。

本文對于地板前懸置安裝部位的剛度提升是通過增加加強板的料厚來實現(xiàn)，適用于本次白車身二次小改進。

3.2.2.2 板殼件剛度提升

白車身板件剛度的提升有以下途徑：

a.曲面造型、增加造型特征線，有利于材料的冷作硬化，對提升剛度有利；

b.增加零件的厚度；

c.在板殼件上沖壓出各種形狀的加強筋；

e.對于造型限制特征線、加強筋的板殼件，可以在其內(nèi)部粘貼補強板等措施提升剛度。

本文對于A柱內(nèi)外板等板殼件剛度的提升，是通過材料替換，將原材料的厚度增加，同時牌號升級為高強度鋼板。

3.2.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項

對于鈑金零件材料厚度、牌號的升級，在設(shè)計階段應(yīng)充分考慮材料性能，保證替換的材料在理化性能上可以滿足部件的功能需求。比如側(cè)圍外板等覆蓋件，要求材料具有高的表面質(zhì)量、一定的抗凹性、耐腐蝕性和良好的著漆性等；地板縱梁加強板等結(jié)構(gòu)件，要求材料具有良好的成形性、可焊性和耐腐蝕性等。

車身鈑金零件的材料升級，在設(shè)計階段還應(yīng)進行詳細的沖壓工藝可行性分析，主要從兩方面展開：一是模具強度校核、參數(shù)計算；二是沖壓缺陷預(yù)測。需要強調(diào)的是，材料升級的鈑金沖壓成型數(shù)值模擬結(jié)果與實際存在一定的誤差，這種誤差是由模具的使用時間、維護保養(yǎng)水平和材料的時效性引起。因此，車身鈑金零件的材料升級工藝性及周期需根據(jù)實際試模情況最終確定。

4 CAE計算

4.1 彎曲剛度

4.1.1分析工況

約束：約束左前懸置123自由度，約束右前懸置13自由度，約束后懸置3自由度；

加載：

工況1：在司機和副司機座椅分別施加-Z向的力；

工況2：在主副座椅腳踏位置分別施加-Z向的力；

工況3：在主副座椅中間施加-Z向的力。

圖4 白車身彎曲剛度計算約束和加載示意圖

4.1.2分析結(jié)果

由CAE計算結(jié)果得出：白車身工況一、二、三下的彎曲剛度分別提升12%、10%、15%，效果明顯。

圖5 彎曲工況一Z向位移云圖

圖6 彎曲工況二Z向位移云圖

圖7 彎曲工況三Z向位移云圖

4.2 扭轉(zhuǎn)剛度

4.2.1分析工況

約束：約束右前懸置23自由度，約束右后懸置123自由度約束左后懸置13自由度；

加載：在左前懸置施加Z向集中力。

圖8 白車身扭轉(zhuǎn)剛度計算約束和加載示意圖

4.2.2分析結(jié)果

圖9 扭轉(zhuǎn)工況Z向位移云圖

由CAE計算結(jié)果得出：白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升16%，效果明顯。

5 結(jié)論

本文的研究對象為某商用車白車身，整車針對礦坑運輸自卸車市場，工況惡劣。本文在需求和競爭力分析的基礎(chǔ)上，理論聯(lián)合實際，提出該工況下的白車身靜剛度解決方案，經(jīng)CAE仿真，驗證了設(shè)計分析的合理性和方案改進的有效性。

（1）首先從理論上闡述了白車身靜剛度的構(gòu)成及影響、靜剛度提升的方向和方法，得出本次提升的策略：白車身靜剛度的提升從整體和局部剛度兩方面展開。

（2）采用對標及試驗問題搜集的方法，對目標白車身進行方案分析，識別靜剛度提升點，得出基于產(chǎn)品性能和競爭力提升的需求，進一步提升白車身靜剛度。

（3）整體剛度的提升主要通過白車身結(jié)構(gòu)的改進來實現(xiàn)，對于白車身結(jié)構(gòu)而言，剛度研究的重點是構(gòu)件。在研究對象已確定的情況下，應(yīng)從構(gòu)件的幾何形狀變更來改進白車身結(jié)構(gòu)，進而提高白車身的整體剛度。幾何形狀對白車身剛度的影響主要表現(xiàn)在截面剛度、接頭剛度。

（4）局部剛度提升主要是提升安裝部位和板殼件剛度。白車身安裝部位的剛度提升可以通過增加材料厚度、增加加強板、改變斷面形狀等方式來提升。板殼件剛度提升有以下方法：

a.曲面造型、增加造型特征線，有利于材料的冷作硬化，對提升剛度有利；

b.增加零件的厚度；

c.在板殼件上沖壓出各種形狀的加強筋；

e.對于造型限制特征線、加強筋的板殼件，可以在其內(nèi)部粘貼補強板等措施提升剛度。

本文結(jié)合具體的工程應(yīng)用實例，對商用白車身靜剛度的提升理論、方向、方法提出了自己的見解和工程設(shè)計思路，但遠遠不夠。正向開發(fā)過程中，應(yīng)用拓撲優(yōu)化方法對白車身剛度分布評價、截面剛度計算、接頭剛度計算等理論和方法研究及應(yīng)用仍需繼續(xù)努力。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計.[M]清華大學出版社.2001.7要求著錄.

[2] 黃天澤.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計.機械工業(yè)出版社.2011.2要求著錄.

Optimization design of static stiffness of a commercial vehicle body

Deng Chunyang, Li Dongxu, Yang Shupeng, Zhao Jinquan, Zhang Li

（Bao Neng Motor Co., Ltd, Shaanxi Xian 712000）

This paper starts with the composition and influence of the static stiffness of the White vehicle, the direction of improvement and the method of lifting, and determines the strategy of improving the static stiffness of the commercial vehicle. The formulation and implementation of the overall stiffness enhancement strategy of the white body are discussed in detail from the aspects of section stiffness enhancement, joint stiffness enhancement, and structure design. At the same time, the part stiffness of the white body is improved from the aspects of the mounting part and the plate stiffness of the plate shell parts, and the process of designing and implementing the material upgrade plan from the aspects of function and performance, technology and workmanship is discussed. Finally, the simulation of bending stiffness and torsion stiffness of the body is carried out by CAE auxiliary means, which verifies the rationality of the design analysis and the effectiveness of the improvement of the scheme.

body-in-white; Static stiffness; Working condition; Structure design; CAE

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1671-7988(2018)24-160-04

U462

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鄧春陽，就職于寶能汽車有限公司。

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