張星馳 馮國(guó)勝 張新路 馬俊長(zhǎng)

（1.石家莊鐵道大學(xué)；2.河北御捷車業(yè)有限公司）

隨著汽車保有量的不斷提高，人們對(duì)節(jié)能環(huán)保的新能源汽車的安全性要求也越來(lái)越高。白車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度是體現(xiàn)汽車安全性的重要指標(biāo)。汽車車身剛度不足，不僅影響著行駛安全性，而且會(huì)給產(chǎn)品以及品牌形象帶來(lái)不可預(yù)期的負(fù)面影響。汽車行駛時(shí)的重要工況為彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況，彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度是衡量車身剛度的重要指標(biāo)，白車身合理的剛度和強(qiáng)度將大幅提升整車的性能，對(duì)白車身剛度的研究已成為國(guó)內(nèi)外整車開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[1]對(duì)白車身進(jìn)行靜態(tài)彎曲剛度仿真分析，獲取了白車身彎曲變形曲線，同時(shí)結(jié)合靜態(tài)彎曲剛度解析方法，得到白車身靜態(tài)彎曲剛度。文章通過(guò)模擬試驗(yàn)臺(tái)的約束來(lái)仿真汽車車身彎曲及扭轉(zhuǎn)工況，基于白車身Z 向的變形量計(jì)算獲得了白車身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度，并對(duì)比國(guó)內(nèi)外轎車，發(fā)現(xiàn)其彎曲剛度不足，扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度較好，為新能源汽車車身設(shè)計(jì)提供了參考。

1 白車身有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立及簡(jiǎn)化

文章基于某企業(yè)提供的某新能源汽車圖紙?jiān)贑ATIA 軟件中建立了三維模型。因?yàn)檐嚿碇黧w為沖壓薄板，汽車實(shí)際車身建模過(guò)于復(fù)雜，很難建立有限元模型。本次建模在創(chuàng)成式曲面模塊下建立模型，以曲面代替實(shí)體。建立的三維模型，如圖1所示。

圖1 某新能源汽車白車身原模型圖

對(duì)于靜力學(xué)分析，由于計(jì)算量不大，應(yīng)盡量保留大部分特征，特別是應(yīng)力集中區(qū)。而對(duì)于螺栓的連接、大量的工藝小孔、翻邊結(jié)構(gòu)、承載能力較弱的部件可直接忽略；對(duì)于尺寸較大的孔洞以直代曲；對(duì)于加強(qiáng)筋則可以以梁?jiǎn)卧?；?duì)于車身局部剛度有加強(qiáng)作用的翻邊結(jié)構(gòu)以殼單元代替。建立的模型[2]，如圖2所示。

圖2 某新能源汽車白車身模型簡(jiǎn)化圖

1.2 有限元模型的建立及網(wǎng)格處理

將該新能源車模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 中自動(dòng)識(shí)別為板單元shell181，并對(duì)單元尺寸進(jìn)行約束，設(shè)置單元尺寸為15 mm。得到模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為141 601 個(gè)，模型單元數(shù)為140 584 個(gè)，獲得了較好的白車身網(wǎng)格劃分圖，如圖3所示。網(wǎng)格平均單元質(zhì)量為0.917。單元質(zhì)量指的是基于一個(gè)給定單元的體積與邊長(zhǎng)間的比率，其值處于0 和1 之間，0 為最差，1 為最好。傾斜度是最基本的網(wǎng)格質(zhì)量檢查項(xiàng)，其值位于0 和1 之間，越接近0，則單元形狀越接近理想形狀，該車模型傾斜度的平均值為0.085°，說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量很好。雅可比比率處理帶有中節(jié)點(diǎn)的單元，計(jì)算出單元里樣本點(diǎn)雅可比矩陣行列式，并取最大值與最小值的比值，其值接近1 時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量最優(yōu)，高雅可比比率代表單元空間與真實(shí)空間的映射極度失真，該車模型雅可比比率平均值為1.108，符合網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)。表1示出網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)[3]。

圖3 某新能源汽車白車身網(wǎng)格劃分模型圖

表1 某新能源汽車車身網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)表

1.3 部件連接及約束模型的建立

該模型建立的白車身由14 個(gè)部分組成，每部分由若干小構(gòu)件組成。利用ANSYS Workbench 下model-connection 的命令bonded 來(lái)模擬各個(gè)部件之間的焊接，共計(jì)9 組61 對(duì)焊接綁定。模型基于笛卡爾坐標(biāo)系建立，模擬該車白車身彎曲扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械裝置約束模型，如圖4所示。

圖4 某新能源汽車剛度測(cè)試裝置實(shí)際約束模型圖

圖4中點(diǎn) a，b，e，f，h 是彎扭試驗(yàn)平臺(tái)上空間運(yùn)動(dòng)副中的球面連接副，g 點(diǎn)為線高副，陰影部分為簡(jiǎn)化車身。由空間自由度計(jì)算公式計(jì)算出試驗(yàn)臺(tái)約束車架的自由度為0，實(shí)現(xiàn)完全約束[4]，如式（1）所示。

式中：W——空間構(gòu)件的自由度；

n——活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)量，個(gè)；

Pi——1～5 級(jí)副；

Wv——虛約束，個(gè)；

Wp——局部自由度；

i——每級(jí)運(yùn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)，個(gè)。

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)約束情況來(lái)模擬白車身的約束，限制白車身左前Z 向自由度，右前Y，Z 向自由度，左后X，Z 向自由度，右后 X，Y，Z 向自由度[5]。

按照某新能源汽車實(shí)際行駛過(guò)程中的載荷分布進(jìn)行加載，加載量分別為乘客65 kg，主駕駛座椅16.7 kg，副駕駛座椅16.7 kg，后排座椅13.6 kg。通過(guò)力的平移定理施加到4 個(gè)座椅支撐點(diǎn)上作為等效載荷[6]。通過(guò)質(zhì)心加載方法模擬發(fā)電機(jī)90 kg，Z 向的重力加速度為9 800 mm/s2，ANSYS Workbench中的重力實(shí)際上是慣性力，因此，其方向總是和施加的重力方向相反。設(shè)置車身材料為Q235。加載約束模型，如圖5所示。圖5中 A 點(diǎn)為固定約束，B，C，D 點(diǎn)為限制性約束。B 點(diǎn)限制X，Z 向移動(dòng)，C，D 點(diǎn)限制 Z 向移動(dòng)。分別在 E，G，I 點(diǎn)施加 204.5 N 的垂向力，在 F，H，J 點(diǎn)施加 52 057 N·mm的扭矩來(lái)模擬乘客和座椅的等效載荷。

圖5 某新能源汽車加載約束模型圖顯示界面

2 白車身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度強(qiáng)度仿真及分析

2.1 白車身彎曲剛度強(qiáng)度分析

通過(guò)建立的白車身模型，在ANSYS Workbench 的solution 求解器下得到彎曲載荷在Z 方向的應(yīng)變?cè)茍D，如圖6所示。

圖6 某新能源汽車彎曲工況下車身變形模型云圖

從圖6可見(jiàn)，最大變形量在主座椅和副座椅位置，約為1.759 6 mm。車身彎曲剛度分析，如式（2）所示。

式中：EI——彎曲剛度，N/mm；

ΣF——所加載荷總載荷，此處為4 004.5 N；

umax——最大變形量，此處為1.759 6 mm。

通過(guò)式（2）計(jì)算，EI 為 2 275.80 N/mm[7]。經(jīng)分析，該白車身剛度略有不足，彎曲工況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底板座椅安裝孔及底板與B 柱連接位置，最大應(yīng)力為124.22 MPa，如圖7所示。該車材料為Q235，屈服極限為235 MPa，安全系數(shù)為1.89，經(jīng)分析，該車身彎曲強(qiáng)度較高。

圖7 某新能源汽車車身彎曲工況應(yīng)力云圖

2.2 白車身扭轉(zhuǎn)剛度強(qiáng)度分析

汽車行駛在路上，難免會(huì)經(jīng)過(guò)坑洼路面或者減速屏障，所以扭轉(zhuǎn)剛度強(qiáng)度就成為了汽車的重要指標(biāo)。通過(guò)對(duì)后懸置處的完全約束，對(duì)左右前懸置處施加不同方向的載荷來(lái)模擬扭轉(zhuǎn)工況，如圖8所示。

圖8 某新能源汽車車身模擬扭轉(zhuǎn)工況加載圖

其中，水平最大轉(zhuǎn)角的計(jì)算，如式（3）所示。

式中：θmax——車身相對(duì)水平面最大轉(zhuǎn)角，（°）；

h——右懸置處Z 軸方向的變形量，mm；

u——左懸置處Z 軸方向的位移量，mm；

L——左右兩懸置處的距離，此處為922.654 mm。

扭轉(zhuǎn)剛度（GJ/（N·m/（°）））的計(jì)算，如式（4）所示。

式中：M——模擬扭轉(zhuǎn)的最大扭轉(zhuǎn)載荷，N；

K——前軸最大載荷，此處為2 163.8 N；

S——前軸輪距，此處為1 310 mm。

通過(guò)計(jì)算，得到模擬扭轉(zhuǎn)載荷為1 417.289 N，取1 417 N。計(jì)算變形云圖，如圖9所示。

圖9 某新能源汽車車身扭轉(zhuǎn)變形云圖

經(jīng)仿真計(jì)算，得到右懸置處的最大扭轉(zhuǎn)變形為1.103 7 mm，左懸置處最大變形為-1.144 9 mm，車身相對(duì)水平面最大扭轉(zhuǎn)角為0.14°，根據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式得到扭轉(zhuǎn)剛度為10 121.43 N·m/（°），扭轉(zhuǎn)剛度一般。扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在右懸置處，為105.19 MPa，如圖10所示。其安全系數(shù)為2.234。經(jīng)分析，白車身扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較好。

圖10 某新能源汽車車身扭轉(zhuǎn)應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

文章采用CATIA 軟件對(duì)某新能源汽車建立三維模型，用ANSYS Workbench軟件建立白車身有限元模型，進(jìn)行了網(wǎng)格劃分等前處理，通過(guò)本次模擬仿真得出：

1）該車白車身整體的彎曲剛度為2 275.80 N/mm，一般參考值為10 000 N/mm。最大變形發(fā)生在主副座椅處，彎曲剛度不足，存在一定的安全問(wèn)題，也是日后多目標(biāo)優(yōu)化的重點(diǎn)。彎曲強(qiáng)度系數(shù)為1.89，彎曲強(qiáng)度較好。

2）該車扭轉(zhuǎn)剛度為10 121.43 N·m/（°），國(guó)外先進(jìn)汽車的參考值為16 000 N·m/（°）[8]。最大應(yīng)力出現(xiàn)在右懸置處。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度系數(shù)為2.234，在合理范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，新能源汽車在剛度和強(qiáng)度符合國(guó)家要求的基礎(chǔ)上應(yīng)實(shí)現(xiàn)輕量化。該車型應(yīng)對(duì)強(qiáng)度過(guò)剩位置進(jìn)行薄壁處理或者進(jìn)行材料替換，今后應(yīng)對(duì)底板及底板支撐梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化處理來(lái)實(shí)現(xiàn)其輕量化目標(biāo)。