楊萬慶 趙永宏 陳東 耿富榮 汪芳勝

摘 要：為了在概念設(shè)計(jì)階段構(gòu)建更為精準(zhǔn)有效的車身框架模型，文章提出一種以梁、剛性單元和扭轉(zhuǎn)彈簧組合的車身接頭等效簡化方法，并提出了一種計(jì)算接頭剛度的新方法。并驗(yàn)證了該方法的正確性。使用該方法簡化的車身接頭，車身框架的靜態(tài)剛度偏差在2%左右。這種車身接頭的等效簡化方法，具有計(jì)算效率高、等效精度高以及操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地運(yùn)用到車身前期概念設(shè)計(jì)工作中。

關(guān)鍵詞：車身設(shè)計(jì);框架車身;簡化接頭;等效簡化

中圖分類號：U463.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-56-04

Abstract： In order to build more accurate and effective body frame model in concept design phase， a body joint equivalent simplification method is proposed in this paper which include beam， RBE2 and spring mesh elements. This paper presents a relevant method to compute the joint properties， and verify the correctness of the proposed method. The static stiffness deviation of the simply joint body is about 2%. It can be applied to the conceptual design of the car body in the early stage.

Keywords： Body design; Frame body; Simply joint; Equivalent simplification

CLC NO.： U463.8? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-56-04

前言

白車身結(jié)構(gòu)總成是由承載構(gòu)件、接頭和板殼連接組成。構(gòu)件的截面特性、接頭的剛度和板殼的形狀、板厚都影響車身的剛度，而接頭在很大程度上決定整個車身的剛度和振動模態(tài)，因而影響車身的振動、噪聲性能和耐久性[1]。研究車身接頭部位對白車身剛度的影響，對于改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)，改善車輛的強(qiáng)度剛度狀況，提高車輛的安全性和可靠性具有十分重要的實(shí)際意義[2]。車身接頭由梁與梁之間的連接形成，研究發(fā)現(xiàn)，將接頭視為剛性的計(jì)算結(jié)果會使整車剛度提高50%—70%[3]，所以在計(jì)算時(shí)必須考慮接頭的柔性，以保證計(jì)算結(jié)果能正確反映實(shí)際的力學(xué)性能。

為了建立更為準(zhǔn)確的接頭計(jì)算模型，國內(nèi)外學(xué)者在接頭結(jié)構(gòu)的等效簡化方面開展了許多研究工作。目前，接頭結(jié)構(gòu)的等效簡化可劃分為兩條技術(shù)路線：一條是超單元縮減矩陣簡化，即根據(jù)接頭詳細(xì)模型，利用Guyan縮減法消去從自由度得到含有主自由度信息的超單元縮減矩陣;另一條技術(shù)路線是等效模型簡化，即采用梁單元、剛性單元RBE2、彈簧等組合形式，模擬接頭的剛度性能建立等效簡化模型。

Chon利用扭簧模擬接頭，并指出在一些極端情況下，可忽略某些參數(shù)，將接頭視為剛性連接[4]。Nikolaidis等在接頭等效簡化模型方面做了一系列的工作[5-9]，在[5]中建立了兩種面向設(shè)計(jì)的三維模型，兩個模型均由扭簧組成，區(qū)別在于角位移是否耦合，作者還提出了一種基于結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)推測模型參數(shù)的方法，并將這種方法應(yīng)用到一個簡單的立方體框架和車身中，比較了兩種模型預(yù)測靜態(tài)響應(yīng)的能力。在[6]中提出了一種識別車輛柔性接頭的方法。該方法通過測量整體結(jié)構(gòu)的位移，確定接頭模型中最重要的參數(shù)，并估計(jì)這個參數(shù)的值。這種方法可以用于開發(fā)簡單的、面向設(shè)計(jì)的初步接頭模型，作者在文中驗(yàn)證了該方法的可行性。在[7][8]中作者建立了一種簡單、面向設(shè)計(jì)的車輛接頭模型，該模型考慮了接頭的柔度、接頭幾何中心到接頭分支旋轉(zhuǎn)中心的偏移量，前者還研究了車輛結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)對接頭模型參數(shù)的敏感性，以此確定最重要的參數(shù)。后者還介紹了一種識別重要參數(shù)的統(tǒng)計(jì)工具，并將其應(yīng)用于B柱接頭參數(shù)的估計(jì)。在[9]中作者研究了接頭分支長度對接頭性能的影響，并將該方法應(yīng)用到了由簡單箱梁構(gòu)成的T型接頭和真實(shí)的汽車車身結(jié)構(gòu)接頭中。

國內(nèi)的學(xué)者對接頭模型也開展了許多研究。黃金陵等在文中提出了“接頭單元”的概念，以車身A柱上接頭為例，計(jì)算了接頭柔度，分析了接頭柔度對整車剛度的影響[10]。鞠偉建立了汽車B柱下接頭的彈簧—剛梁簡化模型，驗(yàn)證了該模型的有效性，并實(shí)現(xiàn)了接頭簡化模型建立的流程自動化[11]。遲瑞豐等利用扭轉(zhuǎn)彈簧單元和剛性連接單元模擬車身的接頭，計(jì)算了不同接頭對彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的影響[12]。

以上專家學(xué)者對接頭的研究采取了多種方法，取得了很好的效果，但是這些方法計(jì)算復(fù)雜，尤其是在有限元仿真計(jì)算中，沒有相應(yīng)的單元類型模擬接頭，工程應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)，尤其在車身概念設(shè)計(jì)中，詳細(xì)接頭很難分析接頭的受力特征，用簡化的接頭形式，在車身框架的設(shè)計(jì)中有重要的意義。

鑒于此種原因，本文提出一種以梁、剛性單元RBE2和彈簧組合為等效模型的車身接頭等效簡化方法，建立了通用的車身接頭剛度計(jì)算方法，并用一個車身實(shí)例驗(yàn)證了該方法的正確性。

1 接頭定義

車身接頭是梁與梁之間的連接結(jié)構(gòu)，轎車主要接頭分布于側(cè)圍區(qū)域，如圖1三廂將車所示。并將接頭依次命名為JA、JB、JC、JD、JE、JF、JH.接頭的數(shù)量根據(jù)車型而定。

根據(jù)接頭端點(diǎn)的數(shù)量和形狀，車身結(jié)構(gòu)典型接頭主要分為L型和T型。為便于區(qū)分接頭各分支，將接頭的分支劃分為主梁和支梁，在車身系統(tǒng)坐標(biāo)中，沿車身縱向的梁為主梁，其余方向的梁為支梁。在車身上截取接頭時(shí)，應(yīng)根據(jù)接頭的類型，在接頭過渡圓弧切點(diǎn)外的直邊區(qū)域進(jìn)行截?cái)?，由于接頭分支長度、各分支之間的圓弧過渡區(qū)域?qū)宇^剛度的影響不容忽略，為保證接頭模型的準(zhǔn)確性，可根據(jù)以下推薦尺寸確定主、支梁的直邊尺寸，L型接頭主、支梁提取的直邊推薦尺寸均為30mm;T型接頭主梁提取的直邊推薦尺寸為30mm，支梁則為50mm。如圖2所示。

（a）L型接頭??????????? （b）T型接頭

2 接頭等效簡化方法

2.1 接頭簡化方法

車身的接頭是薄殼梁連接構(gòu)成的，接頭的簡化是將復(fù)雜的薄殼梁結(jié)構(gòu)簡化成一維梁單元和彈簧單元模型，便于接頭的受力分析和剛度優(yōu)化。接頭的簡化工作主要分為梁單元的簡化和接頭的連接。

梁單元的簡化是將薄殼構(gòu)成的接頭模型劃分成主、支梁區(qū)域，各區(qū)域按照截取母線簡化成一維梁單元，T型接頭主梁截取成兩段，支梁截取成一段，L型接頭主梁和支梁都截取成一段，如圖3所示。

接頭簡化得到的梁單元中，端點(diǎn)P1、P2、P3的坐標(biāo)應(yīng)與殼單元模型對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)保持一致。根據(jù)梁截面定義梁單元的幾何參數(shù)，圖4為L接頭主梁截面，根據(jù)截面尺寸計(jì)算其截面面積A，慣性矩Ix、Iy和扭轉(zhuǎn)常數(shù)J，作為梁單元模型計(jì)算參數(shù)。

接頭的連接主要用剛性單元RBE2和彈簧單元。接頭的平動自由度1，2，3用剛性單元 RBE2連接，轉(zhuǎn)動自由度4、5、6用三個扭轉(zhuǎn)彈簧單元連接。見圖5。

2.2 接頭剛度等效計(jì)算

等效簡化接頭模型的主梁、支梁的剛度由梁截面和長度定義，連接兩個梁的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度決定接頭的剛度，所以簡化接頭的剛度計(jì)算就是求解接頭中連接彈簧的剛度。等效簡化接頭模型可視為在剛性模型的基礎(chǔ)上串聯(lián)扭轉(zhuǎn)彈簧，如圖6所示。

簡化接頭模型??????? ?剛性連接模型?????????? 彈簧連接模型

令剛性連接模型剛度為Kr，等效簡化模型剛度為Kj，連接彈簧的剛度為KS，根據(jù)彈簧的串聯(lián)公式可得簡化接頭剛度為：

要保證簡化接頭模型剛度Kj與原薄殼單元模型剛度K0相等，有：

從而可求解得彈簧的剛度為：

將彈簧剛度Ks代入公式（1）即可計(jì)算的簡化接頭的剛度。

2.3 簡化接頭剛度計(jì)算實(shí)例

下面以三廂將車白車身為例，驗(yàn)證車身接頭簡化計(jì)算方法和模型精度。現(xiàn)以車身A柱下接頭JF為例說明簡化接頭剛度計(jì)算過程，計(jì)算模型包括殼單元接頭模型，剛性連接簡化模型和彈簧連接簡化模型。加載方式見圖7，在主梁節(jié)點(diǎn)P2點(diǎn)約束，在支梁節(jié)點(diǎn)P1點(diǎn)施加彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷。計(jì)算布置如下：

1）殼單元模型???? 2）剛性連接模型???? 3）彈簧連接模型

（1）計(jì)算殼單元模型剛度K0。約束主梁節(jié)點(diǎn)P2點(diǎn)，在支梁節(jié)點(diǎn)P1點(diǎn)加載X向彎矩Mx=10000 N?mm，求得轉(zhuǎn)動剛度K0= 401083245.63 N?mm/rad;

（2）計(jì)算剛性連接模型剛度Kr。約束P2點(diǎn)，在P1點(diǎn)加載X軸向的轉(zhuǎn)矩Mx=10000 N?mm，求得轉(zhuǎn)動剛度Kr= 828820406.22 N?mm/rad;

（3）計(jì)算連接扭轉(zhuǎn)彈簧剛度Ks。根據(jù)公式（4）可求得這一方向上的連接扭轉(zhuǎn)彈簧剛度Ks為：

（4）同理可以可分別求出其他接頭扭轉(zhuǎn)彈簧剛度，見表1。

a.詳細(xì)接頭車身框架?????????? b.簡化接頭車身框架

將簡化接頭模型替換詳細(xì)接頭，計(jì)算車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，計(jì)算結(jié)果如表2所示，車身框架扭轉(zhuǎn)剛度降低-2.38%，彎曲剛度降低-1.89%，這是因?yàn)楹喕宇^彈簧剛度與梁的連接減弱所致，也有一些操作的誤差。雖然接頭簡化后車身靜態(tài)剛度稍微降低一些，但是偏差在2%左右。完全滿足概念設(shè)計(jì)車身框架設(shè)計(jì)精度要求。

3 結(jié)論

為了建立穩(wěn)定可靠、滿足較高精度要求的接頭等效簡化模型以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的參數(shù)化框架車身概念模型，本文基于對多款車型車身接頭結(jié)構(gòu)的等效方法和模擬精度的研究，提出了一種車身接頭等效簡化方法，為車身接頭的設(shè)計(jì)與理論分析提供新的實(shí)用方法。

本文提出的車身接頭等效簡化方法具有以下特點(diǎn)：

（1）可提高計(jì)算車身的力學(xué)特性的計(jì)算效率，同時(shí)，接頭等效簡化模型在主自由度方向上具有與殼單元模型相同的轉(zhuǎn)動剛度，極大程度地提高了接頭的等效精度;

（2）操作簡單，只需提取少量參數(shù)便可得到參數(shù)化接頭模型，將各個接頭等效后更利于車身模型的參數(shù)化處理;

（3）利用這種等效簡化方法獲得的接頭等效模型的結(jié)構(gòu)與殼單元模型較為一致，根據(jù)轉(zhuǎn)動剛度值對等效簡化模型的一維梁單元和彈簧剛度值進(jìn)行優(yōu)化，便可得到接頭分支的界面特性和連接強(qiáng)度等，從而可指導(dǎo)接頭的設(shè)計(jì)工作。

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