楊 靖，陳 鋒

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.滁州永強(qiáng)汽車(chē)制造有限公司，安徽 滁州 239000)

隨著我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在國(guó)家宏觀政策和地方政策的共同支持下，電動(dòng)汽車(chē)作為人們代步工具的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)凸顯。同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)規(guī)模化生產(chǎn)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)狀，使微型電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)正成為各汽車(chē)品牌廠商角逐的新戰(zhàn)場(chǎng)。微型兩座電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格實(shí)惠、能耗低、使用成本低、出行便捷、停車(chē)占地空間小，這些特點(diǎn)契合人們的出行需求，故微型兩座電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)研究主要從材料研發(fā)、CAE技術(shù)應(yīng)用等方面著手。2005年，歐洲某研發(fā)中心進(jìn)行SuperLight-CAR項(xiàng)目研發(fā)，以新型材料取代傳統(tǒng)鋼材制造轎車(chē)車(chē)身，車(chē)身質(zhì)量減少25%，力學(xué)性能得到較大提升[2]。Jahani等[3]利用有限元仿真與試驗(yàn)分析出車(chē)身結(jié)構(gòu)中剛度貢獻(xiàn)率較高的部分，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)形態(tài)提高了車(chē)身的力學(xué)性能。易輝成[4]利用多目標(biāo)優(yōu)化方法改變車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)件料厚，達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。雷明準(zhǔn)等[5]利用靈敏度分析方法實(shí)現(xiàn)了車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。這些研究為汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及輕量化改進(jìn)提供了參考。但是，微型兩座電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)有區(qū)別，特別是其動(dòng)力電池安裝在車(chē)身底部，故對(duì)于車(chē)身結(jié)構(gòu)的有限元分析、模型建立、參數(shù)設(shè)置都有必要進(jìn)行研究。并且，微型兩座電動(dòng)汽車(chē)頂部設(shè)置天窗，對(duì)承載式車(chē)身整體的力學(xué)性能會(huì)有較大影響。本研究利用HyperMesh軟件對(duì)某國(guó)產(chǎn)自主品牌微型兩座電動(dòng)汽車(chē)(天窗版)車(chē)身建模，根據(jù)汽車(chē)運(yùn)行受載情況，對(duì)車(chē)身進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度及自由模態(tài)的分析，以期為車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及輕量化提供參考。

1 車(chē)身模型的建立

微型兩座電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的主要功能是傳遞和承受載荷，薄壁結(jié)構(gòu)的鋼板、鋁板及復(fù)合材料通常利用焊接技術(shù)組合為一體，部分結(jié)構(gòu)采用膠裝工藝。微型兩座電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身主要包括地板、側(cè)包圍、頂蓋、風(fēng)窗框體、梁體等，這些結(jié)構(gòu)在汽車(chē)運(yùn)行時(shí)承載的功能各有不同。地板、側(cè)包圍等結(jié)構(gòu)用于承載乘客，動(dòng)力電池附件等設(shè)備要求具備足夠的強(qiáng)度、剛度和韌性。風(fēng)窗框體要求具備足夠的剛度來(lái)保證密封和降噪效果。梁體除了有剛度和強(qiáng)度要求，還要考慮碰撞時(shí)的吸能作用。因此，在建模時(shí)將板材結(jié)構(gòu)用殼單元模擬，對(duì)殼單元進(jìn)行單元化，再合理布置節(jié)點(diǎn)，車(chē)身模型質(zhì)量為158.3 kg，以質(zhì)量點(diǎn)代替動(dòng)力電池等設(shè)備。車(chē)身模型單元材料參數(shù)如表1所示。

表1 車(chē)身模型單元材料參數(shù)Tab.1 Material parameter of body model unit

從表1可以看出，微型兩座電動(dòng)汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)使用了5052、6016等型號(hào)的鋁板以降低車(chē)身質(zhì)量，使用A380型含有一定碳纖維材料的鋁合金及DC01型鋼板作為保障車(chē)身剛度和強(qiáng)度的材料。生成的車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 Finite element model of body structure

2 車(chē)身剛度有限元分析

汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的剛度是保障汽車(chē)安全性的重要指標(biāo)，特別是在微型兩座電動(dòng)汽車(chē)帶有天窗結(jié)構(gòu)和使用輕型鋁制材料的情況下。車(chē)身結(jié)構(gòu)的剛度分析主要包括靜態(tài)彎曲剛度分析和靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度分析。

2.1 車(chē)身彎曲剛度

靜態(tài)彎曲剛度是在平坦路面上，只考慮車(chē)身、乘客和貨物質(zhì)量時(shí)汽車(chē)在垂直受力方向的位移量，一般有分布式載荷加載和集中式載荷加載兩種方式[6]。在進(jìn)行靜態(tài)彎曲剛度有限元分析時(shí)，設(shè)置模擬載荷和邊界約束?；谖⑿蛢勺妱?dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在設(shè)置載荷時(shí)采用門(mén)檻梁加載法。在左右兩個(gè)門(mén)檻梁也就是前后軸中心點(diǎn)位置集中施加載荷F(1 500 N)，如圖2所示。

圖2 彎曲剛度邊界條件Fig.2 Bending stiffness boundary condition

從圖2可以看出：車(chē)身前端約束分別在前端左右兩側(cè)減震器安裝座的中心位置，用2、3標(biāo)注；車(chē)身后端約束也設(shè)置在車(chē)身后端左右兩側(cè)減震器安裝座中心位置，用1、2、3標(biāo)注。其中，數(shù)字1、2、3分別表示X、Y、Z這3個(gè)方向的自由度。因此，總體邊界條件設(shè)定如下：約束左前和右前減震器安裝座中心Y、Z兩個(gè)方向的自由度；約束左后和右后減震器安裝座中心X、Y、Z這3個(gè)方向的自由度；同時(shí)分別在左右兩個(gè)門(mén)檻梁中心位置施加載荷1 500 N。

在HyperMesh軟件中設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的繞度值來(lái)分析車(chē)身變形情況。車(chē)身剛度測(cè)量點(diǎn)如圖3和圖4所示。

圖3 縱梁和門(mén)檻測(cè)量點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of measuring points of longitudinal beam and threshold

由圖3可見(jiàn)，在車(chē)身地板受載荷影響較大的部位，主要測(cè)量點(diǎn)位于縱梁和門(mén)檻位置。除此之外，也需要重點(diǎn)觀察車(chē)身風(fēng)窗和車(chē)門(mén)門(mén)洞測(cè)量點(diǎn)變形情況，特別是天窗位置，見(jiàn)圖4。觀察門(mén)洞對(duì)角線(xiàn)距離的變化量,從而評(píng)估車(chē)身在特殊條件下是否會(huì)出現(xiàn)車(chē)門(mén)卡死、玻璃擠碎、密封不嚴(yán)導(dǎo)致漏雨等現(xiàn)象[7]。經(jīng)過(guò)仿真后處理，得到車(chē)身彎曲剛度Z向位移云圖(圖5)。根據(jù)測(cè)量點(diǎn)Z向位移結(jié)果，擬合成車(chē)身彎曲剛度曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖5 車(chē)身彎曲剛度Z向位移云圖Fig.5 Nephogram of Z-direction displacement of body bending stiffness

圖6 車(chē)身彎曲剛度曲線(xiàn)Fig.6 Body bending stiffness curve

從圖5和圖6來(lái)看，車(chē)身彎曲剛度沒(méi)有突變情況，曲線(xiàn)相對(duì)平滑。在圖6中提取最大位移0.206 mm，通過(guò)計(jì)算得出彎曲剛度為14 597 N/mm，該數(shù)據(jù)大于設(shè)計(jì)要求的10 000 N/mm，可知彎曲剛度滿(mǎn)足使用條件。風(fēng)窗和門(mén)洞包括天窗結(jié)構(gòu)變形量均小于5 mm，也符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度

車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度是在不平路面上，車(chē)身左右兩側(cè)受到來(lái)自地面不同作用力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形量，有減震塔測(cè)點(diǎn)法和縱梁測(cè)點(diǎn)法兩種測(cè)量方式。由于微型電動(dòng)汽車(chē)電池包與車(chē)身連接，整體對(duì)扭轉(zhuǎn)起到一定抑制作用，所以采用減震塔測(cè)點(diǎn)法較合適。在車(chē)身前端左右兩側(cè)減震器安裝座中心之間形成2 000 N·m的扭矩，測(cè)量點(diǎn)與加載點(diǎn)重合，車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件如圖7所示。

圖7 扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件Fig.7 Torsional stiffness boundary conditions

由圖7可見(jiàn)，扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件設(shè)定為后端左右兩側(cè)減震器安裝座中心約束X、Y、Z這3個(gè)方向自由度，前端防撞梁中心約束Z向自由度。經(jīng)過(guò)仿真后處理，得到車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度Z向變形云圖(圖8)。根據(jù)測(cè)量點(diǎn)Z向變形結(jié)果，擬合為剛度曲線(xiàn)，如圖9所示。

從圖8和圖9來(lái)看，車(chē)身扭轉(zhuǎn)變形沒(méi)有突變情況，曲線(xiàn)相對(duì)平滑。從圖9中提取扭轉(zhuǎn)角度0.197°，通過(guò)計(jì)算得出扭轉(zhuǎn)剛度為10 152 N/mm，該數(shù)據(jù)大于設(shè)計(jì)要求的10 000 N/mm，可知扭轉(zhuǎn)剛度滿(mǎn)足使用條件。

圖8 車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度Z向變形云圖Fig.8 Nephogram of Z-direction deformation of body torsional stiffness

圖9 車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度曲線(xiàn)Fig.9 Body torsional stiffness curve

3 車(chē)身模態(tài)分析

車(chē)身模態(tài)分析是指汽車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，汽車(chē)在運(yùn)行中受到外界激勵(lì)條件的影響產(chǎn)生共振從而影響汽車(chē)各項(xiàng)性能的分析[8]。車(chē)身模態(tài)分析有實(shí)驗(yàn)法和有限元仿真法兩種[9]。如果車(chē)身在前期設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)了振型不符合使用條件的情況，則需要不斷優(yōu)化。因此，采用有限元仿真法成本更低。

對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行無(wú)約束、無(wú)載荷的自由模態(tài)仿真，產(chǎn)生14階模態(tài)，忽略前6階剛體模態(tài)(前6階模態(tài)為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)且頻率為0)。去除剛性模態(tài)后，分析前8階模態(tài)振型和頻率。研究車(chē)型分為天窗版和無(wú)天窗版兩種，這里取帶天窗結(jié)構(gòu)的車(chē)身進(jìn)行分析，其模態(tài)振型與頻率仿真結(jié)果如表2所示。

表2 車(chē)身模態(tài)振型與頻率Tab.2 Modal shape and frequency of vehicle body

在幾個(gè)高階振型中，呈現(xiàn)出多局部范圍振動(dòng)特點(diǎn)，并且有振型疊加現(xiàn)象。由于車(chē)身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析過(guò)程主要參考地面激勵(lì)的影響，頻率低于20 Hz，故以低階振型作為評(píng)價(jià)對(duì)象比較符合設(shè)計(jì)要求。前6階(低階)振型云圖見(jiàn)圖10。

圖10 車(chē)身模態(tài)振型云圖Fig.10 Modal shape of vehicle body

從圖10可以看出：整車(chē)一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為43.3 Hz，高于同類(lèi)型車(chē)型一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率30 Hz的設(shè)計(jì)要求；一階彎曲模態(tài)頻率為67.9 Hz，高于同類(lèi)型車(chē)型一階彎曲模態(tài)頻率55 Hz的設(shè)計(jì)要求；整體模態(tài)頻率為40～75 Hz，高于激勵(lì)頻率，避免了電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)的共振現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)帶天窗結(jié)構(gòu)的微型兩座電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了天窗結(jié)構(gòu)對(duì)微型汽車(chē)車(chē)身整體力學(xué)性能的影響有限。車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，后續(xù)可以對(duì)其進(jìn)行靈敏度多目標(biāo)分析和碰撞模型分析。