周 亮，劉志波

（1.長(zhǎng)春汽車(chē)工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校，吉林 長(zhǎng)春 130013； 2. 一汽奔騰轎車(chē)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130025）

0 引言

車(chē)身結(jié)構(gòu)斷面的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)是車(chē)身概念設(shè)計(jì)階段的一項(xiàng)重要工作，而斷面的慣性矩作為衡量白車(chē)身強(qiáng)度和剛度性能的重要參數(shù)，其主慣性矩分析和優(yōu)化又是斷面設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作[1-2]。車(chē)身結(jié)構(gòu)斷面慣性矩分析可以從車(chē)身斷面主慣性矩對(duì)標(biāo)分析和慣性矩敏感度分析兩方面進(jìn)行[3]，慣性矩對(duì)標(biāo)分析通過(guò)對(duì)比分析研發(fā)車(chē)型與對(duì)標(biāo)車(chē)型相應(yīng)斷面位置處的慣性矩值，進(jìn)而對(duì)研發(fā)車(chē)型的慣性矩值進(jìn)行定義；慣性矩敏感度分析是利用有限元方法來(lái)分析研發(fā)車(chē)型各主斷面對(duì)車(chē)身模態(tài)及剛度的影響，進(jìn)而探究出車(chē)身模態(tài)對(duì)某一斷面的敏感度最高[4-5]。 因此，本文主要基于斷面主慣性矩性能對(duì)B柱上斷面影響進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)SFE分析驗(yàn)證，最后將優(yōu)化后的方案在車(chē)身進(jìn)行頂壓試驗(yàn)仿真驗(yàn)證。

1 車(chē)身斷面主慣性矩性能及B柱上斷面作用

1.1 車(chē)身斷面主慣性矩性能

車(chē)身斷面對(duì)標(biāo)分析是在車(chē)身開(kāi)發(fā)初期，通過(guò)借鑒以往車(chē)型以及對(duì)標(biāo)車(chē)型的主要斷面信息，并結(jié)合新工藝、新材料等技術(shù)信息，以此為基礎(chǔ)來(lái)定義白車(chē)身開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)目標(biāo)[6]。斷面的慣性矩是分析斷面性能的重要指標(biāo)[7]，慣性矩指標(biāo)可以分為相對(duì)于X軸、Y軸和Z軸的3個(gè)慣性矩Ix、Iy和Iz，如圖1所示。

圖1 斷面示意圖

其中：Ix對(duì)應(yīng)于斷面相對(duì)X軸的慣性矩代表梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度性能，Iy（Iz）對(duì)應(yīng)于斷面相對(duì) Y（Z）軸的慣性矩代表梁結(jié)構(gòu)彎曲剛度性能[8]。若將Y軸和Z軸定義為通過(guò)質(zhì)心的軸，則有Iy和Iz是主慣性矩，斷面相對(duì)于坐標(biāo)軸的慣性矩具有如下關(guān)系：

根據(jù)慣性矩的定義可知，可將相對(duì)于X軸、Y軸和Z軸的慣性矩表示如下：

通過(guò)對(duì)上述公式的分析可知：若要增加斷面的慣性矩可以通過(guò)增加斷面的實(shí)體面積或者增加斷面線與慣性軸的距離[9]。分析表明：車(chē)身不同部位對(duì)不同方向上的彎曲剛度具有不同的要求，據(jù)此可以通過(guò)增加斷面尺寸和提升斷面實(shí)體面積獲得慣性矩的增加，或者為滿足輕量化需求在保持?jǐn)嗝鎸?shí)體面積不變的情況下，通過(guò)改變斷面尺寸以達(dá)到慣性矩增加的目標(biāo)[10]。

1.2 車(chē)輛頂壓試驗(yàn)中B柱上斷面作用

車(chē)輛頂壓試驗(yàn)時(shí)，B柱在保證車(chē)身剛度性能方面具有巨大的貢獻(xiàn)，B柱在試驗(yàn)過(guò)程中主要產(chǎn)生沿著車(chē)身X軸的彎曲，通過(guò)第1.1節(jié)中介紹的車(chē)身斷面的慣性矩分析可知：在進(jìn)行B柱上斷面的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃骕軸的慣性矩。斷面慣性矩的計(jì)算將主要利用斷面的尺寸、形狀以及厚度信息，圖2為B柱上斷面的輪廓線分別代表著B(niǎo)柱的內(nèi)板、加強(qiáng)板以及外板，根據(jù)設(shè)計(jì)需求及慣性矩的大小要求，上斷面優(yōu)化方案包括取消B柱的加強(qiáng)板或增加B柱的加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)。

圖2 B柱上斷面示意圖

2 B柱上斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 B柱上斷面對(duì)標(biāo)分析

利用點(diǎn)云掃描技術(shù)獲取對(duì)標(biāo)車(chē)型的數(shù)據(jù)，然后將B柱上斷面的結(jié)構(gòu)信息作為對(duì)標(biāo)基準(zhǔn)，并以某預(yù)研車(chē)型（A0）的B柱上斷面為優(yōu)化目標(biāo)，探究增加截面面積和增大尺寸這兩種方法對(duì)提升斷面主慣性矩的影響，并定義如上圖2中所示過(guò)質(zhì)心的X軸和Y軸。通過(guò)計(jì)算預(yù)研車(chē)型的B柱上斷面X軸的主慣性矩為89 620 mm4，對(duì)標(biāo)車(chē)型B柱上斷面的主慣性矩為176 300 mm4（見(jiàn)表1），通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，預(yù)研車(chē)型與對(duì)標(biāo)車(chē)型在鈑金實(shí)體面積相當(dāng)?shù)那闆r下，由于y向距離相差13 mm，導(dǎo)致預(yù)研車(chē)型X軸的主慣性矩約為對(duì)標(biāo)車(chē)型的0.5倍，需要為增大B柱上斷面X軸的主慣性矩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 B柱上斷面優(yōu)化方案

為增大預(yù)研車(chē)型B柱上斷面X軸的慣性矩，通過(guò)以下三種優(yōu)化方案探究斷面尺寸對(duì)提升B柱上斷面性能的影響。

優(yōu)化方案1：增加補(bǔ)強(qiáng)板；優(yōu)化方案2：改變內(nèi)板形狀；優(yōu)化方案3：增加y向距離。表3.1為三種優(yōu)化方案對(duì)應(yīng)的斷面信息。

1）優(yōu)化方案1。不改變預(yù)研車(chē)型x與y向最大尺寸的情況下，加強(qiáng)板上增加厚度為2 mm的補(bǔ)強(qiáng)板。補(bǔ)強(qiáng)板導(dǎo)致鈑金實(shí)體面積增加，進(jìn)而使優(yōu)化后X軸的主慣性矩相比于預(yù)研車(chē)型提升了22%，達(dá)到108 700 mm4，未達(dá)到對(duì)標(biāo)車(chē)型的目標(biāo)值。

2）優(yōu)化方案2。不改變預(yù)研車(chē)型的x與y向最大尺寸的情況下，改變內(nèi)板的形面及厚度。優(yōu)化后的斷面X軸的主慣性矩相比于預(yù)研車(chē)型提升了26%，達(dá)到113 300 mm4，未達(dá)到對(duì)標(biāo)車(chē)型的目標(biāo)值。內(nèi)板厚度的增加使鈑金實(shí)體面積與對(duì)標(biāo)車(chē)型相當(dāng)，從表1中數(shù)據(jù)可以分析出鈑金實(shí)體面積對(duì)主慣性矩增加的貢獻(xiàn)較小，主慣性矩增大的主要原因?yàn)閮?nèi)板型面的更改，使內(nèi)板上的點(diǎn)到主軸x的y向距離增加。

表1 對(duì)標(biāo)車(chē)型和預(yù)研車(chē)型及其優(yōu)化方案的斷面信息

3）優(yōu)化方案3。將預(yù)研車(chē)型的y向尺寸增長(zhǎng)13mm達(dá)到與對(duì)標(biāo)車(chē)型尺寸相當(dāng)。此時(shí)優(yōu)化后斷面X軸的主慣性矩約為對(duì)標(biāo)車(chē)型的1.07倍，這主要是由于y向尺寸的增加和鈑金實(shí)體面積增加的共同作用結(jié)果。

通過(guò)以上優(yōu)化方案對(duì)比分析可知：對(duì)于B柱上斷面增大X軸的主慣性矩最佳方式為增

加斷面尺寸的y向距離。

2.3 B柱上斷面優(yōu)化方案的SFE驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證根據(jù)主慣性矩分析法所設(shè)計(jì)斷面的合理性，通過(guò)SFE分析方法對(duì)優(yōu)化后的斷面2和3進(jìn)行車(chē)身頂壓試驗(yàn)仿真驗(yàn)證。

根據(jù)中國(guó)保險(xiǎn)汽車(chē)安全指數(shù)（C-IASI）可知車(chē)頂強(qiáng)度性能指標(biāo)定義為：剛性壓板以5 mm/s的速度給試驗(yàn)車(chē)施加載荷，加載位移大于等于127 mm，壓板位移量在小于127 mm范圍內(nèi)測(cè)得的峰值載荷與整備質(zhì)量狀態(tài)下的車(chē)重之比（SWR）。其評(píng)級(jí)分為優(yōu)秀、良好、一般、較差4個(gè)等級(jí)，依次用G（SWR≥4）、A（4＞SWR≥3.25）、M（3.25＞SWR≥2.5）、P（2.5＞SWR）表示。利用仿真軟件SFE分析獲得兩種優(yōu)化斷面峰值載荷與時(shí)間的關(guān)系如下圖3所示。

圖3 載荷隨時(shí)間的變化圖

當(dāng)整備車(chē)的重量為1 540 kg時(shí)，結(jié)合上圖中的信息可知具有優(yōu)化2斷面車(chē)身的車(chē)頂抗壓強(qiáng)度等級(jí)為A（SWR＝3.42）、優(yōu)化2斷面車(chē)身的車(chē)頂抗壓強(qiáng)度等級(jí)也為A（SWR＝3.77）。

上述測(cè)量結(jié)果表明：B柱上斷面y向尺寸越大，其關(guān)于X軸的慣性矩就越大，并且由此斷面組成車(chē)身的車(chē)頂抗壓強(qiáng)度等級(jí)越高，即可驗(yàn)證由斷面慣性矩推斷抗彎強(qiáng)度的可行性以及根據(jù)主慣性矩分析法探究斷面設(shè)計(jì)的合理性，但斷面主慣性矩的增大是否有利于白車(chē)身剛度要結(jié)合斷面的具體位置而定。主慣性矩分析法探究斷面設(shè)計(jì)的合理性這將會(huì)為車(chē)身結(jié)構(gòu)斷面的后續(xù)設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)和方向，并通過(guò)與競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型進(jìn)一步的斷面慣性矩對(duì)比分析最終確定新車(chē)型斷面尺寸的目標(biāo)值。

3 結(jié)論

本文主要是探究車(chē)身斷面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)整車(chē)性能的影響，采用主斷面慣性矩分析得到增加斷面尺寸或斷面面積可以獲得慣性矩的增加，達(dá)到提升車(chē)身的強(qiáng)度和剛度性能的目的，通過(guò)探究影響B(tài)柱上斷面主慣性矩的三個(gè)優(yōu)化方案，并以頂壓試驗(yàn)為例驗(yàn)證了車(chē)身主斷面慣性矩分析方法對(duì)提升車(chē)身性能的作用，最后通過(guò)慣性矩分析對(duì)斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，將對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及車(chē)身輕量化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。