王多華，周 力，周 洋

白車身彎扭剛度試驗(yàn)與仿真對(duì)比

王多華，周 力，周 洋

（招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司，重慶 401329）

汽車白車身剛度同時(shí)影響著駕乘人員的乘坐舒適性和安全性，論文以某乘用車白車身為研究對(duì)象，分別使用試驗(yàn)方法和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真方法獲取了該白車身的彎曲靜剛度和扭轉(zhuǎn)靜剛度。通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩種方法所得白車身剛度值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且兩種方式得到的剛度曲線均很平滑，說明該白車身的整體剛度設(shè)計(jì)合理。該結(jié)果相互驗(yàn)證了兩種方法的可靠性，為白車身的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。

白車身；彎曲靜剛度；扭曲靜剛度；仿真方法

白車身靜剛度是評(píng)價(jià)汽車安全性和舒適性的重要指標(biāo)之一，車身剛度不足，會(huì)導(dǎo)致汽車抵抗路面載荷以及空氣阻力的能力不足，汽車行駛時(shí)會(huì)由于車身變形過大，出現(xiàn)異響、車窗門縫漏風(fēng)等情況，同時(shí)在碰撞過程中也會(huì)由于門框變形過大，車門卡死的情況[1-2]。因此在汽車整車開發(fā)階段，獲取合理的白車身彎扭剛度值是非常重要，不少研究者對(duì)車身薄壁結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了比較深的理論研究[3-4]，通常獲取白車身彎扭剛度值得方式有兩種，即試驗(yàn)方法和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真方法[5-7]。試驗(yàn)方法通過給生產(chǎn)出來的實(shí)際的白車身進(jìn)行加載，同時(shí)測量變形量，通過數(shù)學(xué)計(jì)算獲取剛度值；仿真方法為通過計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建三維數(shù)字模型，然后進(jìn)行模擬試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行加載，從而獲取剛度值；仿真方法在縮短設(shè)計(jì)周期和降低研發(fā)成本方面有明顯優(yōu)勢(shì)[2]，本文以某白車身為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)與仿真兩種方法分別獲取了該白車身的彎扭靜剛度，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 白車身靜剛度評(píng)價(jià)方法

白車身靜剛度一般為白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，即白車身在受到彎曲載荷或者扭轉(zhuǎn)載荷下抵抗變形的能力。扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為

式中，M為扭轉(zhuǎn)力矩；θ為相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，如圖1所示，加載點(diǎn)一般為白車身左右兩側(cè)前懸支撐點(diǎn)位置。

彎曲剛度計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)為施加的垂直載荷，加載點(diǎn)通常為前后；Z為在載荷下垂直最大撓度，如圖2所示。

2 試驗(yàn)方法獲取白車身彎扭剛度值

試驗(yàn)方法獲取白車身彎扭剛度值主要用到的設(shè)備有加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀、位移傳感器、白車身安裝平臺(tái)。試驗(yàn)時(shí)，先將白車身按照試驗(yàn)規(guī)范安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上，調(diào)整好試驗(yàn)所需約束的自由度，布置好位移傳感器，然后按照試驗(yàn)方案在準(zhǔn)確的位置施加對(duì)應(yīng)的載荷，同時(shí)使用數(shù)據(jù)采集儀記錄車身各個(gè)相關(guān)位置的變形量，最后根據(jù)公式計(jì)算出相應(yīng)的剛度值試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖3、圖4所示。

圖3 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)現(xiàn)場照片

圖4 彎曲剛度試驗(yàn)現(xiàn)場照片

試驗(yàn)正式開始前，為消除安裝間隙，需先對(duì)白車身緩慢施加試驗(yàn)載荷，然后緩慢卸載到0，重復(fù)此過程2至3次，彎曲試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)都需進(jìn)行此操作。扭轉(zhuǎn)剛度測試時(shí)，一般還需記錄門框在載荷作用下的變形量，傳感器一般布置在門框?qū)亲畲箝L度方向，門框變形量的記錄為后續(xù)車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

3 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法獲取白車身彎扭剛度值

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真方法獲取白車身彎扭剛度值主要流程：（1）按照實(shí)際車輛尺寸構(gòu)建三維模型；（2）對(duì)模型進(jìn)行簡化和清理，簡化和清理對(duì)整車彎曲扭轉(zhuǎn)剛度影響極小部位有利于減少仿真結(jié)果計(jì)算時(shí)間；（3）對(duì)簡化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不同的車身結(jié)構(gòu)選擇不同的單元尺寸，網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)計(jì)算速度和計(jì)算精度有重要影響[8]，本文設(shè)置的基本網(wǎng)格尺寸為10 mm，對(duì)于較小的部件選用的網(wǎng)格基本尺寸為5 mm，最小網(wǎng)格尺寸不小于2 mm；（4）設(shè)置單元屬性，包括單元材料屬性和單元厚度等，本文中所用鋼材的楊氏模量為2.1×105MPa，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3；（5）按照試驗(yàn)方案在準(zhǔn)確的位置施加約束及對(duì)應(yīng)的載荷；第六步是求解，根據(jù)求解得到的變形量計(jì)算出對(duì)應(yīng)的剛度值。有限元模型的約束方式及加載方式如圖5、圖6所示。

圖5 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)有限元模型

圖6 彎曲剛度試驗(yàn)有限元模型

4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

4.1 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)與仿真對(duì)比

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)照片如圖3所示，約束方式為前懸通過球鉸連接到加載立柱上，后懸利用球鉸約束、、三個(gè)方向的移動(dòng)自由度，仿真約束方式如圖5所示，扭轉(zhuǎn)所施加扭矩為2 000 N.m，試驗(yàn)所得剛度曲線與仿真曲線對(duì)比如圖7所示。

圖7 仿真與試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)角曲線對(duì)比圖

由圖7曲線可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較高，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該試驗(yàn)車型扭轉(zhuǎn)角沿車身縱向的分布曲線較為平滑，說明車身整體結(jié)構(gòu)剛度分配較合理。評(píng)價(jià)車身的剛度好壞，除了要看總體剛度值是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值外，還應(yīng)考慮白車身各開口（左右門、風(fēng)窗等）的變形量，如表1所示。

表1 白車身各開口變形量試驗(yàn)與仿真對(duì)比

在2 000 N.m的扭矩條件下，要求各開口變形量小于5 mm，由表1可知，該車型的開口變形量全部滿足要求。

4.2 彎曲剛度試驗(yàn)與仿真對(duì)比

彎曲試驗(yàn)照片如圖4所示，約束方式為前后懸四個(gè)位置均用球鉸連接，即約束均、、三個(gè)方向的移動(dòng)自由度，加載位置前后懸中間位置，加載力分別加載在車輛左右兩側(cè)縱梁上，兩側(cè)力大小均為1 500 N，仿真模型如圖6所示。

4.3 彎扭剛度試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖8曲線可以看出，該試驗(yàn)車型扭轉(zhuǎn)角沿車身縱向的分布曲線較為平滑，說明車身整體結(jié)構(gòu)剛度分配較合理。本文研究車型對(duì)應(yīng)白車身的扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求不小于10 000 N·m/°，彎曲剛度設(shè)計(jì)目標(biāo)值要求不小于8 000 N/mm，由表2試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)可看出該白車身靜剛度滿足設(shè)計(jì)要求，且仿真結(jié)果結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差很小，相互驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖8 仿真與試驗(yàn)Z向變形量對(duì)比曲線

表2 彎扭剛度試驗(yàn)與仿真結(jié)果

5 結(jié)論

獲取準(zhǔn)確白車身彎扭剛度值的目的是為了指導(dǎo)汽車車身設(shè)計(jì)，本文在相同加載條件和相同約束條件下通過試驗(yàn)方法與數(shù)值模擬仿真的方法獲取了同一車型的彎扭剛度值及各開口變形量值，兩種方法獲取的剛度值相差較小，相互驗(yàn)證了兩種方法所得結(jié)果的準(zhǔn)確性，為白車身的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。

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Comparison of Bending and Torsional Stiffness Test and Simulation for Body in White

WANG Duohua, ZHOU Li, ZHOU Yang

( China Merchants Testing Vehicle Technology Research Institute Company Limited, Chongqing 401329, China )

The stiffness of car body in white affects the riding comfort and safety of drivers and passengers at the same time. Taking a passenger car body in white as the research object, this paper obtains the bending static stiffness and torsional static stiffness of the body in white by using the test method and computer numerical simulation method respectively. Through the comparative analysis of the results, it is found that the stiffness values of the body in white obtained by the two methods meet the design requirements, and the stiffness curves obtained by the two methods are very smooth, indicating that the overall stiffness design of the body in white is reasonable. The results verify the reliability of the two methods and provide data reference for the design of the body in white.

Body in white;Bending static stiffness;Torsional static stiffness; Simulation method

U461.99

A

1671-7988(2023)03-118-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.022

王多華（1990—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠囓嚿砑傲悴考珽-mail:wdhhhxx@163.com。