基于HyperWorks的某商务车白车身刚度分析

郭 微,邱小勇

(1安徽水利水电职业技术学院机械工程系,安徽 合肥 231603;2天津新巨升电子工业有限责任公司,天津 300384)

所谓“白车身”就是由各种各样的骨架件和钣金件通过焊接拼装而成的汽车车身.商务车的白车身刚度分析是整车开发设计过程中必不可少的环节,对于改进车身结构,改善车辆强度、刚度状况,提高车辆舒适性和可靠性均具有很重要的实际意义.利用先进的有限元软件对其进行分析计算,指导生产开发,对于缩短产品开发周期、降低产品开发成本能起到一定的作用,并可以指导设计人员对车身结构进行优化从而提高车身的碰撞安全性.

1 白车身的刚度特性

刚度是汽车车身设计的重要指标.白车身刚度分布设计是否合理,会直接或间接地影响整车的性能,车身的静刚度一般包括弯曲刚度和扭转刚度.

1.1 弯曲刚度

车身整体的弯曲刚度[1,2]由车身底架的最大垂直挠度以及底板在车身长度方向上的垂直挠度变化曲线(应连续无明显突变)等指标来评价.此时的弯曲刚度

1.2 扭转刚度

车身结构的扭转刚度(GJ)为单位扭转角所受到的力[1,2],即

式中:L为轴距,T为扭矩,θ为轴间相对扭转角.车身扭转角θ与梁的挠度之间的关系为

式中:U1为左侧纵梁的挠度,U2为右侧纵梁的挠度,B为底架宽.

2 白车身刚度的有限元分析

采用Altair公司的 HyperWorks软件对白车身的刚度(弯曲刚度和扭转刚度)进行了模拟分析,并与目标值进行比较.

2.1 主要步骤

图1所示为利用Hyperworks系列软件进行商务车白车身静刚度有限元分析的主要步骤[3],前处理(点画线框中的内容)在HyperMesh中完成;求解利用Hyperworks自带的求解器 Radioss进行,后处理使用HyperView.

图1 利用Hyperworks进行有限元分析的主要步骤

2.2 有限元分析计算

在保证充分反映实际结构力学性能的前提下对车身部件做了必要简化,本文建立的有限元模型包括388000个单元、392000个节点、12200个焊点.

1)建立计算模型 车身结构的扭转刚度和弯曲刚度的计算模型分别如图2、图3所示,在扭转刚度模型中约束后悬架弹簧上支点123456方向的自由度及前轴中点12356方向的自由度,在前悬悬架弹簧上支点施加一对方向相反、大小为11795 N的作用力;在弯曲刚度模型中边界条件的处理是分别约束后悬架弹簧上支点及前轴中点的123456方向的自由度,并且在车身地板中部施加共9810 N的力.

2)有限元分析计算 建立起计算模型后,设置了适当的计算参数后就可以提交计算了,计算结果在HyperView中查看.图4给出了弯曲刚度的计算结果和位移云图.图5为左右纵梁均匀布置的测点位置(共26个,一边13个,由于左右对称,图中只给出左梁).

根据上述13个测点的Z向位移以及它们的Z向平均位移的测量数据绘出图6所示测点曲线,由测点曲线可以明显看出底板(即纵梁)在车身长度方向上的垂直挠度(Z向位移)变化曲线连续无明显突变,并且在底板中部也即施加载荷处垂直挠度最大,最大垂直变形为-0.7524 mm.

图6 测点曲线

图7给出了扭转刚度的计算结果和位移云图;表1所示为在图8所示的纵梁前后悬上位置选取的4个测点的z向位移.

表1 4个测点的z向位移

3)结果分析并与目标值比较 因为在弯曲工况下纵梁的最大垂直变形为-0.7524 mm,则相对弯曲刚度可以由公式(1)得

国际一般使用设计参考值为12200 N/mm,因此本商务车的弯曲刚度合格,满足设计要求.

由表1中数据计算出最大挠度差 (即z向位移差),联合本商务车的轴距,将它们带入到公式(3)中,可得出扭转角度θ为0.01345 rad;再根据施加的载荷及本商务车的轴距可以得出最大扭转载荷为10373.7 Nm,则由公式(2)得到本商务车扭转刚度

国际上设计参考值为12500 Nm/deg,由此看出,本商务车的扭转刚度也满足设计要求.从以上的计算结果来看,该车整体弯曲刚度和扭转刚度的数值均大于目标值,并且其弯曲刚度曲线基本光滑无明显突变,这说明该车的静刚度符合设计要求.

3 白车身刚度试验分析

白车身刚度试验是指在试验室条件下模拟白车身在实际使用过程中的约束条件和载荷条件,采用相关的试验测量白车身各个特征部位的变形量,从而评价白车身的刚度性能.

为了与有限元分析结果进行对比,本文在车身扭/弯刚度专用试验台架(图9)上完成白车身的扭转和弯曲两种典型工况.

图9 刚度试验台和车身安装图

按试验数据处理计算并将所得结果取整,得到最大扭矩作用下白车身轴间相对扭转刚度为:GJ=13129.32 Nm/deg,相应的车身前后轴间相对扭转角为 0.01302 rad;车身弯曲刚度为:EI=12417.5 N/mm(按纵梁最大变形计算).

将上述试验数据与上节中的模拟结果进行比较,数值计算得到白车身扭转刚度与试验测得的扭转刚度相对误差为2.48%;数值计算得到白车身弯曲刚度与试验测得的弯曲刚度的相对误差为5%;此外,无论是理论分析还是试验测得的扭转刚度值均高于国外同类车型设计参考值12500 Nm/deg,而白车身弯曲刚度也均超过国外同类车型的一般设计参考值12200 N/mm,都符合设计要求.

4 结论

本文通过有限元分析和对应刚度试验两种方式分析了某商务车白车身的静态刚度性能,对分析结果进行数据处理并加以比较分析,结果表明,模拟结果与试验结果相比误差不大,都在设计参考值之内,理论值与试验值接近,说明所建有限元模型具有一定精度,白车身静态抗扭刚度性能和弯曲刚度性能均较好,该商务车的静刚度符合设计要求.

[1]段 伟,石 琴,张 雷,等.轿车白车身静刚度分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2008,31(6):843-846.

[2]夏国林.轿车白车身静刚度分析[J].汽车科技,2008(3):25-18.

[3]郭 微.基于数值模拟技术的某商务车整车碰撞性能研究[D].合肥:合肥工业大学图书馆,2008.