某工程车白车身刚度有限元分析

卢晓莉,陆美娟,钱波

(无锡中车新能源汽车有限公司，江苏无锡 214177)

0 引言

车辆的白车身刚度在整个汽车的设计过程中是非常重要的参数，汽车的抗扭转能力以及抗弯曲载荷的能力可以通过车辆的白车身刚度这个参数表示。汽车的白车身刚度能够极大地影响汽车的舒适性能、安全性能、NVH等性能，所以在整车的设计过程中，对于汽车白车身的刚度分析是有必要的[1-2]。汽车的白车身刚度不足时，将导致车身变形量变大，影响车辆的安全性和舒适性。而较低的汽车白车身刚度，其固有频率也较低，会使得汽车在行驶中更容易发生共振以及异响噪声。另一方面，假如汽车白车身的刚度较大，就会让整个汽车车身的质量变大，这会使得汽车的油耗变大，同时也会降低汽车的动力性能[3]。因此在设计过程中必须考虑车身的整体刚度和关键部位的变形。本文作者利用Hypemesh/Optistuct软件，对工程车白车身进行扭转工况以及弯曲工况的应变分析，得出了工程车白车身的Z向应变分布，并计算出扭转刚度及弯曲刚度，为该工程车的改进设计提供了参考。

1 几何模型和有限元模型

1.1 几何模型

工程车车身的几何模型是利用CATIA建立的CAD数模，为了减少有限元分析时的计算量，在建立有限元模型时应当简化工程车的CATIA模型。简化CATIA模型的方法有以下几点：(1)车身上直径小于6 mm的孔对于车身刚度的应力应变的影响较小，可以删除。(2)减去车身的蒙皮，车身蒙皮对车身刚度的影响较小，可以忽略。(3)车身上的各种安装孔、工艺孔等对于车身的截面特性的影响较小，应进行简化。(4)去除车身上的各种功能件以及非承载的部件，因为这些部件对于车身刚度的影响也比较小。此外，简化模型还应当忽略车身上用于装配其他部件的螺钉、螺母、零件中的各种倒圆角，而某些对于汽车力学结构和车身刚度影响较小的工艺结构、冲压筋以及非重要结构的零件也应当进行适当简化。最终的简化模型应当与初始的设计保持相同的结构特征[4]。

1.2 有限元模型

由于该工程车车身主要是由钣金冲压件经过点焊焊接后制成的，因此车身的薄板钣金结构可以考虑用壳体单元来模拟。

在建立车身的有限元模型时，在Hypemesh软件中导入工程车车身的CATIA简化模型，再对导入的简化模型进行抽中面、几何清理、划分网格等步骤。网格的划分以四边形单元为主，选择单元大小为10 mm[5]。在需要点焊的地方加上硬点，点焊焊点采用RBE2连接两个硬点处的节点。选择Q235钢作为工程车车身的材料，Q235钢的材料参数见表1。工程车的白车身有限元模型的信息见表2，其有限元模型图如图1所示。

表1 Q235材料参数

表2 白车身有限元模型信息

图1 有限元模型图

2 刚度分析

汽车车身的基本功能是安装汽车的各零件，并保证各零件相对位置不变。汽车在平坦路面上匀速行驶的弯曲载荷和在崎岖路面上低速行驶时的扭转载荷是汽车在使用过程中常遇到的两种工况载荷[2]，为避免车身在遇到以上工况时出现大变形，车身的刚度需要满足一定的要求。

2.1 弯曲刚度分析

2.1.1 约束和载荷

对工程车的白车身进行弯曲刚度的计算时，需要对白车身加载约束与载荷。约束为：在白车身前悬架和后悬架的固定座支撑点上约束其X、Y、Z向的平动自由度。载荷为：在工程车中部的座椅安装点处加载左右对称的竖直向下的力，力的大小为F=2×10 000=20 000 N。白车身弯曲刚度计算分析的约束条件和载荷条件如图2所示。

图2 白车身弯曲刚度约束条件和载荷条件

2.1.2 弯曲刚度分析结果

利用Hyperworks软件的Optistruct模块对已加载约束条件和载荷条件的白车身有限元模型进行仿真分析，得到白车身各部分在弯曲工况下沿Z轴方向的应变以及弯曲工况的Z向应变云图，如图3所示。

图3 白车身弯曲工况Z向位移

车身载荷F与车身最大弯曲挠度Z的比值能够用来衡量白车身的弯曲刚度[6]，因此工程车白车身的弯曲刚度可用式(1)来计算：

Ky=F/Zmax

(1)

式中:F为集中载荷力20 000 N；Zmax为受力点Z向的最大位移。

由图3可知，受力点在车身中部，左右加载点Z向的最大位移分别为6.67、6.25 mm取两加载点的平均位移 6.46 mm。此时弯曲刚度为：

2.2 扭转刚度分析

2.2.1 约束和载荷

对白车身进行扭转刚度的计算时，需要对白车身加载约束与载荷。约束为：在白车身后悬架的固定座支撑点和前横梁中心点上约束其X、Y、Z向的平动自由度。载荷为：将扭矩M换算成一对数值相等、方向相反的力分别施加在两个前悬置点处，其中M=0.5×前轴最大负荷×轮距,白车身扭转刚度计算分析的约束条件和载荷条件如图4所示。

图4 白车身扭转刚度约束条件和载荷条件

2.2.2 扭转刚度分析结果

利用Hyperworks软件的Optistruct模块对加载好的白车身有限元模型进行仿真分析，得到白车身各部分在扭转工况下沿Z轴方向的应变以及扭转工况的Z向应变云图，如图5所示。

图5 白车身扭转工况Z向位移

扭转刚度是用车身受到的扭矩M与最大扭转角度θ的比值来衡量的[7]，此时扭转刚度计算公式为：

(2)

(3)

式中:M=2 626.67 N·m；L为前悬置两加载点距离，L=1.31 m;Z1为前悬置左侧加载点Z向位移绝对值;Z2为前悬置右侧加载点Z向位移绝对值。取左右的最大位移为Z1、Z2的值。

由图5可知，悬置左侧加载点Z向位移绝对值为3.84 mm，前悬置右侧加载点Z向位移绝对值为3.30 mm。此时扭转刚度为：

3 结束语

文中基于工程车建立了三维模型以及有限元模型，并利用Hypermesh得到了工程车白车身各部分在弯曲工况和扭转工况下的Z向应变云图，计算分析得到了车身的弯曲刚度以及扭转刚度。通过弯曲刚度和扭转刚度值，可以对白车身设计方案进行全面的评价和改进，从而能够更好地指导车身的结构设计。