基于断面主惯性矩性能的车身B柱上断面优化设计

周 亮，刘志波

（1.长春汽车工业高等专科学校，吉林 长春 130013； 2. 一汽奔腾轿车有限公司，吉林 长春 130025）

0 引言

车身结构断面的设计和开发是车身概念设计阶段的一项重要工作，而断面的惯性矩作为衡量白车身强度和刚度性能的重要参数，其主惯性矩分析和优化又是断面设计中的一项重要工作[1-2]。车身结构断面惯性矩分析可以从车身断面主惯性矩对标分析和惯性矩敏感度分析两方面进行[3]，惯性矩对标分析通过对比分析研发车型与对标车型相应断面位置处的惯性矩值，进而对研发车型的惯性矩值进行定义；惯性矩敏感度分析是利用有限元方法来分析研发车型各主断面对车身模态及刚度的影响，进而探究出车身模态对某一断面的敏感度最高[4-5]。 因此，本文主要基于断面主惯性矩性能对B柱上断面影响进行优化设计，并通过SFE分析验证，最后将优化后的方案在车身进行顶压试验仿真验证。

1 车身断面主惯性矩性能及B柱上断面作用

1.1 车身断面主惯性矩性能

车身断面对标分析是在车身开发初期，通过借鉴以往车型以及对标车型的主要断面信息，并结合新工艺、新材料等技术信息，以此为基础来定义白车身开发的设计目标[6]。断面的惯性矩是分析断面性能的重要指标[7]，惯性矩指标可以分为相对于X轴、Y轴和Z轴的3个惯性矩Ix、Iy和Iz，如图1所示。

图1 断面示意图

其中：Ix对应于断面相对X轴的惯性矩代表梁结构扭转刚度性能，Iy（Iz）对应于断面相对 Y（Z）轴的惯性矩代表梁结构弯曲刚度性能[8]。若将Y轴和Z轴定义为通过质心的轴，则有Iy和Iz是主惯性矩，断面相对于坐标轴的惯性矩具有如下关系：

根据惯性矩的定义可知，可将相对于X轴、Y轴和Z轴的惯性矩表示如下：

通过对上述公式的分析可知：若要增加断面的惯性矩可以通过增加断面的实体面积或者增加断面线与惯性轴的距离[9]。分析表明：车身不同部位对不同方向上的弯曲刚度具有不同的要求，据此可以通过增加断面尺寸和提升断面实体面积获得惯性矩的增加，或者为满足轻量化需求在保持断面实体面积不变的情况下，通过改变断面尺寸以达到惯性矩增加的目标[10]。

1.2 车辆顶压试验中B柱上断面作用

车辆顶压试验时，B柱在保证车身刚度性能方面具有巨大的贡献，B柱在试验过程中主要产生沿着车身X轴的弯曲，通过第1.1节中介绍的车身断面的惯性矩分析可知：在进行B柱上断面的设计时，应适当地增大X轴的惯性矩。断面惯性矩的计算将主要利用断面的尺寸、形状以及厚度信息，图2为B柱上断面的轮廓线分别代表着B柱的内板、加强板以及外板，根据设计需求及惯性矩的大小要求，上断面优化方案包括取消B柱的加强板或增加B柱的加强板的设计。

图2 B柱上断面示意图

2 B柱上断面优化设计方案

2.1 B柱上断面对标分析

利用点云扫描技术获取对标车型的数据，然后将B柱上断面的结构信息作为对标基准，并以某预研车型（A0）的B柱上断面为优化目标，探究增加截面面积和增大尺寸这两种方法对提升断面主惯性矩的影响，并定义如上图2中所示过质心的X轴和Y轴。通过计算预研车型的B柱上断面X轴的主惯性矩为89 620 mm4，对标车型B柱上断面的主惯性矩为176 300 mm4（见表1），通过数据分析可知，预研车型与对标车型在钣金实体面积相当的情况下，由于y向距离相差13 mm，导致预研车型X轴的主惯性矩约为对标车型的0.5倍，需要为增大B柱上断面X轴的主惯性矩进行优化设计。

2.2 B柱上断面优化方案

为增大预研车型B柱上断面X轴的惯性矩，通过以下三种优化方案探究断面尺寸对提升B柱上断面性能的影响。

优化方案1：增加补强板；优化方案2：改变内板形状；优化方案3：增加y向距离。表3.1为三种优化方案对应的断面信息。

1）优化方案1。不改变预研车型x与y向最大尺寸的情况下，加强板上增加厚度为2 mm的补强板。补强板导致钣金实体面积增加，进而使优化后X轴的主惯性矩相比于预研车型提升了22%，达到108 700 mm4，未达到对标车型的目标值。

2）优化方案2。不改变预研车型的x与y向最大尺寸的情况下，改变内板的形面及厚度。优化后的断面X轴的主惯性矩相比于预研车型提升了26%，达到113 300 mm4，未达到对标车型的目标值。内板厚度的增加使钣金实体面积与对标车型相当，从表1中数据可以分析出钣金实体面积对主惯性矩增加的贡献较小，主惯性矩增大的主要原因为内板型面的更改，使内板上的点到主轴x的y向距离增加。

表1 对标车型和预研车型及其优化方案的断面信息

3）优化方案3。将预研车型的y向尺寸增长13mm达到与对标车型尺寸相当。此时优化后断面X轴的主惯性矩约为对标车型的1.07倍，这主要是由于y向尺寸的增加和钣金实体面积增加的共同作用结果。

通过以上优化方案对比分析可知：对于B柱上断面增大X轴的主惯性矩最佳方式为增

加断面尺寸的y向距离。

2.3 B柱上断面优化方案的SFE验证

为进一步验证根据主惯性矩分析法所设计断面的合理性，通过SFE分析方法对优化后的断面2和3进行车身顶压试验仿真验证。

根据中国保险汽车安全指数（C-IASI）可知车顶强度性能指标定义为：刚性压板以5 mm/s的速度给试验车施加载荷，加载位移大于等于127 mm，压板位移量在小于127 mm范围内测得的峰值载荷与整备质量状态下的车重之比（SWR）。其评级分为优秀、良好、一般、较差4个等级，依次用G（SWR≥4）、A（4＞SWR≥3.25）、M（3.25＞SWR≥2.5）、P（2.5＞SWR）表示。利用仿真软件SFE分析获得两种优化断面峰值载荷与时间的关系如下图3所示。

图3 载荷随时间的变化图

当整备车的重量为1 540 kg时，结合上图中的信息可知具有优化2断面车身的车顶抗压强度等级为A（SWR＝3.42）、优化2断面车身的车顶抗压强度等级也为A（SWR＝3.77）。

上述测量结果表明：B柱上断面y向尺寸越大，其关于X轴的惯性矩就越大，并且由此断面组成车身的车顶抗压强度等级越高，即可验证由断面惯性矩推断抗弯强度的可行性以及根据主惯性矩分析法探究断面设计的合理性，但断面主惯性矩的增大是否有利于白车身刚度要结合断面的具体位置而定。主惯性矩分析法探究断面设计的合理性这将会为车身结构断面的后续设计提供一定的指导和方向，并通过与竞争车型进一步的断面惯性矩对比分析最终确定新车型断面尺寸的目标值。

3 结论

本文主要是探究车身断面结构的设计对整车性能的影响，采用主断面惯性矩分析得到增加断面尺寸或断面面积可以获得惯性矩的增加，达到提升车身的强度和刚度性能的目的，通过探究影响B柱上断面主惯性矩的三个优化方案，并以顶压试验为例验证了车身主断面惯性矩分析方法对提升车身性能的作用，最后通过惯性矩分析对断面结构进行设计的方法，将对车身结构的详细设计以及车身轻量化目标的实现具有很强的指导意义。