轿车车身结构修改灵敏度分析

2007年(第29卷)第6期

汽 车 工 程A utomo ti ve Eng i nee ri ng

2007(V o.l 29)N o .6

2007118

轿车车身结构修改灵敏度分析

原稿收到日期为2006年5月22日,修改稿收到日期为2006年8月18日。

高云凯,张海华,余海燕

(同济大学汽车学院,上海 201804)

[摘要] 建立某国产普通轿车白车身的有限元模型,预测分析其静态弯曲特性和扭转特性,在此基础上对白车身各部件刚度和强度的灵敏度进行分析,并将分析结果应用于板厚优化。优化结果表明:通过对灵敏部件的板厚修改,白车身的强度和刚度性能得到显著提高,为车身的优化设计提供参考。

关键词:轿车车身;板厚;灵敏度;优化

Sensiti v it y Anal ysis on Car Body StructuralM od ificati on

Gao Yunka,i Zhang Haihua &Yu Ha i y an

S c h ool of Auto m obile ,Tongji University ,Shangha i 201804

[Abstract] A finite e le m entm ode l for the body -in -w hite of a ho m e -m ade car is set up ,w ith w h i c h the both

streng th and stiffness for static bending and torsi o n o f a ll its panels are analyzed .The results of ana lysis are t h en ap -plied to thickness opti m izati o n .The result sho w s that by chang i n g the th ickness of sensitive panels the streng t h and stiffness of t h e body -in -w hite have i m proved obviousl y .Th i s prov ides a re ference for the opti m al design of car body .

K eyw ords :C ar body ;Panel t hickness ;Sensitivity ;Opti m ization

前言

汽车车身是否轻量化直接影响整车的生产成本、燃油经济性以及动力性等,因此,如何使车身质量尽量小的情况下满足强度和刚度要求已成为车身设计的重要内容。20世纪80年代末期发展起来的结构修改灵敏度分析方法

[1]

是在有限元法的基础上通过分析各变量对于响应的变化规律,进而以灵敏度为基础对车身进行优化工作,从而可在车身的设计阶段有效地评估车身结构特性,并针对其缺陷提出改进设计的思路和方案。作者以某国产普通轿车为例,提出了一种通过板厚灵敏度分析进行车身优化的方法。

1 白车身模型的建立及优化前分析

111 白车身模型的建立

白车身通过CAD 软件几何建模后,使用H y -per m esh 软件对模型进行网格划分,最后模型共有

383252个节点、358061个单元。白车身全部板件由四边形和三角形板壳单元模拟,其中四边形板单元有338199个,三角形板单元有13205个。板壳单元以零件分组,共有180个件/组,板厚为基本几何参数。材料属性采用钢(密度为7185@10

-6

kg /mm 3

,弹性模量为210000M Pa ,泊松比为013);

用于模拟焊缝的梁单元有1838个,其截面积为7815mm 2

,惯性矩为Ix =Iy =491mm 2

,扭转惯性矩为

J =982mm 2

;用于模拟焊点的点焊单元有4819个,焊点直径为5mm 。图1为车身网格图。

图1 车身网格图

#512 #汽 车 工 程2007年(第29卷)第6期

112 白车身优化前分析11211 白车身刚度分析

白车身刚度分析包括试验弯曲刚度分析和试验扭转刚度分析。

(1)试验弯曲刚度分析

试验弯曲工况约束情况见表1。载荷的大小和分布按照试验标准EP 81020110/EP 81020112,由于弯曲工况是车辆使用过程中遇到最多的工况,因此计算时取动载系数为215,以使分析结果更能反映实际情况。采用4人加载,每人按170kg 加载,加载位置分别在驾驶员座椅、副驾驶员座椅、后排乘员座椅连接位置处。加载详细情况如图2所示。

表1 试验弯曲工况白车身约束情况

位置

左前右前左后右后悬架弹簧安装处约束方向

Uz

Uz

Ux Uy Uz

Ux Uy Uz

图2 试验弯曲工况加载情况

使用M SC .Nastran2005软件对模型试验弯曲刚度进行分析。刚度计算结果为:在试验弯曲工况下白车身z 向最大挠度为-2174mm,发生在中央通道后端,行业中评价弯曲工况白车身刚度一般以门槛梁的z 向挠度来衡量,该白车身在此工况下门槛梁z 向最大挠度为-01724mm ,车身弯曲刚度为9255N /mm ,满足工程要求。

(2)试验扭转刚度分析

白车身试验扭转工况约束情况为车身后悬架固定座的全部自由度被约束,在前悬架固定座中心点处加T 形加载梁,并约束梁中点x 、y 、z 3个移动自由度和H 、U 2个转动自由度。梁两端加载为大小相同、方向相反的z 向力5553N (图3)。车身扭转刚度计算结果为

7721N #m /(b ),低于同类车型相关值10000N #m /(b ),有待改进。11212 白车身强度分析

白车身强度分析包括实际弯曲工况强度分析和

图3 试验扭转工况约束和加载情况

实际弯扭组合工况强度分析。

(1)实际弯曲工况强度分析

实际弯曲工况约束具体情况见表2。载荷情况为6715kg /人,前座椅2人,后座椅3人;左右前座椅质量分别为19kg 和18kg ,后座椅质量为20kg 。车身其它簧载质量以当量密度等效到白车身各部件上,整个白车身采用密度为2136@10

-5

kg /mm 3

。由

于分析对象为白车身,约束点为悬架支撑点,因此不考虑动力总成载荷的作用,动载系数为215,具体载荷施加位置见图4。

表2 实际弯曲工况白车身整

体约束点及约束自由度

位置左前右前左后右后悬架弹簧安装处

Uz Uz Uz

Uz

纵梁和前悬架横臂连接处Ux ,Uy

Ux

纵梁和后悬架横臂连接处

Uy 图4 人与座椅载荷的施加示意图

实际弯曲工况强度计算结果得白车身最大应力为438MPa ,出现在右前悬架支撑处;左前悬架最大应力为434MPa 。右后悬架弹簧支撑点最大等效应力为253M Pa ,左后悬架弹簧支撑点最大等效应力为275MPa ,可见在4个悬架安装点处结构有待加强。由于使碳合金钢板屈服极限为210M Pa ,车身上其它