SUV白车身扭转刚度的分析与优化_熊辉
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向沿正负 Z 向。
白车身扭转刚度理论计算公式为：
KＴ＝
T φＦ－φＲ
（１）
式中：KＴ———白车身整体扭转刚度，Ｎ·ｍ（／ °）；
T— ——加载时的扭矩，Ｎ·ｍ；
φＦ，φＲ———前后部扭转角，（°）。
考虑到设备加载零飘带来的影响，通常采用式（２）
图 4 门槛加强板模型图
将各个零件建模并通过连接和装配获得整个白车 身有限元模型。其中部件连接主要采用焊接方式，建模 模拟采用全耦合方式。按照设计装配顺序表进行组装， 建立整个白车身的模型，如图 ５ 所示。
图 1 承载式 SUV 白车身骨架系统图
弯曲刚度可用车身在铅垂载荷作用下产生的挠度 大小来描述，或者用单位轴距长度最大挠度量评价。扭 转刚度可以用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大 小来描述，或用单位轴距长度轴间相对扭转角评价［１］。
白车身扭转刚度试验约束方法：约束白车身前保险 杠中间处，保证约束点 Y 坐标的值为 ０，约束该点 Z 向 的平动自由度（ΔZ）。约束白车身后左右弹簧座 X，Y，Z ３ 个方向的平动自由度（ΔX，ΔY，ΔZ），如图 ２ 所示。
３）前轮罩处增加接头布置，形成完整的环状路径， 增大环状结构截面面积，加大结构加强件料厚。
４）关键接头部位增加结构胶和焊点，提升车身扭 转刚度。
通过灵敏度分析以及车身结构优化设计，最终计 算得到白车身扭转刚度是 １７ ８７０ Ｎ·ｍ（／ °），提升量为 ４ ０２１ Ｎ·ｍ（／ °），提升率为 ２２．５%，满足项目设定目标。 同时白车身弯曲刚度提升了 １６．７%，弯曲和扭转模态也 得到了有效的提升。
限于篇幅，扭转角的获取、插值与计算此处不再详 细叙述。通过式（２）可以准确计算出白车身的扭转刚度。
2 白车身扭转刚度有限元分析
白车身的设计开发中，针对白车身结构进行有限 元分析可有效缩短产品开发周期、节约开发费用，并能
图 5 白车身有限元模型图
在上述白车身模型的基础上，进行模型边界的定 义和添加支撑，文章中支撑单元选用多点约束 ＭＰＣ１８４ 单元模拟力和力矩。然后整个白车身模型按照上述扭 转试验工况进行约束加载，进而后处理得到白车身的 扭转变形云图和扭转角度。扭转变形云图，如图 ６ 所 示。经过计算，其 KＴ＝１３ ８４９ Ｎ·ｍ（／ °），不满足项目设定 目标（≥１７ ０００ Ｎ·ｍ（／ °））。
Torsion Stiffness Analysis and Optimization of SUV Body-in-white
Abstract: Body-in-white torsion stiffness can＇t meet the design target （≥17 000 N·m（/ °））in SUV development process due to larger opening in rear wall area and no package bracket. Taking a SUV white body as the research object, the finite element model of a SUV is established and the stress analysis and sensitivity analysis are carried out. According to the mechanical properties of the white body structure and the analysis results, the torsion stiffness increases to 17 870 N·m（/ °），the increase rate reaches to 22.5%. The analysis method and optimization can improve the body torsion stiffness in the body data design stage, greatly shorten the development cycle and reduce the development cost. Key words：SUV; Torsion stiffness; Design optimization; Sensitivity analysis
－ 42 －
２第０１２６（期２）
Ｄｅｓｉｇｎ－Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ
图 7 白车身简化模型图
通过简化模型灵敏度分析找出对白车身扭转刚度 影响的关键部件并分析出贡献量，具体的分析结果，如 表 １ 所示。表 １ 中各处零件皆为贡献量较大，需要重点 考虑进行优化设计的部件。
表 1 白车身灵敏度分析结果
零件
4 结论
对 ＳＵＶ 白车身扭转刚度进行从白车身有限元模 型建立到扭转刚度工况分析、灵敏度分析和优化设计， 最终白车身扭转刚度提升了 ２２．５%，满足设定目标要 求。后期实车工况试验与有限元分析结果一致，满足目 标要求。通过有限元分析可以大大缩短项目开发周期 和降低成本。
另外白车身扭转刚度是车身结构设计的一个维 度，以上方案仍需兼顾白车身质量目标和成本目标，需 均衡提升才能达到目标要求。文章的研究对于白车身 结构优化设计具有一定的参考价值。
２０１６（２）
Ｄｅｓｉｇｎ－Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ
FOCUS 技术聚焦
Ｓ Ｕ Ｖ 白车身扭转刚度的 分析与优化
熊辉 方军 袁堂福 肖锋 （奇瑞汽车股份有限公司）
摘要：某款 SUV 开发过程中，由于后围部分门洞开口较大并且缺少包裹架结构，引起白车身扭转刚度不满足设计目标 （≥17 000 N·m（/ °））。对其建立有限元模型并进行扭转工况加载和受力分析以及灵敏度分析，依据白车身结构力学特性 及分析结果进行优化设计，使其扭转刚度提升至 17 870 N·m（/ °），提升率达 22.5%。通过此种分析方法和优化方案，可以 在车身数据设计阶段提升车身扭转刚度，大大缩短开发周期，降低开发成本。 关键词：SUV；扭转刚度；优化设计；灵敏度分析
日习则学不忘，自勉则身不坠。
— — —徐干
－ 43 －
承载式车身几乎承受了轿车所有工况的载荷，包 含扭转、弯曲、振动以及碰撞等，因此其必须拥有足够 的刚度和强度来保证整车的使用需求和动态性能需 求。而白车身扭转刚度是整车性能重要的指标之一，合 理的扭转刚度设计可以避免车身在很多工况下发生的 可靠性、耐久性、疲劳强度、振动及噪声等相关问题。文 章以某款 ＳＵＶ 为研究对象，对其白车身扭转刚度进行 了优化设计。
1 SUV 白车身结构及扭转试验工况
白车身按承载形式的区别，可分为非承载式、半承 载式和承载式三大类。承载式车身无车架，整车车身的 强度和刚度主要由白车身骨架予以保证，多数中低档 轿车和 ＳＵＶ 车身属于承载式车身。
文章研究对象为某款 ＳＵＶ 白车身骨架系统，如图 １ 所示。ＳＵＶ 白车身骨架系统相对于轿车更多行驶在 乡村道路，更容易受到扭转工况的冲击；而且相对于三 厢轿车，其骨架系统无包裹架结构，后背门处开口较 大，因此其设计的优化提升挑战性更大。
极大提高产品可靠性。因此针对车身的扭转刚度对白 车身进行准确的有限元建模分析成为设计开发中一项 不可缺少的重要内容。
某款 ＳＵＶ 车型扭转刚度分析思路，如图 ３ 所示［２］， 首 先 把 工 程 设 计 ＣＡＴＩＡ 数 模 导 入 有 限 元 分 析 软 件 ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ，然后进行单个零件网格建模、连接、支撑、
后轮罩安装板
7 959
716
针对以上部位进行工程分析，主要从 ４ 个方面进 行结构优化设计：
１）顶盖上横梁和侧围的搭接接头加大封闭截面面
FOCUS 技术聚焦
积，并增加接头搭接长度，增加焊点。根据质量控制情 况可以适当增加搭接板的料厚。
２）后背门处 Ｄ 环截面增加隔板、优化封闭截面、在 轮罩上增加 Z 方向梁，与地板进行搭接、增加上接头连 接零件料厚。
ZX Y 载荷 ２ ０００ Ｎ·ｍ
ΔX，ΔY，ΔZ
ΔZ 图 2 白车身扭转刚度约束和加载示意图
－ 41 －
技术聚焦 FOCUS
２０１６ 年 ２ 月
设计·创新
注意：若白车身的后悬架采用钢板弹簧结构，则约 拟 ５ 个步骤。结构简化工作首先保证结构力学性能，对
束点为每侧钢板弹簧 ２ 个安装点中间位置 X 坐标对应 重点关心部件尽量少简化和不简化，不影响性能的部
扭转刚度/ 刚度增量/ 提升率 关键连接点
（N·m（/ °）） （N·m（/ °）） /%
基础模型
7 242
前顶横梁连接板
8 186
943
１３．０
中顶横梁连接板
8 098
855
１１．８
后顶横梁连接板
8 433
1 190
１６．４
前轮罩连接板
8 834
1 592
２２．０
后轮罩连接板
7 855
613
８．５
进行计算更为准确。
KＴ＇＝
ΔT ΔφＦ－ΔφＲ
（２）
式中：KＴ＇— ——考虑零飘之后的修正的白车身整体扭转
刚度，Ｎ·ｍ（／ °）；
ΔT—— —加载时从 １ ６００￣２ ０００ Ｎ·ｍ 的变化扭矩， ΔT＝４００ Ｎ·ｍ；
ΔφＦ，ΔφＲ—— —加载时从 １ ６００￣２ ０００ Ｎ·ｍ 的前后 部扭转角变化量，（°）。
考虑到白车身的受力传力复杂性，本次采用的是 详细有限元模型。建模重点过程分为结构优化、单元 选取、单元数量和质量控制、网格布局及连接方式模
步分析，分析各个环的截面和连续性等；然后挑选出各 个环中的关键件并进行简化建模和灵敏度分析，白车 身简化模型图，如图 ７ 所示。灵敏度分析可以迅速找出 对白车身扭转刚度影响的关键部件并分析出贡献量， 为后期设计优化提供重要的支持。
参考文献 ［１］ 高云凯，蓝晓理，陈鑫． 轿车车身模态修改灵敏度计算分析［Ｊ］． 汽车工
程，２００１，２３（５）：３５２－３５５． ［２］ 仇彬． 轿车白车身扭转刚度分析及结构优化设计［Ｄ］． 安徽：合肥工业
大学，２００７：１８． （收稿日期：２０１５－０９－２７）
人能不食十二日，惟书安可一日无。
— ——陆游
ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ 前处理 有限元 模型
求解器 ＡＢＡＱＵＳ ＮＡＳＴＲＡＮ ＡＮＳＹＳ
ＨｙｐｅｒＶｉｅｗ 后处理 结果文件
根据前期工程设计分析，车身环状结构对车身刚 度影响较大。对车身结构性能影响较大的总共有 １６ 个 环形结构，因此首先按照环状结构进行白车身结构初
图 3 某款 SUV 扭转刚度 HyperMesh 建模求解思路
的后纵梁处；在试验中如果已通过专用加载设施实现， 位可以加大简化。考虑到白车身的力学特性，本次采用
就不必再使用额外约束装置。
离散板壳单元的组集，对车身结构的分析相对比较准
白车身扭转刚度试验加载方法：在白车身前左右 确。门槛加强板模型，如图 ４ 所示。
减振器座上施加一大小为 ２ ０００ Ｎ·ｍ 的力矩，力的方
变形量/ｍｍ
１．８４５ ０ １．４３４ ０ １．０２２ ０ ０．６１０ ０ ０．１９８ ３ －０．２１３ ５ －０．６２５ ３ －１．０３７ ０ －１．４４９ ０ －１．８６１ ０
图 6 白车身扭转变形云图
约束、求解以及后处理分析。
3 白车身刚度灵敏度分析和设计优化
几何模型 ＵＧ Ｐｒｏ／Ｅ
ＣＡＴＩＡ
向沿正负 Z 向。
白车身扭转刚度理论计算公式为：
KＴ＝
T φＦ－φＲ
（１）
式中：KＴ———白车身整体扭转刚度，Ｎ·ｍ（／ °）；
T— ——加载时的扭矩，Ｎ·ｍ；
φＦ，φＲ———前后部扭转角，（°）。
考虑到设备加载零飘带来的影响，通常采用式（２）
图 4 门槛加强板模型图
将各个零件建模并通过连接和装配获得整个白车 身有限元模型。其中部件连接主要采用焊接方式，建模 模拟采用全耦合方式。按照设计装配顺序表进行组装， 建立整个白车身的模型，如图 ５ 所示。
图 1 承载式 SUV 白车身骨架系统图
弯曲刚度可用车身在铅垂载荷作用下产生的挠度 大小来描述，或者用单位轴距长度最大挠度量评价。扭 转刚度可以用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大 小来描述，或用单位轴距长度轴间相对扭转角评价［１］。
白车身扭转刚度试验约束方法：约束白车身前保险 杠中间处，保证约束点 Y 坐标的值为 ０，约束该点 Z 向 的平动自由度（ΔZ）。约束白车身后左右弹簧座 X，Y，Z ３ 个方向的平动自由度（ΔX，ΔY，ΔZ），如图 ２ 所示。
３）前轮罩处增加接头布置，形成完整的环状路径， 增大环状结构截面面积，加大结构加强件料厚。
４）关键接头部位增加结构胶和焊点，提升车身扭 转刚度。
通过灵敏度分析以及车身结构优化设计，最终计 算得到白车身扭转刚度是 １７ ８７０ Ｎ·ｍ（／ °），提升量为 ４ ０２１ Ｎ·ｍ（／ °），提升率为 ２２．５%，满足项目设定目标。 同时白车身弯曲刚度提升了 １６．７%，弯曲和扭转模态也 得到了有效的提升。
限于篇幅，扭转角的获取、插值与计算此处不再详 细叙述。通过式（２）可以准确计算出白车身的扭转刚度。
2 白车身扭转刚度有限元分析
白车身的设计开发中，针对白车身结构进行有限 元分析可有效缩短产品开发周期、节约开发费用，并能
图 5 白车身有限元模型图
在上述白车身模型的基础上，进行模型边界的定 义和添加支撑，文章中支撑单元选用多点约束 ＭＰＣ１８４ 单元模拟力和力矩。然后整个白车身模型按照上述扭 转试验工况进行约束加载，进而后处理得到白车身的 扭转变形云图和扭转角度。扭转变形云图，如图 ６ 所 示。经过计算，其 KＴ＝１３ ８４９ Ｎ·ｍ（／ °），不满足项目设定 目标（≥１７ ０００ Ｎ·ｍ（／ °））。
Torsion Stiffness Analysis and Optimization of SUV Body-in-white
Abstract: Body-in-white torsion stiffness can＇t meet the design target （≥17 000 N·m（/ °））in SUV development process due to larger opening in rear wall area and no package bracket. Taking a SUV white body as the research object, the finite element model of a SUV is established and the stress analysis and sensitivity analysis are carried out. According to the mechanical properties of the white body structure and the analysis results, the torsion stiffness increases to 17 870 N·m（/ °），the increase rate reaches to 22.5%. The analysis method and optimization can improve the body torsion stiffness in the body data design stage, greatly shorten the development cycle and reduce the development cost. Key words：SUV; Torsion stiffness; Design optimization; Sensitivity analysis
－ 42 －
２第０１２６（期２）
Ｄｅｓｉｇｎ－Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ
图 7 白车身简化模型图
通过简化模型灵敏度分析找出对白车身扭转刚度 影响的关键部件并分析出贡献量，具体的分析结果，如 表 １ 所示。表 １ 中各处零件皆为贡献量较大，需要重点 考虑进行优化设计的部件。
表 1 白车身灵敏度分析结果
零件
4 结论
对 ＳＵＶ 白车身扭转刚度进行从白车身有限元模 型建立到扭转刚度工况分析、灵敏度分析和优化设计， 最终白车身扭转刚度提升了 ２２．５%，满足设定目标要 求。后期实车工况试验与有限元分析结果一致，满足目 标要求。通过有限元分析可以大大缩短项目开发周期 和降低成本。
另外白车身扭转刚度是车身结构设计的一个维 度，以上方案仍需兼顾白车身质量目标和成本目标，需 均衡提升才能达到目标要求。文章的研究对于白车身 结构优化设计具有一定的参考价值。
２０１６（２）
Ｄｅｓｉｇｎ－Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ
FOCUS 技术聚焦
Ｓ Ｕ Ｖ 白车身扭转刚度的 分析与优化
熊辉 方军 袁堂福 肖锋 （奇瑞汽车股份有限公司）
摘要：某款 SUV 开发过程中，由于后围部分门洞开口较大并且缺少包裹架结构，引起白车身扭转刚度不满足设计目标 （≥17 000 N·m（/ °））。对其建立有限元模型并进行扭转工况加载和受力分析以及灵敏度分析，依据白车身结构力学特性 及分析结果进行优化设计，使其扭转刚度提升至 17 870 N·m（/ °），提升率达 22.5%。通过此种分析方法和优化方案，可以 在车身数据设计阶段提升车身扭转刚度，大大缩短开发周期，降低开发成本。 关键词：SUV；扭转刚度；优化设计；灵敏度分析
日习则学不忘，自勉则身不坠。
— — —徐干
－ 43 －
承载式车身几乎承受了轿车所有工况的载荷，包 含扭转、弯曲、振动以及碰撞等，因此其必须拥有足够 的刚度和强度来保证整车的使用需求和动态性能需 求。而白车身扭转刚度是整车性能重要的指标之一，合 理的扭转刚度设计可以避免车身在很多工况下发生的 可靠性、耐久性、疲劳强度、振动及噪声等相关问题。文 章以某款 ＳＵＶ 为研究对象，对其白车身扭转刚度进行 了优化设计。
1 SUV 白车身结构及扭转试验工况
白车身按承载形式的区别，可分为非承载式、半承 载式和承载式三大类。承载式车身无车架，整车车身的 强度和刚度主要由白车身骨架予以保证，多数中低档 轿车和 ＳＵＶ 车身属于承载式车身。
文章研究对象为某款 ＳＵＶ 白车身骨架系统，如图 １ 所示。ＳＵＶ 白车身骨架系统相对于轿车更多行驶在 乡村道路，更容易受到扭转工况的冲击；而且相对于三 厢轿车，其骨架系统无包裹架结构，后背门处开口较 大，因此其设计的优化提升挑战性更大。
极大提高产品可靠性。因此针对车身的扭转刚度对白 车身进行准确的有限元建模分析成为设计开发中一项 不可缺少的重要内容。
某款 ＳＵＶ 车型扭转刚度分析思路，如图 ３ 所示［２］， 首 先 把 工 程 设 计 ＣＡＴＩＡ 数 模 导 入 有 限 元 分 析 软 件 ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ，然后进行单个零件网格建模、连接、支撑、
后轮罩安装板
7 959
716
针对以上部位进行工程分析，主要从 ４ 个方面进 行结构优化设计：
１）顶盖上横梁和侧围的搭接接头加大封闭截面面
FOCUS 技术聚焦
积，并增加接头搭接长度，增加焊点。根据质量控制情 况可以适当增加搭接板的料厚。
２）后背门处 Ｄ 环截面增加隔板、优化封闭截面、在 轮罩上增加 Z 方向梁，与地板进行搭接、增加上接头连 接零件料厚。
ZX Y 载荷 ２ ０００ Ｎ·ｍ
ΔX，ΔY，ΔZ
ΔZ 图 2 白车身扭转刚度约束和加载示意图
－ 41 －
技术聚焦 FOCUS
２０１６ 年 ２ 月
设计·创新
注意：若白车身的后悬架采用钢板弹簧结构，则约 拟 ５ 个步骤。结构简化工作首先保证结构力学性能，对
束点为每侧钢板弹簧 ２ 个安装点中间位置 X 坐标对应 重点关心部件尽量少简化和不简化，不影响性能的部
扭转刚度/ 刚度增量/ 提升率 关键连接点
（N·m（/ °）） （N·m（/ °）） /%
基础模型
7 242
前顶横梁连接板
8 186
943
１３．０
中顶横梁连接板
8 098
855
１１．８
后顶横梁连接板
8 433
1 190
１６．４
前轮罩连接板
8 834
1 592
２２．０
后轮罩连接板
7 855
613
８．５
进行计算更为准确。
KＴ＇＝
ΔT ΔφＦ－ΔφＲ
（２）
式中：KＴ＇— ——考虑零飘之后的修正的白车身整体扭转
刚度，Ｎ·ｍ（／ °）；
ΔT—— —加载时从 １ ６００￣２ ０００ Ｎ·ｍ 的变化扭矩， ΔT＝４００ Ｎ·ｍ；
ΔφＦ，ΔφＲ—— —加载时从 １ ６００￣２ ０００ Ｎ·ｍ 的前后 部扭转角变化量，（°）。
考虑到白车身的受力传力复杂性，本次采用的是 详细有限元模型。建模重点过程分为结构优化、单元 选取、单元数量和质量控制、网格布局及连接方式模
步分析，分析各个环的截面和连续性等；然后挑选出各 个环中的关键件并进行简化建模和灵敏度分析，白车 身简化模型图，如图 ７ 所示。灵敏度分析可以迅速找出 对白车身扭转刚度影响的关键部件并分析出贡献量， 为后期设计优化提供重要的支持。
参考文献 ［１］ 高云凯，蓝晓理，陈鑫． 轿车车身模态修改灵敏度计算分析［Ｊ］． 汽车工
程，２００１，２３（５）：３５２－３５５． ［２］ 仇彬． 轿车白车身扭转刚度分析及结构优化设计［Ｄ］． 安徽：合肥工业
大学，２００７：１８． （收稿日期：２０１５－０９－２７）
人能不食十二日，惟书安可一日无。
— ——陆游
ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ 前处理 有限元 模型
求解器 ＡＢＡＱＵＳ ＮＡＳＴＲＡＮ ＡＮＳＹＳ
ＨｙｐｅｒＶｉｅｗ 后处理 结果文件
根据前期工程设计分析，车身环状结构对车身刚 度影响较大。对车身结构性能影响较大的总共有 １６ 个 环形结构，因此首先按照环状结构进行白车身结构初
图 3 某款 SUV 扭转刚度 HyperMesh 建模求解思路
的后纵梁处；在试验中如果已通过专用加载设施实现， 位可以加大简化。考虑到白车身的力学特性，本次采用
就不必再使用额外约束装置。
离散板壳单元的组集，对车身结构的分析相对比较准
白车身扭转刚度试验加载方法：在白车身前左右 确。门槛加强板模型，如图 ４ 所示。
减振器座上施加一大小为 ２ ０００ Ｎ·ｍ 的力矩，力的方
变形量/ｍｍ
１．８４５ ０ １．４３４ ０ １．０２２ ０ ０．６１０ ０ ０．１９８ ３ －０．２１３ ５ －０．６２５ ３ －１．０３７ ０ －１．４４９ ０ －１．８６１ ０
图 6 白车身扭转变形云图
约束、求解以及后处理分析。
3 白车身刚度灵敏度分析和设计优化
几何模型 ＵＧ Ｐｒｏ／Ｅ
ＣＡＴＩＡ