轿车白车身刚度分析及轻量化设计研究_王晓枫

曲挠度。
3
3． 1
刚度分析计算
扭转刚度分析
扭转刚度分析时， 约束后悬架固定座支撑点中心 的所有自由度， 在车身前悬架固定座支撑点中心处施
2014 年第 1 期
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
3． 4
白车身刚度分析评价 评价车身的刚度好坏， 除了要看总体刚度值是否
表2 部分设计变量和优化结果
原始尺寸 / mm 1． 6 1． 2 1 0． 8 1． 2 0． 8 1 1． 5 优化后尺寸 / mm 1． 686 0． 96 0． 8 0． 7 0． 989 0． 7 0． 801 1． 8 圆整后尺寸 / mm 1． 7 1 0． 8 0． 7 1 0． 7 0． 8 1． 8
图2
轴间相对扭转角示意图
结构变形程度与结构上所受到的力及结构扭转 刚度有关。 车身结构扭转刚度 GJ 为单位扭转角所受 到的力矩， 即： θ = arctan GJ = TL θ S1 + S2 L （ 1） （ 2）
图3 分析点位置分布图
式中： T 为车身扭矩。 2． 2 弯曲刚度分析理论 白车身弯曲刚度可以看作是车身在垂直力作用 下的车身纵向张力， 是表示车身挠曲程度的量， 可以 用车身纵梁在垂直载荷作用下产生的挠度大小来描 述， 此时的弯曲刚度 EI 为： EI = 式中：
满足设计目标值外， 还应考虑白车身各开口 （ 左右门、 前后风窗等 ） 的变形量。 另外， 对白车身弯曲刚度和 扭转刚度弹性曲线的评价也是刚度评价的内容之一 。 从图 4 和图 5 所示可以看出， 车身扭转刚度曲线 没有明显的突变， 说明车 和弯曲刚度曲线比较平滑， 身结构刚度分布较合理； 由表 1 所示可以看出， 车身主 要开口变形不大， 前风窗和后背门的变形均小于允许 最大变 形 量 5mm， 前左门和后左门变形量均小于 3mm， 都在允许范围内。 通过计 算 得 出 该 车 身 弯 曲 刚 度 为 11 376． 56 N / mm， 略小于该车目标值 （ 12 000 N / mm ） ， 车身扭转刚 度为 10 928． 96N · m / （ ʎ ） ， 大于该车目标值 （ 10 000N ·m / （ ʎ ） ） 。
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车身有限元模型建立
运用 HyperMesh 软件对轿车三维模型进行简化和 离散。划分网格之前对模型进行必要的几何清理， 修正 模型存在的缺陷， 清除不必要的细节， 其简化措施如下。 1 ） 忽略车身结构表面上对整车的结构特性影响极 小的小孔、 开口和翻边等， 并将小圆角结构简化成尖角。 2 ） 忽略用于装 配 其 他 部 件 的 螺 钉、 螺母和小零 42
图6 表1
车身壳体的主要开口位置
设计变量 前纵梁外板 前纵梁外板加强板 前围板 中地板 中段中纵梁 顶盖 中柱加强板 中柱内板
扭转工况下开口对角线尺寸变形量
变形量 / mm 0． 751 － 0． 742 － 0． 399 0． 519 － 0． 362 0． 526 1． 832 － 1． 804
图4 车身对应测点扭转工况时扭转角沿纵向分布曲线
∑F
δ zmax
（ 3）
3． 2
弯曲刚度分析
∑ F 为车身弯曲集中载荷； δ zmax 为纵梁最大弯
白车身弯曲刚度分析， 约束前、 后悬架固定座支 撑点的所有自由度， 在座椅固定处施加左右对称的向 下的载荷力 6 000N。在 Hyperview 软件中提取各分析 点垂直方向的位移， 得出车身纵梁最大弯曲挠度 δ zmax = 0． 527 4mm， 并绘制出车身底部垂直方向位移的分布 （ 即弯曲刚度） 曲线如图 5 所示。 由图 5 所示可看出， 车身纵向的分布曲线较为平滑， 说明车身整体结构刚 度分配较合理。 43
在 Hyperview 软件中提取轿车车身底部左右两侧 14 对分析点的位移， 分析点位置分布图如图 3 所示。 根据式（ 1 ） 计算各扭转角， 并绘制出车身扭转角 θ 沿 扭 纵向的分布曲线如图 4 所示。 由图 4 所示可看出， 转角沿车身纵向的分布曲线较为平滑， 说明车身整体 结构刚度分配较合理。
汽车制造技术
现代制造工程 （ Modern Manufacturing Engineering）
2014 年第 1 期
轿车白车身刚度分析及轻量化设计研究
王晓枫， 任康 （ 合肥工业大学机械与汽车工程学院 ， 合肥 230009 ）
摘要： 以某国产轿车车身为研究对象 ， 建立了白车身有限元模型 。运用 Ｒadioss 求解器对该模型进行刚度分析 ， 计算白车 绘制车身扭转刚度曲线 、 弯曲刚度曲线并计算车身主要开口部分的变形量 ， 分析比较刚度的分 身扭转刚度及弯曲刚度 ， 配情况， 然后对车身结构件进行优化 ， 使车身刚度有所提高， 白车身质量减少 8． 2kg。 关键词： 白车身； 刚度分析； 结构优化 中图分类号： U270． 2 文献标志码： A 文章编号： 1671 —3133 （ 2014 ） 01 —0042 —04
图5
弯曲刚度曲线
对白车身刚度计算分析， 得到白车身的弯曲刚度 EI 为： EI = 3． 3
∑F
δ zmax
=
6 000 = 11 376． 56N / mm 0． 527 4
白车身结构开口变形分析
轿车车身上的开口主要有车门、 车窗、 发动机舱 和行李舱等， 如图 6 所示。 开口变形是评价车身刚度 的另一个重要指标。车门、 前后车窗等部位的开口变形 过大会影响车身的密封性， 严重时会造成车门卡死、 玻 璃破碎、 漏雨、 渗水， 以及内饰脱落等， 也会导致开口部 位应力加大。为了避免这些问题， 必须校验开口部分的 变形。 衡量开口变形一般是在车身受到扭转载荷情况 ， 下 通过计算车身开口部分对角线的尺寸变形量实现 的。本文以前风窗、 前左门、 后左门和后背门的对角 线作为研究对象， 对角线的位置选取如图 6 所示。 扭 转工况下开口对角线尺寸变形量如表 1 所示。表 1 中 “+ ” ， “－ ” 表示伸长 表示缩短。
车身刚度是车身结构的基本特性之一， 在实际使 用过程中， 必须保证车身具有一定的刚度， 以保证其 在工作载荷下的变形量不超过允许的范围。 刚度不 足时， 会导致车身开口部分的变形变大， 开闭部分动 车身和安装部件之间、 部件和部件之间相互 作失灵， 干扰， 雨水和灰尘易侵入， 还会成为产生振动和噪声
现代轿车车身大多数采用承载式结构， 承载式车 身几乎承载了轿车使用过程中产生的各种载荷。 而 轿车白车身的刚度特性反映了车身在整体上抵抗扭转 反映了整车车身的整体性能。因 和弯曲载荷的能力， 此， 对轿车白车身刚度进行分析有着十分重要的意义。 车身刚度不合理， 将直接影响轿车车身结构的可靠性、 NVH 性能以及燃油经济性等关键性指标［1］。 安全性、 本文采用有限元法对白车身的静态刚度性能 （ 弯 并对车身进一步轻 曲刚度和扭转刚度 ） 进行了分析， 。 量化进行了设计
编号 前风窗 1 前风窗 2 前左门 1 前左门 2 后左门 1 后左门 2 后背门 1 后背门 2
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林国语， 等： 基于粒子滤波的非线性设备状态估计
2014 年第 1 期
served Component Models： Theory and Applications ［M］ ． Cambridge： Cambridge University Press， 2004． ［ 6］ Doucet A， de Freitas JFG， Gordon NJ． An introduction to sequential monte carlo methods． Sequential Monte Carlo in Practice［ C］ ． New York： SpringerVerlag， 2001． ［ 7］ Doucet A， Godsill S， Andreu C． On Sequential Monte Carlo Sampling Methods for Bayesian Filtering［J］ ． Statistics and 2000 （ 10 ） ： 197 － 208． Computing， ［ 8］ Seong S H， Park H Y， Kim D H， et al． Development of fast running simulation methodology using neural networks for load follow operation［ J］ ． Nuclear Science and Engineering， 2002 （ 141 ） ： 66 － 77． ［ 9］ Andrieu C， Doucet A， Punskaya E． Sequential Monte Carlomethods for optimal filtering． Sequential Monte Carlo methC］ ． New York： SpringerVerlag， 2001． ods in practice［ ［ 10］ 申永军， 杨绍普， 刘献栋． 齿轮故障诊断中的信号处理技 J］ ． 机械传动， 2004 ， 28 （ 3 ） ： 1 － 5． 术研究与展望［
［4 ］ 的重要原因 。 2． 1 扭转刚度分析理论
当车身上作用反向对称而且垂直的载荷 F1 时， 结构处于扭转工况， 车身产生扭转变形， 轴间相对扭 S2 分别为加载点 转角示意图如图 2 所示， 图 2 中 S1 、 A、 B （ 即车轴两端点） 在载荷方向上的位移， L 为轴距， θ 为加载位置的扭转角。
0
引言
件， 以及小的冲压筋等。 3 ） 对翻边简化。 对于两构件焊接后， 起加强结构 刚度作用的翻边给予保留。 如果是工艺上的要求， 则 ［23 ］ 。 可以忽略 由于车身主要是由钣金冲压件焊接而成 ， 因此， 采用壳单元 Quard4 和 Tria3 对各个钣金构件进行离散 化。各零 / 部件之间的焊接单元采用 CWELD 单元进 行模拟， 焊点直径为 6mm。 完成后的车身结构模型 6 839 个焊接单元， 其中三角形 共有484 530 个壳单元， 单元占单元总数的 5． 8% ， 白车身有限元模型见图 1 。 X 向为车身纵向， Y 向为车身横向， Z 向为垂 图 1 中， 。 直方向
Abstract ： The finite element model was established based on one home made car． The car stiffness characteristic was analysed by using Ｒadioss solver． Then calculated the BIW torsional rigidity and bending stiffness， and the reasonable the car body stiffness was got by making the curve of the torsional stiffness and bending stiffness and calculating the deformation of the body on main opening part． Then the body stiffness was improved and the car body was reduced by the 8． 2kg in mass after the body structure optimization． Key words： Body in White（ BIW） ； stiffness analysis； structure optimization
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4． 1
结构优化设计
优化条件的确定
在保证白车身的静态扭转刚度和弯曲刚度在可 行的变化范围之内的前提下， 以白车身的质量最小为 目标。以板件的厚度作为变量进行尺寸优化， 根据本 文第 2 、 第 3 章刚度分析的结果， 选择对车身刚度影响 这里主 较大部分的车身结构件的厚度作为设计变量， 要选择 了 40 个 结 构 件 作 为 设 计 变 量， 变化范围为 ʃ 20% ， 且最小设置为 0． 7mm。设置约束条件保证扭转 刚度大于 10 000N·m / （ ʎ） ， 弯曲刚度大于 12 000N / mm。 4． 2 优化结果 利用 HyperWorks 软件中的 OptiStruct 模块进行尺 寸优化计算， 部分设计变量和优化结果见表 2 。 限于 篇幅仅列出部分设计变量， 考虑到加工制造过程的实 际情况， 对优化结果进行修正， 取小数点后的一位有 效数字。
Stiffness analysisБайду номын сангаасand lightweight design on car body
Wang Xiaofeng， Ｒen Kang （ College of Mechanical and Automobile Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009 ， China）
图1 白车身有限元模型
王晓枫， 等： 轿车白车身刚度分析及轻量化设计研究
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刚度分析理论
加大小相等方向相反的垂直方向的集中力 ， 扭矩 T = 2 000N·m。 对白车身刚度计算分析， 通过 Hyperview 软件提 B 的 位 移 S1 = － 1． 769mm、 取数据 得 到 加 载 点 A、 S2 = 1． 777mm， 加载点间距 L = 1 112． 24mm， 得到白车 身的扭转刚度 GJ 为： TL GJ = = 10 928． 96N·m / （ ʎ ） θ 由图 2 可得扭转角 θ 为： θ = arctan S1 + S2 = 0． 183ʎ L