2007年(第29卷)第6期汽 车 工 程A utomo ti ve Eng i nee ri ng2007(V o.l 29)N o .62007118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 onGao Yunka,i Zhang Haihua &Yu Ha i y anS 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 bothstreng 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@10-6kg /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UzUzUx Uy UzUx 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@10-5kg /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 UzUz纵梁和前悬架横臂连接处Ux ,UyUx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2007(V o.l 29)N o .6高云凯,等:轿车车身结构修改灵敏度分析#513 #最大应力大于210M Pa 的地方有中央通道后端为303M Pa ,左后轮罩内板为268M Pa ,右后轮罩内板为237M Pa 。

车身其它部分未出现应力值大于210M Pa 。

(2)实际弯扭组合工况强度分析白车身实际弯扭组合工况强度分析是在实际弯曲工况的基础上,模拟右前轮悬空时白车身的刚度和强度,约束条件见表3。

表3 右前轮悬空实际弯扭组合工况约束列表位置左前右前左后右后悬架弹簧安装处Uz UzUz前悬架横臂和纵梁连接处Uy后悬架横臂和纵梁连接处Ux 、UyUx加载位置与实际弯曲工况相同,由于在车辆行驶过程中该工况是一个比较少见的恶劣工况,故取动载系数为115[2]。

实际弯扭组合工况强度计算结果得白车身最大应力为427MPa ,出现在左前轮罩悬架固定座处;其它应力超过210MPa 的部件主要包括:侧围外板右C 柱和顶盖连接处,应力为352M Pa ;右后悬架弹簧安装点处,应力为334MPa ;前风窗下横梁和左侧围连接处,应力为321M Pa ;右后悬架臂和纵梁连接处,应力为308M Pa ;顶盖前横梁左侧连接处,应力为233M Pa 。

可见除车身悬架安装处外,乘客舱前部和后部的窗沿焊接边处也出现大应力,需要加强结构。

11213 模态分析对白车身做自由模态分析,其1阶扭转模态频率为25180H z ,竖直1阶弯曲模态频率为43194H z ,均能满足工程要求。

2 灵敏度分析结构修改灵敏度是指所关注的结构性能指标对某些结构参数的变化梯度,车身结构中的灵敏度分析是分析车身结构性能参数的变化对车身结构设计参数变化的敏感性[3]。

由于该车车身扭转刚度和部分强度指标未能满足工程要求,需要进行结构修改设计。

在静态分析基础上对白车身板厚进行灵敏度的分析,可以确定结构修改的最佳部位。

目标函数选车身质量为最小,设计变量为155个零部件组的板厚。

分为实际弯曲工况强度灵敏度分析和实际弯扭组合工况强度灵敏度分析2个部分。

由于车身模态分析以及试验弯曲刚度已经满足要求,所以不对此做灵敏度分析。

211 实际弯曲工况强度灵敏度分析实际弯曲工况下各部件对强度的灵敏度分析中,主要针对中央通道、前悬架固定座、弹簧上托盘(后悬架弹簧安装板)、后轮罩等实际弯曲工况下应力大于210MPa 的零部件分别进行灵敏度的计算。

另外,因考虑到结构、约束和载荷的对称性,当有左、右对称的零件时,文中仅列出对于右边部分应力较灵敏的部件。

部分零件灵敏度系数情况见图5。

图5中标出了灵敏度相对特别大的部分件的名称。

图5中灵敏度系数为负的部件,增加板厚能够降低对应位置的应力。

图5 实际弯曲工况下对各大应力件较敏感的主要零件分析结果表明:后轮罩内板的修改对降低自身的应力有显著效果;右前悬架固定座自身的板厚修改对减低其最大应力有显著的效果;后悬架弹簧安装板和侧围外板的修改对降低后悬架弹簧安装处的应力有显著效果;地板总成各件和后座椅加强板的结构修改对降低中央通道后端应力有显著效果。

212 实际弯扭组合工况强度灵敏度分析实际弯扭组合工况强度灵敏度分析中,针对侧围外板、顶盖前横梁、风窗下横梁、后悬架弹簧安装板、后纵梁、前悬架固定座等在右前轮悬空的实际弯扭组合工况下应力超过210M Pa 的零部件分别进行灵敏度的计算。

计算结果表明侧围外板、顶盖前横梁、顶盖侧梁内板、后纵梁、后轮罩内板等部件以及悬架固定座总成各部件的板厚修改对这些部分强度影响较大。

具体情况如图6所示。

图6中标出了灵敏度相对特别大的部分零件的名称。

图6 实际弯扭组合工况下对各大应力件较敏感的主要零件213 实际弯扭组合工况刚度灵敏度分析在实际弯扭组合前轮悬空工况刚度的灵敏度分析中,约束载荷情况同实际弯扭组合工况强度分析,该工况下右前悬架固定座处的z 向位移达到-9139mm ,位移灵敏度计算中以此为控制变量。