Stiffness analysis and lightweight design on car body
Wang Xiaofeng， Ｒen Kang （ College of Mechanical and Automobile Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009 ， China）
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
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
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［
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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
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
2014 年第 1 期
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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
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
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
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
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：
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。
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