轎車白車身模態和靜剛度的試驗和CAE

蔡堅勇 宋名洋

轎車白車身模態和靜剛度的試驗和CAE

蔡堅勇 宋名洋

東南(福建)汽車工業有限公司研發中心

本文介紹利用Altair/HyperMesh軟件創建某緊湊型轎車白車身有限元模型，運用MSC/Nastran 軟件求解白車身結構的固有模態、靜態彎曲剛度和扭轉剛度。介紹相關試驗方法，并把試驗值和CAE分析值進行比較。驗證了CAE分析模型的有效性，認為該車型車身具有較好的動態特性和靜態扭轉剛度。

白車身；模態；彎曲剛度；扭轉剛度

當前，CAE（計算機輔助工程分析）技術已經成熟，在國外大型汽車企業中得到了廣泛應用，在我國一些大型汽車企業為了提升自主研發能力，已將CAE技術應用到新車型研發中，且獲得了良好的效果。本文分別利用試驗方法和CAE分析方法求解某緊湊型轎車白車身的模態、靜態剛度值，并把試驗值和CAE分析值進行比較，驗證了CAE分析值的可靠性。

1 白車身CAE模型創建

該車軸距2 510 mm，前輪距1 472 mm，后輪距1 465 mm。采用Altair/HyperMesh軟件創建白車身CAE模型，鈑金件用殼單元模擬，共有444 031個，其中三角形殼單元14 124個，占3.2%，單元尺寸5~15 mm，粘膠和焊點采用實體單元模擬，共5 195個，燒焊和螺栓采用剛性單元模擬。單元質量符合企業給定標準。為減少CAE建模的工作量，采用同一個白車身CAE模型進行以上所有工況分析。材料屬性由企業提供的參數設置，見表1。白車身CAE模型如圖1所示。

圖1 白車身CAE模型

2 白車身模態試驗和CAE分析

模態分析技術源于20世紀30年代提出的將機電進行比擬的機械阻抗技術，是用于對機械系統、土建結構、橋梁等工程結構系統進行分析的現代化方法和手段[1]。模態試驗是通過試驗設備，采集激勵點信號和測量點的響應信號，經過軟件分析處理后獲得結構固有頻率和相應振型。它可以驗證和校核有限元模型的合理性，為后續進行靜剛度或其它CAE分析提供一個合理的有限元模型。CAE分析是由計算機根據有限元方法，求解有限元模型的固有頻率和相應振型。模態試驗和CAE分析方法具有相同的效果，二者相互輔助。

2.1 模態試驗

車輛坐標系的定義：以車輛前進方向為軸負向，前進方向左側為軸負向，豎直向上為軸正向。

為了使試驗值和CAE分析值能夠進行對比，試驗時白車身上布置的測量點和CAE模型中的觀察點應具有相同的位置。

測量點布置在車身主要承載件上，發動機艙部分均勻布置在左、右前縱梁，前橫梁，前圍上擋板上，乘員艙部分均勻分布在頂蓬前橫梁，頂蓬左、右橫梁，左、右前立柱，左、右中立柱，左、右后立柱，后門框，左、中、右地板縱梁，前、后地板橫梁，頂蓬加強梁上。、、三個方向信號提取點數目各為130個。

試驗時用四根柔軟的橡皮繩將白車身懸掛在剛性的支架上，懸掛點位于前、后懸架與車身的連接點上。車身保持水平。這樣，整個車身的約束狀態接近于自由狀態。本次試驗布置兩個激勵點，分別位于白車身前部的右縱梁和尾部的左縱梁上，激勵信號為猝發隨機信號。試驗測量分析系統如圖2所示。

圖2 試驗測量分析系統

2.2 模態試驗值和CAE分析值的比較

用來求解有限元模型模態的方法有多種，本文使用MSC/Nastran軟件中的Lanczos方法。試驗法和CAE分析法獲得的振型對比如圖3～7所示，固有頻率對比見表2。

圖3 繞Y軸一階彎曲振型

圖4 繞Y軸一階扭轉振型

圖5 繞X軸一階扭轉振型

圖6 前部繞X軸一階扭轉振型

圖7 前部繞Y軸一階彎曲振型

表2 試驗法和CAE分析法固有頻率對比

由圖3～7及表2的結果表明，模態試驗結果和CAE分析結果符合很好，所有結果誤差不超過5％，這表明CAE模型是合理和可靠的，可作為后續靜剛度或其它分析用，最低頻率在30 Hz以上，表明該車型白車身動態性能好。

3 白車身靜剛度試驗和CAE分析

3.1 測量點布置

在白車身左、右前縱梁、門檻梁和后地板上選取10個測量點，布置位移傳感器，用于提取向位移值。測量點和CAE模型中的觀測點應具有相同位置，測量點布置如圖8所示。

圖8 測量點布置圖

3.2 彎曲剛度試驗

在前后懸架與車身連接處用圓形鋼管焊接后再固定在試驗臺上，整個白車身被完全約束。在左、右中部門檻梁和備胎槽周圍地板上各施加-向3 000 N力，先按最大載荷預加載，卸載后分6級施加載荷，每級為500 N力，重復3次試驗，取其平均值。

彎曲剛度值由/{(∣△4∣+∣△12∣）/2}計算獲得，為總加載力，△4和△12分別為測量點4 和12向位移值。

3.3 彎曲剛度試驗值和CAE分析值對比

有限元計算模型的約束和載荷條件按試驗條件設定。試驗法和CAE分析法獲得的各測量點向位移值對比見表3，彎曲剛度值對比見表4。

表3 測量點Z向位移試驗值和CAE分析值對比

表4 彎曲剛度試驗值和CAE分析值對比

3.4 扭轉剛度試驗

后懸架與試驗臺架剛性連接，無自由度。前懸架與臺架的橫梁剛性相連，橫梁可在平面內旋轉，所以車身前部有向自由度。在前部使用絲杠圓盤左右兩側分別進行加載，載荷作用在可轉動的橫梁上，通過剛性結構施加到前懸架與車身連接處。最大載荷為3 000 N·m，分6級施加，每級為500 N·m。先按最大載荷預加載，卸載后再分級施加載荷，重復3次試驗，取其平均值。

扭轉剛度值由/arctan{(∣△2∣+∣△10∣）/L}計算獲得，為加載扭矩，△2和△10分別為測量點2 和10向位移值，為左右前懸架向距離。

4.5 扭轉剛度試驗值和CAE分析值對比

有限元計算模型的約束和載荷條件按試驗條件設定。試驗法和CAE分析法獲得的各測量點向位移值對比見表5，扭轉剛度值對比見表6。

表5 測量點Z向位移試驗值和CAE分析值

表6 扭轉剛度試驗值和CAE分析值

4 結果分析

車身總剛度是反映車身在各種典型受載工況下的一種綜合能力。根據國外汽車設計的要求，轎車的扭轉剛度設計參考值為13 000 N·m/deg，較高要求為16 000 N·m/deg；而對于轎車的彎曲剛度，國際上一般使用的設計參考值為12 200 N/mm[2]。由表4可知，該車型白車身的彎曲剛度的試驗值和CAE分析值略小于國際設計參考值。由表6可知，該車型白車身的扭轉剛度的試驗值和CAE分析值均大于14 000 N·m/deg，表明該白車身具有較好的靜態扭轉剛度。

5 結語

采用試驗方法獲得試驗值，再和CAE分析值進行比較，可看出該白車身在以上各工況下的CAE分析值與試驗值之間的誤差小于5%，二者吻合很好，表明所創建的有限元計算模型是合理的和可靠的，表明試驗方法是驗證和校核所創建的有限元模型的重要手段，也表明CAE分析法在新車型開發中的重要作用。

[1] 管迪華.模態分析技術[M].北京：清華大學出版社,1996.

[2] 邵建旺,彭為,靳曉雄,等.SUV白車身靜態剛度試驗研究[J].汽車技術, 2009 (4): 41-44.

Experiment and CAE of Normal Mode and Static Stiffness of Automobile Body-in-white

Cai Jianyong, Song Mingyang

(Research and Development Center, Southeast (Fujian) Motor Co., Ltd., Fuzhou 350119, China)

A finite element model of a compact automobile body-in-white was established using the Altair HyperMesh software. The inherent normal modes, static bending and torsion stiffness of the body-in-white were resolved by the MSC Nastran software. Relevant test methods were presented. The test results were compared with the computer aided engineering (CAE) analysis. The validity of the CAE analysis model was confirmed. It is indicated that the automobile body-in-white possesses good dynamic characteristics and static torsion stiffness.

body-in-white(BIW)；normal mode；bending stiffness；torsion stiffness