基于應變能分析的白車身結構膠布置優化＊

趙雪梅 劉 波 陳海波 陸 波 易宗華

（重慶長安汽車工程研究總院）

1 前言

輕量化為目前汽車研究的一個重要領域，主要研究方向為結構優化、輕質材料應用、先進制造工藝和連接方式等[1]。隨著高強鋼、鋁合金、鎂合金、塑料等在汽車上的應用越來越廣泛，傳統的焊接已不能滿足異質材料的連接。近年來，為提高車身剛度，提出了一種焊接結構膠與點焊混合連接的方式，并對其可行性進行了驗證，如，華晨汽車在某車型的主要承載件涂布結構膠或結構增強塊，在增加52 m涂膠線的情況下，扭轉剛度提高了10%，彎曲剛度提高了4%[5]；陶氏化學的結構膠研究表明，在保持焊點不變的情況下增加結構膠連接，扭轉剛度可提高50%，在扭轉剛度不變的情況下，焊點數可減少50%[6]。

為提高已有白車身的彎曲剛度和扭轉剛度，本文在不改變原結構的前提下，采取焊接結構膠與點焊混合連接的手段，并通過CAE分析車身應變能分布形式，布置結構膠位置，以最少的結構膠膠線獲得了較高的車身彎曲剛度和扭轉剛度，且未降低模態性能。

2 模型描述

基礎模型為某車型的白車身，并將其分為帶前后擋風玻璃白車身（BIP）和不帶前后擋風玻璃白車身（BIW）2種狀態。BIP的單元數為580289，質量為355.5 kg；BIW的單元數為568193，質量為332.8 kg。白車身模型如圖1所示。

為更好地分析涂膠后白車身的應變能分布，將預計可加結構膠的點焊部位全部填涂結構膠，如圖2所示，此結構稱為全膠結構，其膠線全長為52.9 m。

3 應變能分析

將布滿結構膠的白車身全膠模型作為分析模型，將扭轉、彎曲工況作為分析應變能分布的2種工況。對剛度貢獻越大的結構，其應變能分布越集中。

3.1 扭轉工況

3.1.1 工況描述

約束左后減振器安裝支座安裝中心點XYZ自由度和右后減振器安裝支座安裝孔中心點XZ自由度；前減振器安裝孔中心施加MPC約束:Zleft+Zright=0，使左、右兩邊沿垂向變形量相等，變形方向相反，見圖3。

在扭轉工況下，將2000 N·m的扭矩作用在左右前減振器安裝支座安裝孔中心點之間，可等效為在單側施加Z向力3407 N，見圖4。

3.1.2 應變能分布

在扭轉工況下，BIP和BIW的應變能分布如圖5所示。

從圖5a可看出，BIP的應變能主要分布在上邊梁局部、三角窗、前指梁、A立柱、前壁板局部、電池殼體與置物板連接兩端、后輪轂包與地板連接處。從圖5b可看出，BIW的應變能主要分布在上邊梁局部、三角窗、前指梁、A立柱、前壁板局部、電池殼體與置物板連接兩端、后輪轂包與地板連接處及后裙板局部。

3.2 彎曲工況

3.2.1 工況描述

約束左后減振器安裝支座安裝中心點XYZ自由度、右后減振器安裝支座安裝孔中心點XZ自由度、左前減振器安裝支座安裝孔中心點YZ自由度和右后減振器安裝支座安裝孔中心點Z自由度，見圖6。

彎曲工況下加載點位于前后懸架中心點的中點且垂直于門檻梁位置（圖7）。由于該車B柱位于前后軸中心點位置，為加載的準確及方便，試驗時將加載力的位置向前偏移120 mm，加載力大小為1000 N，加載區長為100 mm，方向為Z軸負向。

3.2.2 應變能分析

在彎曲工況下，BIP與BIW的應變能分布如圖8所示。

從圖8a可看出，BIP的應變能主要分布在B柱、上邊梁局部、門檻梁、三角窗、前支梁、A立柱、前壁板局部、前地板橫梁中間部位、后輪轂包與地板連接處。從圖8b可看出，BIW的應變能主要分布在B柱、上邊梁局部、門檻梁、三角窗、前指梁、A立柱、前壁板局部、前地板橫梁中間部位、后輪轂包與地板連接處。

4 結構膠布置優化

4.1 結構膠優化

在扭轉工況和彎曲工況下，BIP和BIW的應變能分布部位見表1。

表1 白車身應變能分布情況

由表1可知，在相同工況下，BIP和BIW的應變能主要分布部位基本相同；在2種工況下，BIP和BIW的應變能主要分布部位均為前指梁、上邊梁、A立柱、三角窗、前壁板局部、后輪鼓包與地板連接處；B柱、門檻梁、地板中間橫梁為彎曲工況下應變能主要分布部位；電池殼體與置物板連接處、后裙板局部為扭轉工況下應變能主要分布部位。

為保證白車身在扭轉工況和彎曲工況下都有較好的力學性能，在應變能主要分布部位保留結構膠，去除其余部位的結構膠，最終得到優化的結構膠布置方案，如圖9所示。為便于分析對比，稱采用此方案的白車身為優化結構。

該優化方案中，膠線長度為31.2 m，與52.9 m的全膠結構相比，其長度減少了約41%。

4.2 剛度對比

扭轉剛度kT的計算式為:

式中，M為扭轉工況加載扭矩；Z1、Z2分別為扭轉剛度測量 （加載點連線垂直投影與縱梁底面交線的中點）在Z向的位移；Z3、Z4分別2個新增測量點在Z向位移；L1、L2分別為前、后輪距。

彎曲剛度kb的計算式為:

式中，F為彎曲工況加載載荷；Z5、Z6分別為彎曲剛度測量點（載荷連線垂直投影與門檻交線的中點）在Z向的位移。

對BIP和BIW的原結構、全膠結構和優化結構進行扭轉剛度和彎曲剛度分析，結果見表2。

表2 原結構、全膠結構和優化結構的剛度對比

從表2可知，優化結構的扭轉剛度略低于全膠結構，但是卻優于原結構；優化結構的彎曲剛度最好，與原結構相比，BIP彎曲剛度提高11%，扭轉剛度提高5%；BIW彎曲剛度提高10.7%，扭轉剛度提高6%。

4.3 自由模態分析對比

對BIP和BIW的原結構、全膠結構和優化結構進行自由模態分析，得到了自由模態振動頻率，見表3和表4。選擇表3、表4中的振型進行分析比較。

表3 BIP的自由模態振型振動頻率對比 Hz

表4 BIW的自由模態振型振動頻率對比 Hz

由表3和表4可知，優化結構各階模態頻率大于原結構，略低于全膠結構。即優化結構的模態性能略有提升，滿足設計要求。

優化結構的扭轉剛度雖然比全膠結構稍差，但優于原結構；而優化結構的彎曲剛度在3種結構中最優。因此，優化結構用較短的膠線長度獲得了較大的性能提升。

5 結束語

通過分析全膠結構在扭轉工況和彎曲工況下的應變能分布，去除低應變能分布區域的結構膠，保留應變能主要分布部分的結構膠，從而得到了新的結構膠布置方案。優化結構膠線長度比全膠結構減少了約41%，但剛度和模態性能水平相似。與原結構相比，優化結構的BIP彎曲剛度提高11%，扭轉剛度提高5%；BIW的彎曲剛度提高10.7%，扭轉剛度提高6%；所有關注的振型模態頻率均比原結構略高。因此，本文提出的采用分析變形能分布決定結構膠分布的方法可行，可用較短的時間、較少的膠線獲得最佳的性能。

1 羊軍，葉永亮，朱侃磊.車身輕量化系數的決定因素及其優化.汽車技術，2010（2）:28～32.

2 Michael Cichon， Helen Wei Li， Alex Wong， et al.Henkel Technologies and Products for China Aerospace.材料工程，2006（5）:32～36.

3 BHOWMIK S， BEBEDICTUS R， POULIS J A， et al.High-performance nanoadheisive bonding of titanium for aerospace and space application.International Journal of Adhesion and adheisive， 2009，29（3）:259～267.

4 段國晨，齊暑華，吳新明，等.基結構膠在航空工業中的研究現狀及進展.中國膠粘劑，2009，（9）:52～56.

5 李慧敏，朱西產.車用結構膠有限元模型方法的分析與比較.汽車工程師，2009（11）:39～41.

6 楊曉軍，王宇飛.結構膠連接與現代汽車車身連接技術.工藝與裝備（制造技術與材料），2010，37（4）:24～25.