車身接頭剛度測量原理與測量裝置設計

陳少偉 陳 濤 湯 毅 聶繼全 朱燈宏

1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，4100822.湖南湖大艾盛汽車技術開發(fā)有限公司，長沙，4102053.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州，545007

車身接頭剛度測量原理與測量裝置設計

陳少偉1陳 濤1湯 毅1聶繼全2朱燈宏3

1.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，4100822.湖南湖大艾盛汽車技術開發(fā)有限公司，長沙，4102053.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州，545007

闡述了車身接頭剛度測量的必要性與測量原理，針對國內(nèi)車身接頭剛度實驗測量裝置還存在空白的現(xiàn)狀，設計了一套適用于多平臺車身的接頭剛度測量裝置，并分析了該設計裝置的主要特點。最后基于該裝置對車身某接頭剛度進行了實際測量，并將有限元分析數(shù)值與測量值做了對比,分析了實驗值與仿真分析值出現(xiàn)偏差的原因。

車身；接頭；剛度；測量裝置

0 引言

車身剛度特性反映了車身在整體上抵抗扭轉和彎曲載荷的能力，是汽車性能的重要評價指標，對車輛的密封性、乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性、車身結構的可靠性和耐久性以及車身動力特性等都有影響。車身剛度不足將會引起車身門框、窗框、發(fā)動機艙口和行李箱口等變形，導致玻璃破裂和車門卡死等現(xiàn)象發(fā)生。低剛度必然伴隨有低的固有振動頻率，易發(fā)生結構共振和聲響，并削弱結構接頭的連接強度。此外，還直接影響安裝在其上的底盤總成的正常工作[1]。汽車車身上T形接頭與其他承載件共同形成了一個牢固的車身承載結構，接頭部位對結構的系統(tǒng)影響較大，應當保持有足夠的剛度。車身整體尺寸與結構布置形式、車身關鍵截面的特性和車身接頭結構的特性等對汽車車身結構性能起決定性影響，合理設計車身關鍵截面和接頭能大大提高車身的剛度以及NVH(noise,vibration,harshness)、被動安全和強度等性能[2]，故除了對整車車身的靜態(tài)剛度分析以外，對車身接頭的剛度分析也是十分必要的。

目前以整車車身為對象的靜態(tài)剛度分析已經(jīng)相當成熟，主要采用有限元分析與實驗論證相結合的方法。文獻[3]利用板殼單元與梁單元建立某車的有限元模型，并對其進行了剛度與模態(tài)分析。文獻[4]用參數(shù)化曲面造型與參數(shù)化變量技術建立了全板殼單元轎車車身骨架有限元計算模型，分析了不同工況下車身的強度與剛度，對應力大的區(qū)域提出了改進方案。文獻[5]進行了白車身彎扭剛度實驗與仿真對比分析，為提出減弱或加強車身結構的有效措施提供了理論及實驗依據(jù)。文獻[6]對白車身剛度的CAE分析與實驗方法做了詳盡介紹。文獻[7]針對現(xiàn)有白車身剛度實驗過約束的問題，提出了基于最少約束方法的車身靜剛度實驗方法。

相對于整車車身，國內(nèi)外學者運用有限元技術對車身接頭也做了相關研究。文獻[8]運用神經(jīng)網(wǎng)絡和優(yōu)化技術研究了接頭特性參數(shù)和幾何參數(shù)之間的關系。文獻[9]提出接頭單元概念，并在車身結構概念模型中模擬接頭。文獻[2]提出了基于響應面法的汽車車身T形接頭優(yōu)化方法，在實現(xiàn)接頭輕量化的前提下，大大提高了接頭的剛度和強度。文獻[10]研究了接頭在車身結構概念設計階段對剛度的影響，結果表明車身上各個接頭對扭轉剛度的影響都較大。

綜上可以看出，對車身接頭的研究基本以有限元仿真為手段，并沒有對車身接頭的實際剛度進行實驗驗證，所以存在著很大的局限性與不準確性。為了驗證接頭建模的準確性，以及及時有效地指導新車型概念開發(fā)設計，本文在運用有限元法進行車身接頭分析基礎上，借鑒國外卡車接頭剛度測量裝置[11]，設計了一種乘用車車身接頭剛度測量裝置，并對車身某接頭實際剛度進行了測量。

1 車身接頭剛度測量的必要性及測量原理

1.1 接頭剛度測量的必要性

汽車整車剛度及車身接頭的剛度在各汽車廠商進行車輛再設計時非常重要。車身靜態(tài)剛度主要包括扭轉剛度和彎曲剛度，用扭轉剛度來評價車身在凹凸不平道路上抵抗扭轉變形的能力，用彎曲剛度來評價車身抵抗彎曲變形的能力。同樣，車身接頭剛度既包括接頭彎曲剛度也包括接頭扭轉剛度，反映了車身接頭區(qū)域在受到外部載荷時抵抗變形的能力。

車身接頭以及接頭在整個車身的分布如圖1所示。由于車身接頭起到使車身各承載件相互交接的作用，接頭性能對整個白車身的剛度和模態(tài)等性能均有顯著影響，對整個白車身剛度貢獻更是達到了50%～80%，因此研究車身接頭剛度性能十分必要。

(a)車身接頭(b)車身接頭在車身的分布圖1 車身接頭及其分布位置Fig.1 Joint of car body and its position

車身再設計主要針對車身關鍵截面和接頭結構進行再設計，更關注接頭性能。接頭有限元分析與實驗測量的目的在于研究接頭結構的剛性及其對整車車身結構剛性的影響。目前關于乘用車白車身接頭剛度的實驗研究極少。出于以下幾方面的原因，現(xiàn)在迫切需要一種針對車身接頭剛度的測量實驗裝置：

(1)實驗驗證與產(chǎn)品開發(fā)過程每個階段的工作相關，新設計完成的各個階段和最終階段都必須有實驗驗證才能生效，例如常規(guī)的接頭剛度有限元建模方法對以鉚接等其他新型連接方式的車身接頭是否適用還需要驗證。

(2)詳細的有限元建模周期較長，在新車概念設計階段不能及時得到有效參考，而利用接頭剛度測量裝備可以及時得到對標車型的接頭剛度性能參數(shù)，指導后續(xù)概念設計，縮短開發(fā)周期。

(3)車身接頭剛度的實驗結果可用來校正建立的有限元模型，經(jīng)過標定過的有限元模型能評估相應的結構在車身性能中的作用及性能百分比，以及進行結構優(yōu)化設計；還可通過有限元與實驗相結合的手段，結合車企benchmark的數(shù)據(jù)，構建一個全面的數(shù)據(jù)庫，用于研究競爭車型相關接頭結構的作用。

1.2 接頭剛度測量原理

車身接頭在車身實際受載過程中會發(fā)生彎曲、扭轉以及彎扭復合變形，即接頭的實際變形是耦合的，但是，在一些重要的考核工況下，接頭某一部分的變形占主要因素，比如側碰中B柱下接頭的上通道就是以彎曲為主，而這部分因素是我們重點考慮的。另外，耦合的情況是以白車身為整體進行考慮，對于單個接頭，一般不考慮耦合因素。這里我們分別考慮車身接頭在彎曲、扭轉工況下的性能。車身接頭剛度為

(1)

式中，M為工況力矩；θ為接頭變形前后轉動的角度。

圖2 彎曲變形夾角示意圖Fig.2 Schematic of bending deformation angle

(1)彎曲工況。彎曲變形夾角見圖2。力F施加在與接頭端面固接的具有一定高度的剛性構件上(圖中省略)，剛性構件因受力發(fā)生偏轉時促使接頭發(fā)生彎曲變形。彎曲指示桿初始位置和加載變形后位置之間的夾角

(2)

式中，δ1、δ2為彎曲指示桿兩端的位移；L為彎曲指示桿長度。

計算接頭旋轉中心受到的力矩M的大小：

M=F(L+a)

(3)

(4)

式中，a為接頭分支截面到旋轉中心的距離。

(2)扭轉工況。接頭分支截面在受到扭轉力矩作用時產(chǎn)生扭轉變形見圖3。扭轉指示桿的扭轉角度

(5)

式中，Δ為扭轉指示桿在局部坐標中y向位移差值；L為扭轉指示桿長度。

圖3 扭轉變形夾角Fig.3 Schematic of torsional deformation angle

2 接頭剛度測量裝置設計

接頭剛度測量裝置是專門為測量車身接頭的剛度而開發(fā)設計的，與整車車身靜剛度實驗原理類似，在車身接頭施加靜態(tài)力(力矩)，用位移傳感器測量車身接頭相應位置的變形量，然后對這些數(shù)據(jù)進行計算處理，以此得到汽車車身接頭的剛度大小。整個測量裝置簡單，針對性強，操作方便，能夠節(jié)省測量時間與勞動強度。

2.1 裝置組成

該裝置要求能實際測量白車身接頭的彎曲、扭轉剛度。裝置主要包括龍門框架、橫梁支架裝配、氣缸支架、扭轉載荷傳遞裝置、彎扭載荷傳遞裝置、接頭安裝座等模塊。裝置總成如圖4所示，相應的傳感器、控制線路未標出。

(a)裝置主視圖

(b)帶接頭軸測圖1.龍門框架 2.橫梁支架裝配體 3.卡塊1 4.承載塊5.氣缸支架 6.桿端軸承 7.橫梁安裝座 8.固定安裝座9.接頭安裝座支撐 10.接頭旋轉安裝座11.彎扭載荷傳遞裝置 12.扭轉載荷傳遞裝置 13.卡塊214.銷 15.氣缸 16.扭轉梁 17.接頭圖 4 裝置總成Fig.4 Device assembly

(1)龍門框架。龍門框架4-1(指圖4中1，下同)主要包括兩根立柱、框架安裝座、安裝座肋板、框架擋板、蓋板、堵蓋、三角加強板、撐桿。立柱通過框架安裝座以螺栓固定在鐵地板上，立柱側面開有若干螺栓孔，用來調(diào)節(jié)橫梁支架裝配體4-2的安裝位置。整個龍門框架用來支撐橫梁支架裝配以及與其相連接的附件。

(2)橫梁支架裝配體。橫梁支架裝配體4-2包括橫梁總成、支架固定環(huán)、氣缸旋轉支架，如圖5所示。橫梁總成5-1包括橫梁以及焊接在橫梁對應孔位中的套筒。橫梁主要用來固定氣缸旋轉支架與氣缸支架4-5；支架固定環(huán)通過焊接方式固定在套筒上，位置在套筒上的旋轉支架的下方；氣缸旋轉支架由旋轉支架、支架安裝板、氣缸安裝座組成。旋轉支架由型材焊接而成，支架安裝板焊接在旋轉支架相應位置，用來與橫梁固定，氣缸安裝座焊接在旋轉支架上，安裝在氣缸安裝座上的氣缸主要負責接頭彎曲載荷的加載。整個氣缸旋轉支架可以繞橫梁套筒轉動，以此對接頭施加不同方向的載荷。整個橫梁支架裝配體通過橫梁安裝座4-7安裝在龍門框架的立柱上。

1.橫梁總成 2.支架固定環(huán) 3.氣缸旋轉支架圖5 橫梁支架裝配體Fig.5 Bracket assembly

(3)氣缸支架。氣缸支架4-5包括氣缸安裝座、氣缸支架橫梁、氣缸支架縱梁，如圖6所示。氣缸安裝座焊接在氣缸支架橫梁兩端，氣缸安裝座上兩安裝孔用來安裝桿端軸承，氣缸通過軸承安裝在安裝座上。整個氣缸支架用來固定氣缸，由氣缸對扭轉梁4-16施力產(chǎn)生扭轉轉矩。

1.氣缸安裝座 2.氣缸支架橫梁 3.氣缸支架縱梁圖6 氣缸支架Fig.6 Cylinder support

(4)扭轉載荷傳遞裝置。扭轉載荷傳遞裝置4-12由扭轉軸、扭轉軸上下安裝板組成，如圖7所示。扭轉軸與下安裝板焊接好后，將軸穿過橫梁上的套筒內(nèi)部，再對扭轉軸上端與扭轉軸上安裝板進行焊接，扭轉軸上開有通孔，方便在扭轉傳遞裝置上提時用軸類零件卡住，與彎扭載荷傳遞裝置4-11脫離。扭轉軸上下安裝板都開有螺栓孔，方便與其他部件連接。整個部件起載荷的傳遞作用，要有足夠的剛性。

圖7 扭轉載荷傳遞裝置Fig.7 Torsional load transfer device

(5)彎扭載荷傳遞裝置。彎扭載荷傳遞裝置4-11由上安裝板、下安裝板、彎扭傳遞軸組成，如圖8所示。上下安裝板開有螺紋孔，分別與扭轉載荷傳遞裝置和所測接頭的安裝板相連接，下安裝板焊接有指示桿(圖8中1、2)，分別用來測定扭轉角和彎曲位移。彎扭載荷傳遞裝置在測試扭轉剛度時起到承接上部扭轉載荷傳遞裝置傳來的扭轉轉矩的作用，在測試彎曲剛度時，上部扭轉傳遞裝置與下部彎扭傳遞裝置脫開，彎扭傳遞裝置只承接氣缸對接頭施加的彎曲載荷。

1.扭轉指示桿 2.彎曲指示桿圖8 彎扭載荷傳遞裝置Fig.8 Bending and torsional load transfer device

彎扭載荷傳遞裝置與接頭直接連接，對接頭剛度測量精度的影響較大，由于接頭是非剛性的，為了準確反映接頭受載時的變形大小，要求彎扭載荷傳遞裝置具有足夠的剛性，通常將該裝置的安裝板做得較厚，中間的軸為實心軸且軸徑不能過小，為了保證連接可靠，上下安裝板的螺紋孔孔距應適宜并均勻分布在兩側，避免出現(xiàn)孔集中的現(xiàn)象。

(6)接頭安裝座。接頭安裝座分為固定安裝座4-8與旋轉安裝座4-10。固定安裝座由安裝座安裝板、固定安裝座底板、固定安裝座肋板組成，安裝座底板與接頭安裝座支撐上安裝板用螺栓連接，固定安裝座安裝板與接頭安裝板連接；接頭旋轉安裝座由轉動板、轉動軸、安裝座底板、轉動軸支撐板、轉動軸支撐固定蓋組成，旋轉軸表面銑有平面，該平面與所述的轉動板焊接，轉動軸在轉動軸支撐板孔位轉動時可以帶動轉動板旋轉。接頭旋轉安裝座的優(yōu)點是可以根據(jù)接頭形狀、位置自由調(diào)節(jié)旋轉角度，保證轉動板與接頭安裝板貼合。

2.2 裝置實施方式

2.2.1扭轉剛度測量

進行車身接頭扭轉剛度測量時，安裝在氣缸支架上的兩氣缸對安裝在扭轉梁上的承載塊施加相同大小的外力，扭轉梁發(fā)生轉動。扭轉梁通過螺栓與扭轉載荷傳遞裝置連接，扭轉梁轉動時將扭轉載荷也傳遞至扭轉載荷傳遞裝置。

扭轉載荷傳遞裝置底板上開有螺栓孔，進行車身扭轉剛度測量時，扭轉載荷傳遞裝置底板與彎扭載荷傳遞裝置上的安裝板通過螺栓固定，扭轉載荷傳遞裝置發(fā)生轉動進而帶動彎扭載荷傳遞裝置轉動。

彎扭載荷傳遞裝置與接頭上安裝板連接，接頭旋轉安裝座、接頭固定安裝座和接頭安裝座支撐4-9配合固定接頭安裝板。其中，接頭旋轉安裝板可以繞旋轉軸轉動，通過轉動不同角度來與不同接頭的接頭安裝板安裝，進而約束與之相接觸的接頭端面。固定接頭安裝座也對接頭某一端面進行約束。兩個安裝座的高度都可以由安裝座支撐來調(diào)節(jié)高度。彎扭載荷傳遞裝置轉動時，接頭承受到氣缸施加的扭矩。

接頭扭轉載荷施加在白車身接頭分支某一端面上，彎扭載荷傳遞裝置的扭轉指示桿隨之轉動某一角度，指示桿轉動的角度代表接頭受到扭矩時產(chǎn)生的變形角度，力傳感器記錄施加力的大小，位移傳感器記錄指示桿某點產(chǎn)生的偏轉位移，通過計算接頭偏轉的角度來和兩氣缸作用產(chǎn)生的扭矩得到整個接頭的扭轉剛度。

2.2.2彎曲剛度測量

在測量白車身接頭彎曲剛度時，扭轉載荷傳遞裝置與彎扭載荷傳遞裝置斷開連接，橫梁上方氣缸安裝支架上的氣缸對接頭不再產(chǎn)生力的作用，此時只有安裝在橫梁下的氣缸旋轉支架上的一個氣缸對接頭產(chǎn)生力的作用。氣缸將力作用于安裝在彎扭載荷傳遞裝置的承載塊，力傳感器記錄力的大小，承載塊將載荷傳遞給白車身接頭，接頭發(fā)生彎曲形變，彎扭載荷傳遞裝置的彎曲指示桿發(fā)生偏轉。通過力傳感器記錄施加力的大小、位移傳感器記錄指示桿發(fā)生的偏轉位移，計算出整個接頭的彎曲剛度。

2.3 裝置特點分析

本車身接頭剛度測量裝置有如下特點：

(1)通用性強。本裝置的接頭安裝座、多種規(guī)格的接頭安裝座支撐以及接頭旋轉安裝座三者可單獨使用，也可互相連接搭配使用，并根據(jù)不同接頭的不同空間形狀與位置而調(diào)節(jié)，保證接頭端面固定可靠，即本車身接頭測量裝置不是針對某一特定車型車身接頭而開發(fā)，而是適用于多平臺車型不同車身接頭剛度的測量，具有很強的通用性。

(2)結構簡單，加工方便。本裝置結構相對簡單，加工件形狀規(guī)則，很大一部分所用加工材料都是市面常見的型鋼，省去了復雜結構開模的成本，加工制造方便。

(3)裝拆靈活，易保養(yǎng)。各模塊采用螺栓緊固連接，裝置可調(diào)，安裝拆卸方便靈活，節(jié)省測量裝夾時間和勞動力。裝置可拆方便保養(yǎng)。

由于時間與成本因素的制約，本裝置還存在一些不足，例如接頭安裝座支撐不能實現(xiàn)無級可調(diào)，裝夾時需要人工裝夾，自動化智能化程度不高等。

3 接頭剛度實際測量

為使測試具有較好的精度，進行了測試類型的輸入輸出分析，據(jù)此分析測試的誤差，并找出減小誤差的辦法，確定了合適的控制策略，這里不展開討論。同時，為保證裝置的測量精度，選用了精度為0.5%的LVDT差壓式位移傳感器以及德國進口的精度達0.02%的力傳感器。為檢驗裝置的可靠性，進行了同一研究對象同一工況下的多次重復性測試，幾組結果顯示偏差在允許范圍內(nèi)。最后該裝置通過了第三方檢測服務機構對精度以及可靠性的測試。

本文對車身B柱下接頭剛度進行了實際測量，測量時接頭的變形情況與預想的接頭變形狀況一致，圖9為該裝置實驗測量現(xiàn)場圖。

圖9 B柱下接頭剛度實測場景Fig.9 Measure scene of lower joint of B-pillar

限于篇幅，本文測量結果只選取B柱下接頭一截面彎曲工況的測點位移值，得到了指示桿指定點的位移與力關系，如圖10所示。

圖10 指示桿指定點的位移與力關系Fig.10 Displacement VS force of indicator bar designation point

可以看出測點位移與力的關系可以近似地用擬合的線性直線表示，考慮加載開始與結束時數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，表1選取中間幾個不同加載力時的接頭位移值進行剛度計算，通過計算結果得出截面彎曲剛度在22 414.85～26 202.55 N·m/(°)范圍內(nèi)。

表1 剛度計算值

接頭性能的研究也需要仿真與實驗相結合的研究手段，故圖11將實驗所得力矩-變形角度與有限元仿真力矩-變形角進行對比，從圖中可以看出實驗測量擬合接頭分支某一方向的彎曲剛度為24 579 N·m/(°)，與有限元數(shù)值分析剛度值29 364 N·m/(°)偏差為16.3%。該偏差是在可接受范圍內(nèi)的。

圖11 力矩與變形角關系Fig.11 Moment VS angle of deformation

通過分析可以得出實驗與數(shù)值仿真有一定偏差的原因有：

(1)接頭剛度有限元模型不可能完全準確地模擬接頭的真實結構，實驗與仿真一定存在偏差。

(2)接頭有限元模型加載與接頭實際加載有偏差。例如接頭有限元模型中，接頭截面所受載荷施加于建立在截面形心上的rigid單元上，而接頭實驗時，載荷施加于彎扭載荷傳遞裝置4-11上，有時可能會出現(xiàn)rigid單元與接頭實驗的彎扭載荷傳遞裝置上指示桿發(fā)生偏曲的方向有偏差的情況。

(3)實驗操作誤差。如裝置的各組成部分間的連接不牢固，裝置固定處有松動，裝置未調(diào)平，傳感器測量點有偏差等。

4 結論

(1)車身接頭性能對車身整體性能有重要影響，本文討論了車身接頭剛度測量的必要性，并分別闡述了車身接頭彎曲工況與扭轉工況的測量原理。

(2)針對企業(yè)對車身接頭剛度實驗測量裝置的迫切需求，設計出一款車身接頭剛度測量裝置，分析表明該裝置具有通用性強、結構簡單、操作方便等特點。該裝置對指導國內(nèi)車身接頭剛度實驗有借鑒意義。

(3)設計的裝置經(jīng)過了精度與測量穩(wěn)定性的認定。利用該裝置對車身某接頭剛度進行了實際測量，并對實驗結果與有限元分析結果做了比較，還對二者之間出現(xiàn)偏差的原因做了分析。

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MeasuringPirinciplesandMeasuringDeviceDesignofJointStiffnessofCarBodys

CHEN Shaowei1CHEN Tao1TANG Yi1NIE Jiquan2ZHU Denghong3

1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,4100822.AISN Auto R&D Co.,Ltd.,Changsha,4102053.SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou,Guangxi,545007

The necessity and the measurement principles of car body joints were briefly introduced. Aiming at the gap of measuring device of body joints in domestic currency situation, a set of joint stiffness measuring device for multiple platform car body was designed, and the main features of the design device were analyzed. Finally, the stiffness of the joints of the body was measured by the device, and the finite element analysis numerical values were compared with the measured value, and the errors were analyzed.

car body; joint; stiffness; measuring device

U463.8

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.23.011

2016-12-21

(編輯王旻玥)

陳少偉，男，1981年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室博士研究生。主要研究方向為汽車車身結構設計與優(yōu)化。E-mail：chenlane@hotmail.com。陳濤，男，1978年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室副研究員。湯毅，男，1992年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室碩士研究生。聶繼全，男，1989年生。湖南湖大艾盛汽車技術開發(fā)有限公司主任工程師。朱燈宏，男，1981年生。上汽通用五菱汽車股份有限公司主任工程師。