轎車白車身靜剛度仿真與試驗對標

韓立 張兵 曹宏偉

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

現代轎車大多數采用全承載式車身結構，在使用過程中車身承擔著幾乎所有的彎曲、扭轉及碰撞等載荷。如果車身剛度不足，會引起車身上一些部件的變形過大或其它總成相對位置發生錯動，從而影響正常工作，因此車身剛度具有舉足輕重的作用。但是，車身的彎曲扭轉剛度試驗沒有國標可借鑒，各主機廠都有自己的試驗測試方法，而仿真和試驗對標的一致性歷來是難以攻克的問題點。文章在闡述仿真方法和試驗流程的基礎上，通過仿真和試驗對標找到了影響仿真準確性和試驗穩定性的重要因素，并針對控制影響因素的敏感程度給出了解決辦法，為車身結構優化和輕量化奠定基礎。

1　靜剛度有限元仿真

當前CAE分析技術日趨成熟，在國外大型汽車企業中得到廣泛應用。我國各大汽車企業為了提升自主研發能力，已將CAE分析技術應用到新車型研發中，且獲得良好效果[1]。

1.1　車身有限元模型建立

某轎車白車身采用無前后風擋玻璃、無四門兩蓋及無副車架狀態，借助軟件HyperMesh建立有限元模型，車身鈑金采用10 mm殼單元劃分網格，焊點采用acm類型模擬，焊縫采用cweld單元模擬，膠粘采用adhesives類型連接，有限元模型材料基本參數，如表1所示。

表1　白車身材料基本參數表

對標試驗中，采用在前后風窗口和左側前后車門門口部位建立plot單元，沿車身縱向在縱梁及門檻梁上按照間隔350～450 mm對稱建立測點plot單元，測點X軸坐標參數，如表2所示。某轎車白車身有限元模型，如圖1所示，包括619 781個單元，636 593個節點。

表2　縱梁及門檻梁測點X軸坐標參數表mm

圖1　某轎車白車身有限元模型圖

1.2　扭轉剛度計算

白車身有限元模型建立之后，計算扭轉剛度的關鍵問題是約束及載荷的處理。前彈簧支座加強板下方增加厚度為10 mm的工裝件，垂直于工裝法平面向下且在距離加載點Z向100 mm位置建立球鉸單元，放開X，Y，Z向旋轉自由度和X向平動。利用rigid單元架構倒三角形剛性支撐框架，頂點處約束X，Y，Z向平動和X，Z向轉動自由度，施加順時針繞X向扭轉力矩2000N·m，如圖2所示。后彈簧支座及其補板連接處約束包含X，Y，Z向平動和轉動自由度，如圖3所示。

圖2　白車身前懸扭轉剛度邊界條件示意圖

圖3　白車身后懸扭轉剛度邊界條件示意圖

模型提交給求解器OptiStruct計算得到后綴名為“h3d”的文件，導入軟件HyperView中進行數據后處理。風窗和門口的相對變形量，如表3所示，前后懸測點的Z向變形量及Y向間距云圖，如圖4所示。

表3　風窗和門口相對變形量統計mm

圖4　白車身前后懸測點Z向變形及Y向間距云圖

將前后懸測點Z向變形和Y向間距值代入式（1），計算得到前后懸相對扭轉角度（α/（°））。

式中：df1，dfr——前懸左右側點Z向變形量的絕對值，mm；

dr1，drr——后懸左右側點Z向變形量的絕對值，mm；

Yf，Yr——前后懸左右測點的Y向距離，mm。

將α代入式（2），得到某轎車白車身扭轉剛度（Kt）為10 025 N·m/（°）。

式中：M——所施加力矩，N·m。

1.3　彎曲剛度計算

彎曲剛度通過門檻梁在車身長度方向上的垂直撓度變形來衡量，前懸球鉸位置約束X，Y，Z向平動自由度，后懸投影到縱梁區域單點約束Z向平動自由度，每個座椅安裝位置施加1 000 N垂直力，邊界條件，如圖5所示。模型提交給求解器OptiStruct計算，得到后綴名為“h3d”的文件導入軟件HyperView中進行數據后處理。值得注意的是，由于加載前后，前懸和后懸相對初始位置發生了變化，此時所有測點位移包含前后懸局部變形和加載位移兩部分，需按照圖6所示“梯形法”修正掉前后懸局部變形部分。

圖5　白車身彎曲剛度邊界條件示意圖

圖6　門檻梁測點位移“梯形法”修正示意圖

通過多次試驗驗證，根據三角形相似原理，可得出修正公式，如式（3）所示。

式中：a，b——前后懸測點Z向位移，mm；

c——門檻梁上任意一個測點Z向位移，mm；

d——任意一個測點相對前后懸的Z向變形，mm；

Xr——后懸X軸坐標，mm；

Xn——門檻梁上任意一個測點X軸坐標，mm。

其中a，b，c，d數值均小于0，門檻梁上各測點位移修正結果，如表4所示。

表4　門檻梁各測點位移統計表mm

門檻梁上相對前后懸最大變形點出現在第4點，位移絕對值為0.203 mm，代入式（4）得到某轎車白車身彎曲剛度（Kb）為19 667 N/mm。

式中：n——座椅個數，個；

f——每個座椅上承受的載荷，N；dmax——門檻梁相對前后懸最大變形量的絕對值，mm。

2　靜剛度試驗測試

目前，轎車白車身靜剛度試驗無國家標準或行業標準，不同企業、學校及科研單位都有自己的試驗體系，這些體系的不同主要體現在：1）白車身狀態是否包含風窗玻璃、四門兩蓋、保險杠及副車架等零部件；2）安裝固定方式是否考慮前后懸和前后橋彈性元件；3）載荷施加位置和大小，試驗結果后處理以及評估方式。試驗方法的選擇需要尋求條件統一、便于實施且易于確定的方案，忌用大量而不同的試驗得到相近的結果[2-3]。現對某車型白車身靜剛度試驗情況加以闡述。

2.1　試驗儀器設備

試驗主要儀器設備包括：1輛試驗車、白車身靜態加載試驗平臺、垂向加載設備、位移傳感器、位移百分表、位移千分表及水平尺等。

2.2　白車身安裝

白車身前懸架的螺旋彈簧和減振器用剛性件代替，通過剛性替代件將前軸輪胎中心位置與加載裝置連接，后懸架通過替代件剛性固定在試驗臺架上。車身前后要水平調正，可用水平尺檢驗。剛性替代件及夾具在加載過程中的最大變形可通過位移百分表或千分表在加載過程中進行監測，工裝的左右不對稱性將直接影響試驗數據的非對稱性。

2.3　傳感器布置

按照仿真模型中設置的各測點坐標，沿車身長度方向在縱梁及門檻梁上左右對稱布置傳感器對，如圖7所示。在前后風窗和左側車門門口布置傳感器并進行變形量的測量，如圖8所示。

圖8　前后風窗及左側車門門洞傳感器布置及測量示意圖

2.4　扭轉剛度試驗

2.4.1預加載

試驗前，對車身順逆時針各施加3次預載荷，預載荷大小為試驗最大扭矩（2 000 N·m）的一半，以消除車身與夾具連接間隙和車身下沉等對測量結果的影響。

2.4.2加載及測量

對白車身前軸施加扭矩，以500 N·m逐級遞增至2 000 N·m，每500 N·m采集1次各測點的變形量，順逆時針各做1次為1組，共做3組，3組數據取平均值。若白車身需要加裝風擋玻璃、四門兩蓋及副車架等結構件需重復試驗。

2.5　彎曲剛度試驗

2.5.1預加載

試驗前，先對車身施加3次垂直預載荷，大小為最大載荷（1 000 N）的一半，以消除車身與夾具連接間隙和車身下沉等對測量結果的影響。

2.5.2加載及測量

在每個座椅位置上施加垂直載荷，以250 N逐級遞增至1 000 N，施加3次載荷并記錄試驗結果。若白車身需要加裝風擋玻璃、四門兩蓋及副車架等結構件需重復試驗。

3　對標結果

3.1　仿真與試驗結果對比

通過對某車型白車身靜剛度的仿真分析和試驗測試，得到該白車身扭轉和彎曲工況下的靜剛度數值，對比兩者結果顯示誤差分別為4.0%和8.9%，如表5所示。

表5　白車身靜剛度仿真與試驗對比表

3.2　仿真與試驗影響因素

扭轉剛度仿真分析中，前懸球鉸位置到加載點的Z向距離是個敏感參數，隨著距離的減小扭轉剛度也減小，當距離≤100 mm時，仿真剛度數值趨于穩定。彎曲剛度仿真分析中，后懸約束方式對結果影響較大，鑒于對標試驗一致性采用單點約束Z向平動自由度；此外，前懸測點與前彈簧座加強板位移相差0.02 mm，可用來近似修正前懸局部變形。

彎曲剛度試驗測試中，前懸球鉸螺栓應處于擰緊卻不帶預緊力狀態，確保多次試驗數據一致性；鑒于后懸測點對局部剛度敏感程度較高，后懸鋼球約束位置增加厚度為2 mm的鋼板，避免縱梁在加載過程中產生較大的局部塑性變形。

4　結論

文章以某車型白車身為研究對象，詳細闡述了彎曲扭轉剛度的仿真分析方法及試驗測試流程。對標過程中，找到了影響仿真精度和試驗穩定的敏感因素并給出解決辦法，著重對彎曲剛度的數據后處理采用“梯形法”修正，使得二者對標結果良好，攻克了困擾各主機廠的一項難題。因此在汽車研發初期，通過仿真分析車身靜剛度特性是否滿足工程性能目標值的方法將大大節約研發成本，后期通過試驗測試驗證該特性，仿真和試驗二者結合相輔相成，進而為車身輕量化奠定可靠的基礎。