基于有限元分析的某重卡白車身扭轉剛度優化設計

趙震，單長洲，王香廷

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

1 引言

隨著汽車技術的發展和消費者生活水平的提高，汽車內部的舒適性等 NVH性能越來越受到重視，而白車身扭轉剛度是作為汽車性能的重要評價指標之一，直接影響車輛的NVH性能。本文基于有限元軟件分析，簡單介紹白車身扭轉剛度的分析方法；并以某款重卡白車身為例，重點論述了在前期開發設計過程中，通過優化關鍵鉸接點的斷面結構，并輔以有限元軟件的模擬計算，最終實現了扭轉剛度的目標要求。

2 分析過程

2.1 模型建立

圖1 白車身扭轉剛度分析模型

基于車身3D數模建立的有限元分析模型如下圖1所示，鈑金及頂蓋采用SHELL單元模擬，點焊采用ACM單元模擬，粘膠采用Adhesive單元模擬，螺栓采用RBE2單元模擬。過程中使用的有限元分析軟件有HYPERMESH、NASTRAN和HYPERVIEW。

表1 材料屬性

2.2 邊界條件

模擬工況：當車前輪遇到突起物抬起時，此時發生的扭轉變形最為嚴重。約束：前懸位置處約束Z向平動自由度，后懸處約束XYZ向平動自由度；加載：前懸位置施加2000Nm扭矩。

圖2 白車身扭轉剛度分析邊界條件

2.3 計算公式

在左右前懸處施加的扭矩M可轉化為兩個大小相等、方向相反的力F分別作用在左前和右前懸置處。

圖3 白車身扭轉剛度分析簡圖

圖3中的力F可由公式（1）求得

式中，L為左右兩懸置的距離；

圖中u、h為左右懸置處豎直方向位移量，則車身相對水平面的最大扭轉角θmax可由公式（2）求得

扭轉剛度Kt由公式（3）求得

2.4 分析結果

根據分析計算，初始方案的白車身扭轉剛度值為 22222 Nm/°，低于目標值24000Nm/°（標桿車），未達標。

2.5 關鍵要素識別

根據設計經驗，白車身地板框架結構、閉環的空腔體結構、A柱、B柱等重點部位的鉸接結構等幾個方面對扭轉剛度有重要影響，因此是優化的重點；借助有限元分析模擬過程中的動態變形云圖，可以進一步直觀的識別出變形量較大的區域，如下圖6所示。

圖4 白車身扭轉變形云圖及剛度測點分布圖

圖5 白車身扭轉剛度測點變形曲線

表2 初始方案分析結果

圖6 白車身扭轉變形云圖（動態截圖）

從圖中可以看出白車身在A柱上、下鉸接點位置變形量較大，與設計經驗也相符合，即證明該部位的鉸接強度較弱，是優化改進的重點。

2.6 優化方案說明

根據識別出的重點區域的結構特征，制定了針對性的優化方案，主要從斷面結構優化方面著手。車身斷面的幾何性質包括截面形狀和大小，與之相關的物理量是截面面積和截面慣性矩，截面面積和截面慣性矩是計算截面剛度的主要參數，是影響白車身剛度特性的重要因素。因此進一步優化斷面結構對改善扭轉剛度有重要意義。

2.6.1 A柱上鉸接點優化

圖7 A柱上鉸接處優化方案圖示（A-A截面）

云圖顯示A柱上鉸接處（A-A截面）變形量較大，剛度較弱，改善重點是優化A柱內板鉸接處截面，增大空腔結構面積，如圖7所示。

表3 截面慣量

從表3看出，優化方案使鉸接處的截面面積和截面慣性矩均有提高，對扭轉剛度的提高有積極作用。

2.6.2 A柱下-前圍兩側鉸接點優化

云圖顯示A柱下-前圍兩側與側圍鉸接處（B-B截面）變形量較大，剛度較弱，改善重點是優化鉸接處截面，增大前圍兩端空腔截面，如圖8所示。

圖8 A柱下鉸接處優化方案圖示（B-B截面）

表4 截面慣量

從表4看出，優化方案使鉸接處的截面面積和截面慣性矩均有提高，對扭轉剛度的提高有明顯作用。

2.6.3 前圍與地板連接處優化

進一步分析發現，前圍總成與前橫梁連接處（C-C截面）的中間地板上有個大缺口，且缺少橫梁支撐，對扭轉剛度有不利影響，改善重點是優化橫梁結構，將Z字形梁改為U字形梁，如圖9所示。

圖9 前圍與地板連接處優化方案圖示（C-C截面）

表5 截面慣量

從表5看出，優化方案使橫梁的截面面積和截面慣性矩均有大幅提高，對扭轉剛度的提高有顯著作用。

2.7 優化結果

利用有限元分析軟件，將3個優化方案涉及的產品件重新建模，網格處理等，再重新導入分析軟件進行計算，得到的扭轉剛度曲線和結果如下所示。

結果顯示，優化后的扭轉角度減小，扭轉剛度值 24038 Nm/°，達到目標值24000Nm/°。

圖10

表6 優化方案分析結果對比

3 結論

在A柱上、下鉸接處、前圍與地板連接處結構優化對于白車身扭轉剛度的提升是有效且顯著的。

有限元軟件強大的模擬計算能力使大量繁瑣的工程問題簡單化，可以節省大量的開發時間和成本；有限元分析的介入可以為汽車設計方案的制定和驗證提供了行之有效的解決方案。

此外，本文所論述的優化方案主要涉及到鈑金鉸接處結構優化，存在一定局限性（造成車身重量增加）；新材料、結構膠的應用等對白車身剛度提升和輕量化也至關重要，后期將做進一步研究分析。