基于白車身扭轉剛度的板厚靈敏度分析

田佩，華睿

基于白車身扭轉剛度的板厚靈敏度分析

田佩，華睿

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要介紹了一種白車身扭轉剛度的板厚靈敏度分析的方法，用于分析白車身扭轉剛度工況下整體扭轉角相對零件單位厚度質量的變化量，即計算設計變量△d相對零件單位厚度質量△m的變化量，稱為扭轉角相對靈敏度，通過對相對靈敏度結果進行排序，結合實際工程約束條件，為提升扭轉剛度性能或輕量化設計提供較合理的厚度分配方案。

白車身剛度；CAE；厚度靈敏度

引言

白車身的剛度是整車設計的一個重要指標，它決定了車輛在外力作用下抵抗變形的能力。白車身剛度與整車的NVH性能及操縱性，耐久性等均有一定的關聯。通常我們主要關注兩個車身剛度指標，即扭轉剛度及彎曲剛度。如何在一定的成本及重量控制下盡可能提升白車身剛度是目前各車企研究的方向，本文主要通過一種研究車身板件厚度靈敏度的方法為車身剛度提升提供合理的厚度設計參考。

1 術語、定義及名詞解釋

白車身BIW：Body in White，僅經過車身總拼，即通過焊接、鉚接、粘膠等工藝連接而成，而未經過涂裝、裝配底盤、車門和玻璃等的車身，本分析除白車身外還包括前檔玻璃。

剛度：抵抗變形的能力，是載荷與位移成正比的比例系數，即引起單位位移所需的力。

靈敏度分析：研究與分析一個模型的狀態或輸出變化對系統參數或周圍條件的敏感程度。本流程中可簡單說成：設計變量（厚度）在約束條件下發生變化，某些參數（大梁測點位移量）的變化程度，或參數變化與零件相應的質量變化的比值。

2 基本要求

2.1 軟件要求

前處理：HyperMesh；求解器：OptiStruct；后處理：HyperView。

2.2 數據要求

白車身模型數據。

3 主要內容

本流程包括邊界條件、靈敏度分析建模、提交計算和后處理四步驟。

3.1 邊界條件

加載：左右前懸中心位置加載垂向反對稱力（大小為前軸載荷的一半）；

約束：約束前保險杠中點的3自由度，分別約束后懸左、右支座123自由度和13自由度。

圖1 左右前懸中心位置加載垂向反對稱力

4.2 靈敏度分析建模

創建靈敏度分析變量、響應、響應約束、設計目標及卡片參數等。

4.2.1 靈敏度分析變量的創建

在視圖工具欄，屬性模式顯示所有部件；進入Compon -ent面板，將左右對稱的且厚度相同的兩個零件賦予同一個屬性；進入Delete面板，依次刪除空的屬性和材料，進入display，只顯示需要進行靈敏度分析的零件（0D單元、1D單元、3D單元、非關鍵區域小板件除外）；進入Renumber 面板，對需要進行靈敏度分析的屬性ID重新由小到大排序（為方便后處理中的數據整理，建議由1開始排序），選擇需要進行靈敏度分析的屬性（即當前顯示的全部屬性）；進入Tool面板，重新命名全部屬性，名稱前綴為字母，如：s，以ID號結尾；進入Assemblies面板，創建新的assembly，選擇當前顯示的所有comps；進入Analysis面板，選擇當前顯示的所有props，設置變量上下限參數；單擊create→return，靈敏度分析變量創建完成。

4.2.2 響應的創建

創建位移響應，即前、后懸對應大梁測量點的Z向位移；創建函數響應，大梁測量點位移的關系函數，即扭轉工況整體扭轉角：創建質量響應，約束模型整體應變能，保證剛度。

（1）如下圖所示，創建扭轉角函數：

圖2 扭轉角函數

其中字母x1,x2代表前懸對應左、右大梁測量點位移響應，y1,y2代表后懸對應左、右大梁測量點的位移響應；數值906.942,991.204分別為前后懸對應大梁測量點間Y向距離（在所分析的模型中量取得到）。

（2）創建函數響應：選擇上一步創建的函數（這里創建的函數名稱為f）。

進入edit面板，依次選擇函數f中x1,x2,y1,y2對應的四個位移響應，并選擇扭轉工況。

4.2.3 響應約束的創建

進入Analysis面板，創建響應約束，設置變化范圍，即通過白車身剛度分析后處理得到，上限的絕對值應小于初始值的絕對值，下限為零。

4.2.4 設計目標的設置

以整體質量最小為設計目標。

4.2.5 優化控制參數設置

對優化過程及結果進行控制。

參數定義：

4.2.6 卡片參數設置

進入Analysis面板，設置卡片參數

卡片①：

卡片②：

卡片③：

圖3 卡片參數設置

卡片①用于優化過程中取消模型網格質量檢查，減少調試時間。

卡片②用于顯示優化迭代輸出窗口，輸出設計變量，響應，目標函數的變化。

卡片③表示靈敏度分析。

4.3 提交運算

將以上建模導出fem格式，提交求解器Optistruct進行計算。

4.4 后處理

（1）計算完成后，啟動HyperView打開結果文件s*.h3d，查看位移云圖，對比初始模型計算結果。若云圖分布出現異?；蚺c原模型結果差別較大，則需檢查分析變量、響應、響應約束等，找到原因，調試后提交計算，以得到合理的分析結果。

合理的分析結果的位移云圖：

圖4 位移云圖

（2）在計算文件存放路徑中，找到初次迭代生成的***.slk文件，用Excel打開，為了避免后續操作失誤，將ID所在列的數字部分刪除。

圖5 初次迭代數據

（3）在第M列列出△d/△m，然后將數據區域以M列為關鍵字，升序排序。

于是表中屬性相對靈敏度由高到低列出。

（4）添加slk表格中屬性的中文名稱或零件號。

打開計算模型文件，根據slk表格中屬性名稱數字（即屬性ID），找到賦予該屬性的零件：

圖6 操作示意

步驟③④使對應的零件高亮顯示：

重復步驟③④，找到各屬性對應的零件，在slk表中添加中文名稱：

圖7 slk表

根據靈敏度高低，確認可實施方案。

5 總結

本文通過以上基于料厚的白車身扭轉剛度靈敏度分析，可識別出最優的白車身料厚分配，從而達成扭轉剛度性能及重量的綜合優化，在滿足性能的前提下，可以實現最大化降低整車成本及整車重量，提高產品設計準確性，指導實現車身輕量化的設計工作。

[1] 黃金陵.汽車車身設計[M].機械工業出版社.2008.

[2] 羅偉,周定路.白車身扭轉剛度分析與優化探討,2006.

[3] 王勖成.有限單元法[M].清華大學出版社.2003.

[4] 郭乙木,陶偉明.線性與非線性有限元及其應用[M].機械工業出版社.2003.

Thickness Sensitivity Analysis Based on Torsional Stiffness of BIW

Tian Pei, Hua Rui

（Anhui Jianghuai Automotive Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

The paper mainly introduces a thickness sensitivity analysis method for the torsional stiffness of BIW, which is used to analyze the variation of the vehicle torsional angle relative to the unit thickness mass of parts under the condition of the torsional stiffness of BIW, that is, the design variable △d is calculated, and the change amount relative to the unit thickness mass △m of the part is called the torsion angle relative response, by sorting the relative response results and combining the actual engineering constraints, a more reasonable thickness distribution scheme is provided for improving torsional stiffness performance or lightweight design.

Stiffness of BIW; CAE; Thickness sensitivity

U463.82

A

1671-7988(2019)13-85-03

U463.82

A

1671-7988(2019)13-85-03

田佩，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.030