白車身關鍵接頭截面幾何域載荷分布研究

馬書坤 賢慧

摘 要：為了研究耐久路面工況下白車身關鍵接頭截面上各個零件的真實受力分布情況，本文提出了一種白車身關鍵接頭截面幾何域載荷分布研究。通過多體動力學載荷分解方法得到真實的耐久路面工況，在此工況下結合截面幾何域的建立方法和有限元準靜態計算方法得到白車身關鍵接頭截面在幾何域的載荷分布情況，并驗證得到的接頭截面幾何域載荷的一致性。本研究為車身設計及優化提供了量化載荷的指導，對更好的進行汽車車身設計具有重要的意義。

關鍵詞：白車身 截面幾何域 多體動力學 有限元分析

1 引言

汽車白車身接頭的關鍵截面設計是汽車設計的關鍵環節，車身整體布置和外型尺寸往往受到車型定位和造型的限制，改動余地較小;而車身關鍵接頭截面和接頭結構的設計余地較大，合理設計車身關鍵截面和接頭對整個車身結構設計至關重要[1-3]。目前行業內對于白車身接頭截面的結構設計主要依據對標車或者基型車的截面形狀，在此基礎上采用一定的優化手段進行改良，但是對于為什么要設計成這種截面、這種截面具體受力形式如何、最終的效果如何，在前期不能準確的了解掌握，只能等到詳細設計階段進行分析優化，但是在詳細設計階段車身結構基本已經定型，只能進行局部細節的改良，而且后期的結構改動需要付出比較大的代價[3-6]。

為了提高前期研發階段車身設計質量，在概念設計的時候能夠得到最好的截面形狀與截面特性、減少樣車試驗階段反復修改工作、縮短響應的研發周期，汽車設計工程師付出了辛勤的工作與大量精力，希望能夠在設計的前期設計出能夠有利于性能設計的接頭截面[6]。但是目前研究的主要方向在于接頭截面的形狀對不同性能的影響或者是不同接頭形狀截面對截面合力的影響，對于單獨一個接頭截面各個零件具體的受力分布情況相關方面的研究較少[3]。目前國內各大汽車道路試驗場中，白車身對疲勞耐久路面的受力工況比較敏感，所以本文主要研究在典型耐久扭曲工況載荷情況下白車身關鍵接頭截面各零件基于幾何域載荷分布情況，得到耐久疲勞路面工況下基于幾何域的白車身關鍵接頭截面載荷分布情況，了解接頭截面各個零部件的受力分布情況，使工程師對接頭截面載荷分布的認識從定性了解轉變為定量的認識，能夠更好的優化車身結構，對白車身的結構設計具有十分重要的價值[3，4]。

2 基于多體動力學的耐久扭曲路面工況硬點載荷分解

本文選取了某品牌汽車的一款車型作為研究目標，該車型的前懸為麥弗遜懸架，屬于常用懸架類型。后懸為縱置鋼板彈簧懸架，該類型懸架既有彈簧裝置的功能，同時又具有導向機構的功能，如圖1所示。

建立了基于Adams的前后懸架多體動力學模型后，根據真實的K&C測試數據對搭建的Adams前后懸架多體動力學模型的K&C進行動力學對標分析，保證模型K&C的對比精度，保證多體模型可以進行準確的多體動力學載荷分解[3，7，8]。將某整車試驗場典型耐久扭曲路面下疲勞分析工況作為載荷輸入，結合多體動力學載荷分解方法，計算得到該工況下車身與底盤連接的各個硬點位置的準確載荷分布數據，將整車硬點載荷數據加載到整車簧上有限元模型進行靜力學分析獲取車身關鍵界面位置的載荷。

3 白車身關鍵截面的幾何域建立

為了準確描述關鍵界面位置的載荷，選擇車身關鍵截面，根據截面形式進行截面幾何域的建立，利用幾何域載荷的形式進行截面真實受力的表現。

2.1 關鍵截面的選取

根據耐久扭曲路面工況載荷形式及車身變形的方式，選取D柱上接頭的3個截面作為本次研究分析對象，如圖2所示。

截面T11C、T02E、T03C的幾何外形如圖3、圖4、圖5所示。

2.2 截面幾何域建立

現實中白車身的接頭截面結構復雜，在XYZ三個方向上受力形式多樣，所以一般的二維X、Y坐標系無法準確的描述白車身接頭截面某一零件的載荷分布情況。為了準確清晰的把白車身關鍵接頭截面各個零部件的受力載荷分布情況表達出來，本文引入幾何域的概念。

幾何域：根據組成截面零件的幾何形狀，沿著幾何形狀的輪廓其在其長度方向上建立一個一維的坐標軸，按照一定的標尺建立度量基準，這樣就對組成截面的每個零件建立了一個幾何域的坐標，同樣也可以對組成截面的所有零件建立一個整體的幾何域坐標[3]。

本文以10mm為標尺度量基準，建立T11C截面、T02E截面、T03C截面上各個零件基于幾何域的坐標，如圖6、圖7、圖8所示。在同一輪廓線上的兩個零件的基于幾何域的坐標采用連續的表達方式。

4 白車身關鍵接頭截面幾何域載荷分布分析

將第一節表2中求解的白車身與底盤相連接位置的硬點載荷作為整車FE模型的載荷輸入，加載到模型的對應硬點位置上，通過對白車身FE模型的慣性釋放來進行有限元準靜態分析計算，得到上述三個接頭截面的幾何域載荷分布情況。

在耐久扭曲路面工況下，截面T11C基于幾何域各坐標點的A零件和B-C零件的截面節點力分布情況分別如圖9、圖10所示。

截面T02E基于幾何域各坐標點的A零件和C零件的截面節點力分布情況分別如圖11、圖12所示。

截面T03C中基于幾何域各坐標點的D零件、E零件、F零件的截面節點力分布情況分別如圖13、圖14、圖15所示。

通過上述3個截面各個零件在耐久扭曲路面工況下基于幾何域的載荷力分布情況，分析得出：

（1）截面T11C主要承受Z向載荷力，截面T02E主要承受X向載荷力，截面T03C主要承受Y向載荷力。通過截面幾何域的載荷分布結果，可以精確的得到接頭截面各零件的受力分布形式。（2）如圖16所示，截面T11C的主要受力區域為G區域，且承受主要載荷的零件為B零件，因此在接頭截面設計時應該更多的加強該區域，同時輕量化其他零部件。（3）同一截面上各個零部件之間的受力分布情況不完全一致，不是傳統認知上的接頭截面各個零件受力形式一致。這同時也說明接頭截面的幾何中心和截面幾何域的載荷受力中心不在同一點上，相互之間存在一定的距離。（4）通過截面T03C的各個零部件基于幾何域受力分布情況可以看出，以D、E零件組成的腔體沒有起到應有的主要傳力路徑的作用，反而不該承受較大載荷的F零件承受了較大的力。（5）在扭曲路面工況下的接頭截面在幾何域的受力分布，主要表現為三個方向上的彎曲變形。

上述結論表明了白車身關鍵接頭截面幾何域載荷分布研究對整個車身結構的疲勞、強度、模態、剛度、NVH、輕量化等性能的提升具有重大意義。

5 白車身關鍵接頭截面幾何域載荷分布驗證

選取上述3組截面圍成的D柱上接頭作為研究對象，采用接頭截面幾何域的建立方式建立基于有限元的子系統網格模型[3]，并將第3節中求解的三個接頭截面的各個零件的幾何域載荷施加在接頭子系統的有限元模型上，詳細如圖17所示。

利用Nastran求解器在慣性釋放的基礎上，對接頭子系統有限元模型進行靜力學分析，得到該模型的整體應力強度狀態，結果如圖18所示。

如圖19所示，將表2提取的耐久扭曲路面工況下的車身與底盤連接的各個硬點位置的準確載荷分布數據，施加到白車身整車有限元模型的相對應硬點位置上。

利用Nastran求解器在慣性釋放的基礎上對白車身整車有限元模型進行有限元靜力學應力分析，得到白車身整車的應力強度分析結果。在整車應力強度分析中，對應的D柱上接頭位置的應力強度分布結果如圖20所示。

根據圖18、圖20的應力分析結果可知，基于幾何域截面載荷的接頭截面子系統有限元模型的應力分布與整車有限元模型中對應位置的接頭應力分布情況一致，應力分析結果的偏差在5%以內，一致性較好，充分的證明了基于截面幾何域方法得到的接頭截面零部件的受力分布情況的準確性和有效性，完全可以滿足對白車身關鍵接頭截面上各個零件的真實受力分布情況的研究。

6 結語

本文主要研究了白車身關鍵接頭截面各個零部件的載荷分布情況，提出了一種截面幾何域的建立方法，通過這種方法，準確、清晰的表達了白車身接頭截面上各個零件的受力狀態，完成了對接頭截面各個零部件載荷分布形式的認知從定性分析到定量分析的轉變，能更好的指導白車身接頭的結構形狀設計。通過接頭子系統和整車對應位置上的應力分析對比，證明了該方法得到的接頭截面載荷分布的準確性和有效性。該研究對整個車身結構的疲勞、強度、模態、剛度、NVH、輕量化等性能的提升具有重大意義，具有較大的研究價值和應用前景。

參考文獻：

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