基于鋁合金減振器塔的鋼鋁混合白車身剛度分析與研究

魯后國，趙震，闞洪貴

基于鋁合金減振器塔的鋼鋁混合白車身剛度分析與研究

魯后國，趙震，闞洪貴

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230000）

文章基于搭載鋁合金減振器塔的某鋼鋁混合白車身，介紹了利用有限元軟件對白車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度分析的理論方法、模型建立、約束邊界和分析結(jié)果，具有一定參考意義。

鋁合金減振器塔；有限元分析；扭轉(zhuǎn)剛度；彎曲剛度

引言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和消費者生活水平的提高，汽車內(nèi)部的舒適性等NVH性能越來越受到重視，而白車身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。本文基于搭載鋁合金減振器塔的某鋼鋁混合白車身，介紹了利用有限元軟件，對白車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度分析的理論方法、模型建立、約束條件等過程和結(jié)果，具有一定參考意義。

1 分析與研究

1.1 理論計算公式

彎曲剛度：約束前減振器安裝點處向平動自由度；后懸安裝點處約束、、向平動自由度，在每處座椅位置分別施加垂向載荷F后得到最大彎曲位移量max，彎曲剛度受力簡圖如圖所示[1]。

圖1 白車身彎曲剛度受力簡圖

彎曲剛度EI由公式（1）求得：

扭轉(zhuǎn)剛度：約束后懸安裝點處X、Y、Z向平動自由度，并在前減振器兩安裝處約束MPC的Z向自由度，在左右前懸置安裝處施加大小相等、方向相反的兩個集中力F，形成繞軸扭矩M，扭轉(zhuǎn)剛度受力簡圖如圖2所示[2]。

圖3中的力可由公式（2）求得：

式中，為左右兩懸置的距離。

圖中1、2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(zhuǎn)角θmax可由公式（3）求得：

扭轉(zhuǎn)剛度K由公式（4）求得：

1.2 有限元模型建立

基于鋁合金減振器塔的鋼鋁混合白車身3D數(shù)模建立的有限元分析模型如下圖3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，焊縫、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。

圖3 白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析模型

1.3 邊界條件

1.3.1彎曲工況邊界條件

約束前減振器安裝點處Z向平動自由度；后懸安裝點處約束X、Y、Z向平動自由度，在每處座椅位置分別施加1 666 N的垂向載荷，如圖4所示。

模擬工況：車輛滿載時的受力及變形情況。

圖4 白車身彎曲剛度分析邊界條件

1.3.2扭轉(zhuǎn)工況邊界條件

約束后懸安裝點處、、向平動自由度，在前減振器安裝處施加大小相等、方向相反的兩個集中力，形成繞軸2 000 Nm的扭矩，并在前減振器兩安裝處約束MPC的向自由度，如圖5、圖6所示。

模擬工況：當車前輪遇到突起物抬起時，此時發(fā)生的扭轉(zhuǎn)變形最為嚴重。

圖5 白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析邊界條件

圖6 白車身加載點間的距離

1.4 分析結(jié)果

1.4.1變形云圖

圖7 彎曲工況Z向位移云圖、扭轉(zhuǎn)工況Z向位移云圖

1.4.2車身變形曲線

圖8 白車身剛度測點分布圖

以白車身左右門檻梁底部翻邊節(jié)點為考察點，提取考察點的Z向位移值，并依此繪制白車身彎曲、扭轉(zhuǎn)變形曲線，如圖9、10所示。

白車身彎曲變形曲線，如圖9所示：

白車身扭轉(zhuǎn)變形曲線，如圖10所示：

白車身左、右門檻梁Z向最大位移、剛度值如表1所示。

白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析加載點Z向位移、扭轉(zhuǎn)角度、剛度值如表2所示。

表1 白車身彎曲剛度分析結(jié)果

項目分析結(jié)果 白車身左縱梁Z向最大位移/mm?0.349 白車身右縱梁Z向最大位移/mm?0.388 白車身縱梁平均位移最大值/mm?0.369 彎曲剛度值/（N/mm)18 084

表2 白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

項目分析結(jié)果 左側(cè)加載點Z向位移/mm?0.619 右側(cè)加載點Z向位移/mm0.604 扭轉(zhuǎn)角度/°0.073 扭轉(zhuǎn)剛度值/（N?m/°）27 571

白車身扭轉(zhuǎn)角度計算公式：

＝180oarctan[(1-2)/]/（5）

式中：為考核點的扭角；1為左測點的向變形值；2為右測點的向變形值；為左右測點向距離。

根據(jù)分析計算，搭載鋁合金減振器塔的鋼鋁混合白車身彎曲剛度值為18 084 N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度值為27 517 Nm/°，均達成目標值，并優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼制白車身，如表3所示。

表3 白車身彎曲/扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

分析內(nèi)容彎曲剛度/(N/mm)目標值扭轉(zhuǎn)剛度/（N/mm)目標值 CII iev_鋼制17 537>18 00027 106>25 000 CII iev_鋁合金18 08427 571

2 結(jié)語

本文基于搭載鋁合金減振器塔的某鋼鋁混合白車身，介紹了利用有限元軟件，對白車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度分析的理論方法、模型建立、約束條件等過程和結(jié)果，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(jié)省大量的開發(fā)時間和成本；有限元分析的介入可以為汽車設(shè)計方案的制定和驗證提供了行之有效的解決方案。通過分析計算，搭載鋁合金減振器塔的鋼鋁混合白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度均達成目標值，并優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼制白車身，具有一定參考意義。

[1] 鄧曉龍,馮國勝,李鵬飛,等.基于ANSYS Workbench的某轎車車身剛度研究[J].石家莊鐵道大學學報(自然科學版),2016,29(01):64-68.

[2] 趙震,單長洲,王香廷.基于有限元分析的某重卡白車身扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化設(shè)計[J].汽車實用技術(shù),2018(23):254-256.

Stiffness Analysis and Research of Steel-aluminum Hybrid Body in White Based on Aluminum Alloy Shock Absorber Tower

LU Houguo, ZHAO Zhen, KAN Honggui

（JAC Technical Center, Anhui Hefei 230000 )

This paper is based on a steel-aluminum hybrid body-in-white equipped with aluminum alloy shock absorber tower, this paper introduces the theoretical method, model establishment, constraint boundary and analysis results of torsional stiffness and bending stiffness of body in white by using finite element software, which has certain reference significance.

Aluminum alloy shock absorber tower; Finite element analysis; Torsional stiffness; Bending stiffness

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.015

U463.33+5.1

A

1671-7988(2021)21-60-03

U463.33+5.1

A

1671-7988(2021)21-60-03

魯后國（1980—），男，在職工程碩士，高級工程師，安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心設(shè)計總監(jiān)，主要研究方向：汽車車身設(shè)計。

復雜薄壁壓鑄鋁合金零部件成形與應用關(guān)鍵共性技術(shù)研究項目（2016YFB0101603）。