某汽車白車身強度分析及優化

徐進磊,彭子語,石國奧,陶沙,沈保山

無錫職業技術學院 汽車與交通學院，江蘇無錫 214121

0 引言

車身是汽車的關鍵總成之一。車輛在正常行駛中,車身會承受各種路況下的沖擊。如果車身的強度不足，則會導致車身部件塑性變形，甚至出現局部開裂和整體斷裂，嚴重影響汽車的安全性能和使用壽命。車身的強度是衡量汽車安全性能的重要指標。因此在汽車研發中車身的設計以及優化是十分重要的。車身擁有較高的強度可以大大降低交通事故帶來的危險和經濟損失。

為此，本文使用有限元分析軟件對某白車身進行了強度分析，并根據分析結果對不合格的部件進行了結構優化及驗證，解決了某些部件局部應力過大的問題，提高了整車的強度。

1 車身強度建模及分析

1.1 分析模型的建立

將車身幾何模型導入ANSA中對模型進行幾何清理。通常對于鉸鏈、加強塊等厚度大的部件采用六面體實體劃分，厚度方向需要至少三排的網格。對于鈑金件、玻璃等薄且部件各位置厚度相同的部件進行抽中面處理。并且對螺栓孔進行Washer處理，以保證模型計算結果的準確性。

在有限元建模軟件中由殼單元四邊形Cquad4和三角形Ctria3來模擬車身結構，采用的網格尺寸為8 mm×8 mm。網格劃分需滿足:①有限元模型要盡可能與幾何模型相似，以保證有限元分析的準確性；②避免單排網格及單邊連接網格，增強模型計算的可行性；③網格劃分中單元的雅克比、翹曲度、最小邊及最大、最小角度應滿足網格質量要求；④模型中的大部分網格是四邊形網格，少量網格是三角形網格，三角形網格占比不能超過總網格的5%；⑤對于鈑金搭接、焊點連接的法蘭邊，至少保留2～3排網格單元。當網格劃分完成后需要對網格質量進行檢查，以保證網格質量滿足要求。網格質量差則會導致計算出錯。

白車身大部分部件的連接方式為焊接，少量部件采用螺栓連接和黏膠連接。焊點采用實體單元和RBE3單元模擬，焊縫和螺栓連接采用RBE2單元模擬，黏膠采用實體單元、RBE2單元和RBE3單元共同模擬。

在前后排座椅的點H、發蓋質心位置、各車門質心位置、儀表盤質心位置、空濾器質心位置、蓄電池質心位置建立Mass單元用于模擬人員質量、發蓋質量、各車門質量、儀表盤質量、空濾器質量、蓄電池質量。將這些質量單元與車上對應的連接孔采用RBE3單元連接起來,模型建立完畢后為各個部件賦予相應的屬性。

1.2 工況定義

1.2.1 邊界條件

約束車身與底盤各連接點，如圖1所示。門檻梁上前左約束、、方向自由度，前右約束、方向自由度，后左約束、方向自由度，其余與底盤的連接點位置均約束方向自由度。

圖1 車身約束示意

1.2.2 載荷加載

商用車在實際的行駛過程中會出現多種工況，選擇其中最常見的3種工況，即垂向沖擊、制動和轉彎。在該模型中施加各向重力加速度以模擬車輛在各工況下的加載工況，工況設置見表1。

表1 工況設置

2 分析結果

垂向沖擊工況應力云圖如圖2所示。垂向沖擊工況下，座椅前橫梁在最大應力值為298.3 MPa，后地板縱梁的最大應力值為329.5 MPa。兩個部件材料均為DC01，屈服極限為190.9 MPa，故這兩部件均不滿足強度要求。

圖2 垂向沖擊工況應力云圖

制動工況應力云圖如圖3所示。制動工況下，座椅前橫梁最大應力值為228.0 MPa，后地板縱梁的最大應力值為118.8 MPa。座椅前橫梁的最大應力大于材料屈服極限，不滿足要求。

圖3 制動工況應力云圖

轉彎工況應力云圖如圖4所示。轉彎工況下，座椅前橫梁最大應力值為87.9 MPa，后地板縱梁最大應力值為89.6 MPa。兩部件均滿足屈服極限要求。

圖4 轉彎工況應力云圖

3 結構優化

3.1 改進方案

針對以上計算結果所反映出來的問題，對各部件進行了結構優化，如圖5和圖6所示。

圖5 座椅前橫梁結構優化前后對比

圖6 后地板縱梁結構優化前后對比

由圖5可知，圖中的孔為座椅安裝孔，其承受的乘員重力沖擊較大。而原結構安裝孔周圍沒有任何特征，剛度及強度均較低，故對該部件的座椅安裝孔位置添加了凸臺特征。

由圖6可知，原部件的彎曲部位應力集中，同時考慮到部件成型過程中容易引起該區域料厚變薄，存在殘余應力等問題，需對該區域進行加強，故在該部件的彎曲部位添加加強筋。

3.2 優化結果

垂向沖擊工況下座椅前橫梁優化后結構應力云圖如圖7所示，制動工況下座椅前橫梁優化后結構應力云圖如圖8所示。

圖7 垂向沖擊工況下座椅前橫梁優化后結構應力云圖

圖8 制動工況下座椅前橫梁優化后結構應力云圖

由圖7可知，在垂向沖擊工況下，該部件最大應力為162.8 MPa；由圖8可知，在制動工況下，該部件在下最大應力為124.0 MPa。部件最大應力均低于該材料的屈服極限。

垂向沖擊工況下后地板縱梁優化后結構應力云圖如圖9所示。此時該部件在垂向沖擊工況下的最大應力為187.0 MPa，部件所受應力低于該部件所用材料的屈服極限。

圖9 垂向沖擊工況下后地板縱梁優化后結構應力云圖

4 結論

(1)利用有限元法對白車身進行了強度性能分析，發現了座椅前橫梁和后地板縱梁局部應力過大的問題；

(2)對這兩不合格部件進行了結構優化，座椅前橫梁在垂向沖擊工況下的最大應力由298.3 MPa降為162.8 MPa；在制動工況下的最大應力由228.0 MPa降為124.0 MPa；后地板縱梁在垂向沖擊工況下的最大應力由329.5 MPa降為187.0 MPa，達到了設計目標。