基于多體模型載荷分解的物流車骨架強(qiáng)度分析

摘 "要：車身骨架作為整車承載系統(tǒng)，其強(qiáng)度對整車性能及乘員安全有重要的影響，鑒于車輛運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜性，工程師很難準(zhǔn)確地獲取車身骨架的受載和邊界約束。本文以某新開發(fā)的物流車為例，使用MotionView軟件建立多體模型，對八種典型極限工況進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，獲取了車身接附點(diǎn)的載荷，利用有限元模擬出車身骨架在各工況下的應(yīng)力狀態(tài)，并優(yōu)化了薄弱環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)。通過載荷分解與強(qiáng)度分析，為物流車設(shè)計(jì)過程中的強(qiáng)度校核提供了一套完整的解決方案。

關(guān)鍵詞：車身骨架;多體模型;載荷分解;極限工況;強(qiáng)度分析

中圖分類號：U463.82+2 " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " "文章編號：1005-2550（2022）06-0068-06

The Strength Analysis for Logistics Car Frame Based on The Load Decomposition of Multi-body Model

JING Zhen-yang， HU Liang-wen

（ Zhuhai Guangtong Automobile Co.， Ltd.， Zhuhai 519090， China ）

Abstract： It is important to vehicle performance and occupant safty for the loading system of the car frame， Because of the boundary condition of load and state of motion is very complex， it is very hard to get the accurately loading and boundary constraint. Taking a new logistics car as an example in this paper， the logistics car model is established by using MotionView software， there are eight typical limit loadcase for strength analysis in order to get the force on the contact point. According to finite element method， the stress about car frame is calculated and the struct weakness is also optimized. For the load decomposition and strength analysis of the car frame， a complete set of solutions is established in order to check strength in the whole logistics car design.

Key Words： Body Frame; Multi-body Model; Load Decomposition; Limit Loadcase; Strength Analysis

引 " "言

當(dāng)車輛受到較大載荷時(shí)，全承載式車身能夠迅速擴(kuò)散力流，使車身的骨架結(jié)構(gòu)達(dá)到一種平衡狀態(tài)，提高了整車的安全性能。全承載式車身技術(shù)已在國內(nèi)外客車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，同時(shí)也引領(lǐng)著物流車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)[1]。車身骨架作為主要的承載部件，其強(qiáng)度校核尤其重要。在車輛行駛過程中，車身受到的載荷和邊界條件均來自于懸架。懸架是一套復(fù)雜的多體系統(tǒng)，且實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)多變，手工計(jì)算或簡單試驗(yàn)的方法很難準(zhǔn)確地獲取車身骨架的受載和邊界約束。通過調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]，汽車行業(yè)先進(jìn)的解決方案如下：建立懸架的多體動力學(xué)模型和典型的極限工況，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)仿真分析，提取出各工況的車身各個(gè)接附點(diǎn)載荷，利用慣性釋放算法，進(jìn)行車身強(qiáng)度仿真分析和評估。

目前國內(nèi)公開發(fā)表的物流車強(qiáng)度分析工況及其載荷介紹較少。本文利用HyperWorks平臺的HyperMesh模塊建立車身有限元模型，MotionView/MotionSolve模塊建立懸架多體模型和分解載荷，OptiStruct模塊進(jìn)行靜力學(xué)分析求解，對某新開發(fā)的純電動全承載式物流車車身骨架進(jìn)行強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 " "仿真模型的建立

1.1 " 車身有限元模型

將車身模型適度簡化，移除不必要的非承載件，忽略車身蒙皮和玻璃對車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，注意保證簡化前后結(jié)構(gòu)的傳力路徑、剛度、質(zhì)量、質(zhì)心位置等特征信息基本一致。該車骨架模型包含鈑金梁、埋件等焊接件以及底架的矩形管梁;結(jié)構(gòu)件采用SHELL單元模擬，基本尺寸為10mm;焊縫采用Rigid、seam模擬;座椅、乘客、裝飾件及非金屬件采用RBE3+MASS單元模擬;金屬件及結(jié)構(gòu)安裝件采用RBE2+MASS單元模擬;按滿載狀態(tài)下，通過RBE3+MASS單元將載貨質(zhì)量均布在貨箱骨架上表面節(jié)點(diǎn)上;加上司乘人員2人，白車身有限元模型如圖1所示，單元數(shù)622897個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)648300個(gè)，總質(zhì)量2.7t。

1.2 " 前懸多體模型

該車前懸為雙橫臂式獨(dú)立懸架，可借用Motion View模板庫中的Front Multi-link模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)改進(jìn)模型body與joint，硬點(diǎn)坐標(biāo)及各懸架部件質(zhì)量、慣量可直接在數(shù)模中進(jìn)行量取，保證襯套、彈簧以及限位緩沖塊等彈性元件參數(shù)設(shè)置與實(shí)測值相同，部分剛度值見表1。用梁單元參數(shù)化建模工具NLFEstabar，創(chuàng)建橫向穩(wěn)定桿子系統(tǒng)，本質(zhì)是將一個(gè)構(gòu)件分成多段梁ploybeam連接，各梁間能很好地傳遞軸向力、剪切力、彎矩和扭矩[5]。最后，調(diào)整懸架初始平衡狀態(tài)，使之與實(shí)車一致，如圖2所示：

1.3 " 后懸多體模型

該車后懸為板簧非獨(dú)立懸架，建模方法與前懸基本一致。其中后懸多體模型的建立重點(diǎn)在于襯套、緩沖塊和板簧剛度參數(shù)獲取。通過板簧襯套剛度實(shí)驗(yàn)后，得到如表2所示的三個(gè)平動方向、三個(gè)轉(zhuǎn)動方向剛度。

因限位緩沖塊主要受到垂向作用力，故僅做垂向的剛度實(shí)驗(yàn)，獲得其剛度曲線如圖3所示：

鋼板彈簧是后懸傳遞縱向力和側(cè)向力的重要傳力元件，它是由4片兩端薄中間厚、等寬不等長的合金鋼片疊加而成。車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)，鋼板彈簧同時(shí)存在著大變形、高預(yù)應(yīng)力和各片間復(fù)雜的接觸摩擦，因此，鋼板彈簧的精確建模是比較困難的。MotionView 中鋼板彈簧建模采用的方案是離散梁法，應(yīng)用有限元法的思想，將每段鋼板彈簧都離散成若干段的剛體，且在每段離散的剛體之間都用BEAM梁連接，梁參數(shù)根據(jù)鋼板彈簧截面形狀與材質(zhì)得出，各片之間的接觸利用MotionView 中的接觸力Force定義，該法可以建立與實(shí)際鋼板彈簧性能和形狀接近的模型。本文使用基于MotionView開發(fā)的板簧工具箱Leaf Spring，通過輸入?yún)?shù)，生成所需類型的板簧模型，大大提升了建模效率和精度。具體流程如下：

1）確認(rèn)板簧幾何數(shù)據(jù)的狀態(tài)，一般為設(shè)計(jì)狀態(tài)建模;

2）定義主副板簧、層級、材料及其離散梁單元，如圖4所示;

3）創(chuàng)建簧片之間的接觸力。若板簧間存在墊片，則按實(shí)際尺寸定義tip contacts;

4）按實(shí)際結(jié)構(gòu)定義板簧端部吊耳、卷耳類型，中部的板簧夾，板簧座類型、騎馬螺栓間距、初始狀態(tài)預(yù)載和安裝點(diǎn)坐標(biāo);

5）輸入材料、襯套剛度、接觸等參數(shù)后，完成板簧子系統(tǒng)輸出。

建立如圖5所示板簧測試模型，并將載荷、鉸接邊界等參數(shù)設(shè)置與圖6的板簧剛度實(shí)驗(yàn)加載狀態(tài)一致，提交MotionSolve計(jì)算，在HyperGraph中生成該板簧的仿真剛度曲線，如圖7所示。

通過板簧的實(shí)驗(yàn)與仿真的剛度曲線對比可以發(fā)現(xiàn)：采用多段梁來模擬板簧能夠真實(shí)反映板簧的力學(xué)特性，實(shí)測的加載、卸載剛度曲線與仿真模擬曲線的吻合度較高，可以較為準(zhǔn)確地模擬部件之間的載荷傳遞情況，同時(shí)也為強(qiáng)度分析提供相對精準(zhǔn)的載荷輸入。

借用MotionView模板庫中的Front Multi-link模型，然后根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)增減相關(guān)Body及其連接，調(diào)整好硬點(diǎn)坐標(biāo)、質(zhì)量、慣量等參數(shù)，分別導(dǎo)入左、右側(cè)板簧子系統(tǒng)，連接好其通訊器接口后，即完成了如圖8所示后懸多體模型。

2 " "強(qiáng)度分析

2.1 " 分析工況

該款物流車的最高時(shí)速為100Km/h，主要行駛在城郊路面，但銷售區(qū)域較廣，實(shí)際路況較為復(fù)雜。當(dāng)進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，為了最大程度地保證駕乘人員的安全，不僅要考慮常規(guī)行駛工況，還要考慮到車輛偶然遭遇的極端工況，各零部件需能承受極限運(yùn)動狀態(tài)下的偶然載荷。從載荷類型上來看，主要是路面不平引起沖擊載荷，緊急制動或加速引起的縱向載荷，轉(zhuǎn)向引起的橫向載荷，以及遇坑或凸包引起的扭轉(zhuǎn)載荷。

本文參考相關(guān)文獻(xiàn)[6-9]，結(jié)合該車型實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，以及企業(yè)內(nèi)部類似車型設(shè)計(jì)過程中經(jīng)可靠性試驗(yàn)后積累、修正的數(shù)據(jù)，制定了對車身骨架強(qiáng)度影響較大的8種極限工況，如表3所示：

其中，工況2涉及到軸荷向前轉(zhuǎn)移，工況3涉及到軸荷向后轉(zhuǎn)移，工況4涉及到輪荷向左輪轉(zhuǎn)移，工況5、6則同時(shí)存在軸荷和輪荷轉(zhuǎn)移。按力和力矩平衡可以列出兩個(gè)方程，容易得到軸荷轉(zhuǎn)移質(zhì)量和輪荷轉(zhuǎn)移質(zhì)量[9];確定好每個(gè)輪Z向輪荷后，乘以表3中相應(yīng)的慣性載荷系數(shù)，即得到X、Y向外載荷。

2.2 " 載荷分解

在Motionview靜力分析子系統(tǒng)的loadcases模板中，能較便捷完成上述工況設(shè)置，將相關(guān)外載荷施加到輪胎接地點(diǎn)，同時(shí)在車身質(zhì)心處設(shè)置固定約束。提交至MotionSolve進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，即可得到懸架與車身接附點(diǎn)處的約束反力。本文僅以后懸板簧和緩沖塊處載荷為例，其接附點(diǎn)的力和扭矩詳見圖9、10所示。因其求解算法原理，外載荷是根據(jù)設(shè)置的求解步長逐步加載的，每個(gè)工況前一秒加載該工況的所有載荷，后一秒逐步卸載所有載荷。因此，載荷曲線上1s、3s、5s等奇數(shù)時(shí)刻對應(yīng)地載荷即為所求極限工況載荷。使用 Load Export 工具可實(shí)現(xiàn)車身載荷直接轉(zhuǎn)化為有限元分析卡片。

2.3 " 分析結(jié)果與優(yōu)化

將前、后懸的各車身接附點(diǎn)載荷導(dǎo)入車身有限元模型，利用慣性釋放原理，提交到OptiStruct求解，各工況車身骨架最大應(yīng)力值詳見表4。該車骨架材料為T700，屈服強(qiáng)度為620Mpa左右，取15%的安全余量。故工況1存在應(yīng)力超標(biāo)，位置分布在底架后懸前側(cè)R柱截面的中間梁處，本文只貼出異常工況1應(yīng)力云圖，如圖11所示。該工況為3G垂向沖擊，局部結(jié)構(gòu)未形成良好的封閉環(huán)，且骨架交匯處存在變截面臺階，使力流傳導(dǎo)不暢。考慮到實(shí)際附件安裝、走線等空間因素，此節(jié)點(diǎn)處不能直接增加豎梁和豎直面斜撐，故在水平面內(nèi)增加斜撐，來優(yōu)化力流傳導(dǎo)路徑，引導(dǎo)至附近豎梁，形成局部封閉環(huán)結(jié)構(gòu)。優(yōu)化方案強(qiáng)度結(jié)果見表4和圖12，優(yōu)化方案有效，車身強(qiáng)度均已滿足要求。

3 " "總結(jié)

1）通過鋼板彈簧仿真分析與試驗(yàn)的剛度曲線對比可以看出，采用多段梁能夠較為準(zhǔn)確地模擬鋼板彈簧的力學(xué)特性，為準(zhǔn)確把握部件之間的載荷傳遞提供依據(jù)，為車身骨架的強(qiáng)度分析提供相對精準(zhǔn)的載荷輸入。

2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)累積、修正的物流車極限工況和多體模型，可獲得合理的車身接附點(diǎn)載荷。通過強(qiáng)度分析，暴露出結(jié)構(gòu)可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，為設(shè)計(jì)師提供有效、便捷的評估依據(jù)。同時(shí)，為進(jìn)一步的車身結(jié)構(gòu)性能改善和輕量化設(shè)計(jì)提供有力數(shù)據(jù)支持。

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荊振洋

畢業(yè)于鄭州輕工業(yè)學(xué)院，現(xiàn)就職于珠海廣通汽車有限公司，任仿真所所長，主要研究方向：整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞耐久分析。

專家推薦語

屈新田

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司

CAE專業(yè)副總師 "高級工程師

本論文通過多體動力學(xué)模型進(jìn)行極限工況分析，獲取車身接附點(diǎn)載荷，模擬車身骨架在各工況下的應(yīng)力狀態(tài)，優(yōu)化并解決了設(shè)計(jì)的薄弱結(jié)構(gòu)，為物流車的強(qiáng)度校核提供了一套完整、解決方案。本論文實(shí)用價(jià)值較高，對實(shí)際工程開發(fā)具有較大的指導(dǎo)意義，建議發(fā)表。