輕型客車白車身剛度試驗(yàn)和仿真分析

摘要：以某輕型客車白車身為研究對(duì)象，制定白車身靜剛度試驗(yàn)方法，測(cè)試輕型客車白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，通過(guò)有限元分析軟件HyperWorks，對(duì)白車身進(jìn)行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析。對(duì)標(biāo)試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果，通過(guò)修正仿真模型，彎曲剛度誤差為8.61%，扭轉(zhuǎn)剛度為10%以下，誤差在可接受的范圍之內(nèi)，研究結(jié)論可為新開發(fā)產(chǎn)品節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，并能提高效率。

關(guān)鍵詞：白車身；彎曲剛度；扭轉(zhuǎn)剛度

中圖分類號(hào)：U472.6收稿日期：2024-10-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.012

1前言

目前汽車的開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)已由經(jīng)驗(yàn)、類比、靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)入基于CAD/CAE技術(shù)的建模、靜動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化階段，并向基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的虛擬設(shè)計(jì)發(fā)展。其中白車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度是整車開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，汽車合理的剛度將使汽車的整體性能指標(biāo)得到全面的提高。

汽車在正常的行駛過(guò)程中，會(huì)因受到路面沖擊、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)以及傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)等各種不同振動(dòng)源的激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)。對(duì)于經(jīng)常需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)行駛的貨車駕駛室，能否為駕駛員提供一個(gè)相對(duì)舒適的駕駛環(huán)境，以及相對(duì)較長(zhǎng)的疲勞壽命，是不能忽視的問(wèn)題。

白車身剛度的研究是汽車開發(fā)的重要指標(biāo)之一。車身剛度有兩類，即靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度，通過(guò)白車身靜、動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，能夠確定仿真分析條件，得到白車身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而提高新車型開發(fā)的效率。

2輕型客車白車身剛度試驗(yàn)方法

2.1彎曲剛度試驗(yàn)

白車身剛度試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄇ皳躏L(fēng)玻璃和側(cè)圍玻璃，副車架和白車身。制作工裝夾具，包括1根剛性梁、2塊壓板、4個(gè)十字節(jié)、若干個(gè)安裝板。約束前段左右塔型支承處和后端縱梁限位塊安裝點(diǎn)處。前段的2個(gè)十字節(jié)，一端與左右塔型支撐連接，另一端連接安裝板并固定所有自由度。后端的2個(gè)十字節(jié)，一端與限位塊安裝點(diǎn)連接，另一端連接安裝板并固定所有自由度。在前后軸中間位置處，通過(guò)滑門和左側(cè)圍貫穿一根剛性梁，在剛性梁兩端加載力［1］。加載時(shí)兩邊通過(guò)配重砝碼產(chǎn)生向下拉力載荷，載荷分四擋施加，第一次左右兩邊各施加100kg，第二次左右兩邊各施加150kg，第三次左右兩邊各施加250kg，第四次左右兩邊各施加350kg（重復(fù)加載四次）。測(cè)點(diǎn)：左右縱梁各10個(gè)點(diǎn)，共20個(gè)點(diǎn)；前風(fēng)窗2個(gè)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩2個(gè)和左前門洞3，右前門洞3個(gè)，滑門3個(gè)，后背門4個(gè)，共17個(gè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)合計(jì)37個(gè)點(diǎn)；測(cè)量記錄車身的變形量、前風(fēng)窗玻璃、發(fā)動(dòng)機(jī)罩開口、四個(gè)門洞開口變形量，如圖1所示。

白車身彎曲剛度計(jì)算公式如下：

[Kwan=Wd]（N/mm）""""""""""""（1）

式中，W為所施加的總載荷；d為縱梁中部的最大變形量。

試驗(yàn)加載載荷和測(cè)量點(diǎn)變形曲線見圖2。

2.2扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)

白車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)見圖3，其中試驗(yàn)樣件同彎曲剛度試驗(yàn)。約束和加載不同于彎曲剛度測(cè)試試驗(yàn)，縱梁限位塊安裝點(diǎn)處與夾具采用十字節(jié)。在前段左右塔型支承處分3次加載，第一次加載1000N·m，第二次加載2000N·m，第三次加載3000N·m，每次加載重復(fù)3次，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

測(cè)點(diǎn)與彎曲剛度的測(cè)點(diǎn)保持一致。試驗(yàn)過(guò)程中，如果前加載，則在前段左右塔型支承下方放置工裝夾具。該工裝可以繞X軸旋轉(zhuǎn)，一側(cè)通過(guò)絲杠位移，實(shí)現(xiàn)一端向上頂，一端向下壓。在塔型支承的下方夾具上貼力傳感器，當(dāng)加載到2331N，停止加載。

白車身扭轉(zhuǎn)剛度按下式計(jì)算：

[Kniu=M[dfl+dfrYf?drl+drrYr]180π]（N·m/（°））"""（2）

式中，M為所施加力矩；dfl、dfr為前段左右塔型支承處附近縱梁變形量絕對(duì)值；drl、drr為后端左右縱梁限位塊處變形量絕對(duì)值；Yf、Yr為前軸、后軸支撐處左右縱梁的距離。

前扭轉(zhuǎn)順時(shí)針加載3000N·m測(cè)量點(diǎn)變形曲線見圖4。

3剛度仿真分析

3.1彎曲剛度仿真分析

仿真模型與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)保證“三個(gè)一致”：

a.模型一致。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，CAE工程師有多版數(shù)模，CAD設(shè)計(jì)也因?yàn)楦鞣N原因局部增加或減少加強(qiáng)板、鈑金料厚。檢查數(shù)據(jù)的一致性。

b.剛性梁和壓塊的位置和試驗(yàn)一致。

c.測(cè)點(diǎn)位置一致。

白車身彎曲剛度仿真結(jié)果見圖5。

3.2扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析

保證仿真模型和試驗(yàn)樣件一致，測(cè)點(diǎn)位置一致。扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析模型見圖6。約束和加載同試驗(yàn)，白車身前扭轉(zhuǎn)逆時(shí)針?lè)抡娼Y(jié)果見圖7。

4試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)分析

4.1彎曲剛度對(duì)標(biāo)分析

彎曲剛度試驗(yàn)分四次加載，試驗(yàn)值和仿真值見表1。當(dāng)加載6860N，試驗(yàn)縱梁最大點(diǎn)平均變形量為1.64mm，彎曲剛度為4183N/mm。仿真分析加載6860N，加載壓塊與地板采用RBE2連接，縱梁相應(yīng)測(cè)點(diǎn)最大點(diǎn)平均變形量為1.45mm，誤差為13%。取消加載壓塊，直接在壓塊與地板接觸的區(qū)域采用RBE2連接，在主節(jié)點(diǎn)加載力，縱梁相應(yīng)測(cè)點(diǎn)最大點(diǎn)平均變形量為1.45mm，誤差為13%，說(shuō)明用壓塊貫穿剛性梁與直接在區(qū)域加載力效果一致。將RBE2改為RBE3時(shí)，縱梁相應(yīng)測(cè)點(diǎn)最大點(diǎn)平均變形量為1.51mm，誤差為8.6%。REB2連接時(shí)，增加了局部的剛性，誤差更大。從彎曲剛度試驗(yàn)和仿真分析知，左縱梁變形量大于右縱梁變形量，由于右邊為門檻處，剛性比左側(cè)好。

4.2扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)標(biāo)分析

扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)過(guò)程中，有前扭轉(zhuǎn)順時(shí)針和逆時(shí)針，后扭轉(zhuǎn)順時(shí)針和逆時(shí)針，試驗(yàn)值和仿真值見表2。通過(guò)對(duì)標(biāo)分析，前扭轉(zhuǎn)順時(shí)針誤差9.8%，當(dāng)副車架與縱梁螺栓連接，夾具與限位塊螺栓連接都考慮接觸時(shí)，前扭轉(zhuǎn)順時(shí)針誤差減小到7.2%，前扭轉(zhuǎn)逆時(shí)針誤差8.6%，后扭轉(zhuǎn)順時(shí)針誤差7.8%，后扭轉(zhuǎn)逆時(shí)針誤差0.1%。結(jié)合試驗(yàn)和仿真，順時(shí)針和逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)剛度值差異不大，雖然左右側(cè)圍不對(duì)稱，但對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度仿真結(jié)果無(wú)影響。

通過(guò)仿真分析中若約束板簧前吊耳安裝處，前扭剛度值是約束縱梁上限位塊處剛度值的1.4倍左右。因此設(shè)定目標(biāo)要注意邊界條件一致，再對(duì)比剛度值。若兩縱梁的間距加大，后扭轉(zhuǎn)剛度值增大。縱梁?jiǎn)芜呄騻?cè)圍加大170mm間距，后扭轉(zhuǎn)剛度增加18%左右。因此在底盤布置允許的情況下，兩縱梁開度越大，扭轉(zhuǎn)剛度越大。但是彎曲剛度下降了5%，需權(quán)衡兩個(gè)指標(biāo)。

后期仿真分析扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，只需選擇一種，前扭和后扭有差異，分別考察了前段塔型支撐處的剛度和后段限位塊處的剛度。扭轉(zhuǎn)工況計(jì)算一般模擬試驗(yàn)工況，采用前加載、后支撐方式，故采用仿真分析前扭轉(zhuǎn)剛度。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)白車身彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)與仿真分析發(fā)現(xiàn)，彎曲剛度誤差為8.6%，扭轉(zhuǎn)剛度誤差為10%以下。確定仿真和試驗(yàn)的誤差后，在后續(xù)開發(fā)新車型中考慮了誤差系數(shù)，固化仿真分析方法，提高了效率，縮短了開發(fā)周期，保證了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚繼錦.汽車結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

作者簡(jiǎn)介

胡小文，女，1983年生，工程師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)分析。