基于HyperWorks的某商務車白車身剛度分析

郭 微,邱小勇

(1安徽水利水電職業技術學院機械工程系,安徽 合肥 231603;2天津新巨升電子工業有限責任公司,天津 300384)

所謂“白車身”就是由各種各樣的骨架件和鈑金件通過焊接拼裝而成的汽車車身.商務車的白車身剛度分析是整車開發設計過程中必不可少的環節,對于改進車身結構,改善車輛強度、剛度狀況,提高車輛舒適性和可靠性均具有很重要的實際意義.利用先進的有限元軟件對其進行分析計算,指導生產開發,對于縮短產品開發周期、降低產品開發成本能起到一定的作用,并可以指導設計人員對車身結構進行優化從而提高車身的碰撞安全性.

1 白車身的剛度特性

剛度是汽車車身設計的重要指標.白車身剛度分布設計是否合理,會直接或間接地影響整車的性能,車身的靜剛度一般包括彎曲剛度和扭轉剛度.

1.1 彎曲剛度

車身整體的彎曲剛度[1,2]由車身底架的最大垂直撓度以及底板在車身長度方向上的垂直撓度變化曲線(應連續無明顯突變)等指標來評價.此時的彎曲剛度

1.2 扭轉剛度

車身結構的扭轉剛度(GJ)為單位扭轉角所受到的力[1,2],即

式中:L為軸距,T為扭矩,θ為軸間相對扭轉角.車身扭轉角θ與梁的撓度之間的關系為

式中:U1為左側縱梁的撓度,U2為右側縱梁的撓度,B為底架寬.

2 白車身剛度的有限元分析

采用Altair公司的 HyperWorks軟件對白車身的剛度(彎曲剛度和扭轉剛度)進行了模擬分析,并與目標值進行比較.

2.1 主要步驟

圖1所示為利用Hyperworks系列軟件進行商務車白車身靜剛度有限元分析的主要步驟[3],前處理(點畫線框中的內容)在HyperMesh中完成;求解利用Hyperworks自帶的求解器 Radioss進行,后處理使用HyperView.

圖1 利用Hyperworks進行有限元分析的主要步驟

2.2 有限元分析計算

在保證充分反映實際結構力學性能的前提下對車身部件做了必要簡化,本文建立的有限元模型包括388000個單元、392000個節點、12200個焊點.

1)建立計算模型 車身結構的扭轉剛度和彎曲剛度的計算模型分別如圖2、圖3所示,在扭轉剛度模型中約束后懸架彈簧上支點123456方向的自由度及前軸中點12356方向的自由度,在前懸懸架彈簧上支點施加一對方向相反、大小為11795 N的作用力;在彎曲剛度模型中邊界條件的處理是分別約束后懸架彈簧上支點及前軸中點的123456方向的自由度,并且在車身地板中部施加共9810 N的力.

2)有限元分析計算 建立起計算模型后,設置了適當的計算參數后就可以提交計算了,計算結果在HyperView中查看.圖4給出了彎曲剛度的計算結果和位移云圖.圖5為左右縱梁均勻布置的測點位置(共26個,一邊13個,由于左右對稱,圖中只給出左梁).

根據上述13個測點的Z向位移以及它們的Z向平均位移的測量數據繪出圖6所示測點曲線,由測點曲線可以明顯看出底板(即縱梁)在車身長度方向上的垂直撓度(Z向位移)變化曲線連續無明顯突變,并且在底板中部也即施加載荷處垂直撓度最大,最大垂直變形為-0.7524 mm.

圖6 測點曲線

圖7給出了扭轉剛度的計算結果和位移云圖;表1所示為在圖8所示的縱梁前后懸上位置選取的4個測點的z向位移.

表1 4個測點的z向位移

3)結果分析并與目標值比較 因為在彎曲工況下縱梁的最大垂直變形為-0.7524 mm,則相對彎曲剛度可以由公式(1)得

國際一般使用設計參考值為12200 N/mm,因此本商務車的彎曲剛度合格,滿足設計要求.

由表1中數據計算出最大撓度差 (即z向位移差),聯合本商務車的軸距,將它們帶入到公式(3)中,可得出扭轉角度θ為0.01345 rad;再根據施加的載荷及本商務車的軸距可以得出最大扭轉載荷為10373.7 Nm,則由公式(2)得到本商務車扭轉剛度

國際上設計參考值為12500 Nm/deg,由此看出,本商務車的扭轉剛度也滿足設計要求.從以上的計算結果來看,該車整體彎曲剛度和扭轉剛度的數值均大于目標值,并且其彎曲剛度曲線基本光滑無明顯突變,這說明該車的靜剛度符合設計要求.

3 白車身剛度試驗分析

白車身剛度試驗是指在試驗室條件下模擬白車身在實際使用過程中的約束條件和載荷條件,采用相關的試驗測量白車身各個特征部位的變形量,從而評價白車身的剛度性能.

為了與有限元分析結果進行對比,本文在車身扭/彎剛度專用試驗臺架(圖9)上完成白車身的扭轉和彎曲兩種典型工況.

圖9 剛度試驗臺和車身安裝圖

按試驗數據處理計算并將所得結果取整,得到最大扭矩作用下白車身軸間相對扭轉剛度為:GJ=13129.32 Nm/deg,相應的車身前后軸間相對扭轉角為 0.01302 rad;車身彎曲剛度為:EI=12417.5 N/mm(按縱梁最大變形計算).

將上述試驗數據與上節中的模擬結果進行比較,數值計算得到白車身扭轉剛度與試驗測得的扭轉剛度相對誤差為2.48%;數值計算得到白車身彎曲剛度與試驗測得的彎曲剛度的相對誤差為5%;此外,無論是理論分析還是試驗測得的扭轉剛度值均高于國外同類車型設計參考值12500 Nm/deg,而白車身彎曲剛度也均超過國外同類車型的一般設計參考值12200 N/mm,都符合設計要求.

4 結論

本文通過有限元分析和對應剛度試驗兩種方式分析了某商務車白車身的靜態剛度性能,對分析結果進行數據處理并加以比較分析,結果表明,模擬結果與試驗結果相比誤差不大,都在設計參考值之內,理論值與試驗值接近,說明所建有限元模型具有一定精度,白車身靜態抗扭剛度性能和彎曲剛度性能均較好,該商務車的靜剛度符合設計要求.

[1]段 偉,石 琴,張 雷,等.轎車白車身靜剛度分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2008,31(6):843-846.

[2]夏國林.轎車白車身靜剛度分析[J].汽車科技,2008(3):25-18.

[3]郭 微.基于數值模擬技術的某商務車整車碰撞性能研究[D].合肥:合肥工業大學圖書館,2008.