基于應(yīng)變能分析的白車身結(jié)構(gòu)膠布置優(yōu)化＊

趙雪梅 劉 波 陳海波 陸 波 易宗華

（重慶長(zhǎng)安汽車工程研究總院）

1 前言

輕量化為目前汽車研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕質(zhì)材料應(yīng)用、先進(jìn)制造工藝和連接方式等[1]。隨著高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、塑料等在汽車上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)的焊接已不能滿足異質(zhì)材料的連接。近年來(lái)，為提高車身剛度，提出了一種焊接結(jié)構(gòu)膠與點(diǎn)焊混合連接的方式，并對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，如，華晨汽車在某車型的主要承載件涂布結(jié)構(gòu)膠或結(jié)構(gòu)增強(qiáng)塊，在增加52 m涂膠線的情況下，扭轉(zhuǎn)剛度提高了10%，彎曲剛度提高了4%[5]；陶氏化學(xué)的結(jié)構(gòu)膠研究表明，在保持焊點(diǎn)不變的情況下增加結(jié)構(gòu)膠連接，扭轉(zhuǎn)剛度可提高50%，在扭轉(zhuǎn)剛度不變的情況下，焊點(diǎn)數(shù)可減少50%[6]。

為提高已有白車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，本文在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的前提下，采取焊接結(jié)構(gòu)膠與點(diǎn)焊混合連接的手段，并通過(guò)CAE分析車身應(yīng)變能分布形式，布置結(jié)構(gòu)膠位置，以最少的結(jié)構(gòu)膠膠線獲得了較高的車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，且未降低模態(tài)性能。

2 模型描述

基礎(chǔ)模型為某車型的白車身，并將其分為帶前后擋風(fēng)玻璃白車身（BIP）和不帶前后擋風(fēng)玻璃白車身（BIW）2種狀態(tài)。BIP的單元數(shù)為580289，質(zhì)量為355.5 kg；BIW的單元數(shù)為568193，質(zhì)量為332.8 kg。白車身模型如圖1所示。

為更好地分析涂膠后白車身的應(yīng)變能分布，將預(yù)計(jì)可加結(jié)構(gòu)膠的點(diǎn)焊部位全部填涂結(jié)構(gòu)膠，如圖2所示，此結(jié)構(gòu)稱為全膠結(jié)構(gòu)，其膠線全長(zhǎng)為52.9 m。

3 應(yīng)變能分析

將布滿結(jié)構(gòu)膠的白車身全膠模型作為分析模型，將扭轉(zhuǎn)、彎曲工況作為分析應(yīng)變能分布的2種工況。對(duì)剛度貢獻(xiàn)越大的結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變能分布越集中。

3.1 扭轉(zhuǎn)工況

3.1.1 工況描述

約束左后減振器安裝支座安裝中心點(diǎn)XYZ自由度和右后減振器安裝支座安裝孔中心點(diǎn)XZ自由度；前減振器安裝孔中心施加MPC約束:Zleft+Zright=0，使左、右兩邊沿垂向變形量相等，變形方向相反，見(jiàn)圖3。

在扭轉(zhuǎn)工況下，將2000 N·m的扭矩作用在左右前減振器安裝支座安裝孔中心點(diǎn)之間，可等效為在單側(cè)施加Z向力3407 N，見(jiàn)圖4。

3.1.2 應(yīng)變能分布

在扭轉(zhuǎn)工況下，BIP和BIW的應(yīng)變能分布如圖5所示。

從圖5a可看出，BIP的應(yīng)變能主要分布在上邊梁局部、三角窗、前指梁、A立柱、前壁板局部、電池殼體與置物板連接兩端、后輪轂包與地板連接處。從圖5b可看出，BIW的應(yīng)變能主要分布在上邊梁局部、三角窗、前指梁、A立柱、前壁板局部、電池殼體與置物板連接兩端、后輪轂包與地板連接處及后裙板局部。

3.2 彎曲工況

3.2.1 工況描述

約束左后減振器安裝支座安裝中心點(diǎn)XYZ自由度、右后減振器安裝支座安裝孔中心點(diǎn)XZ自由度、左前減振器安裝支座安裝孔中心點(diǎn)YZ自由度和右后減振器安裝支座安裝孔中心點(diǎn)Z自由度，見(jiàn)圖6。

彎曲工況下加載點(diǎn)位于前后懸架中心點(diǎn)的中點(diǎn)且垂直于門檻梁位置（圖7）。由于該車B柱位于前后軸中心點(diǎn)位置，為加載的準(zhǔn)確及方便，試驗(yàn)時(shí)將加載力的位置向前偏移120 mm，加載力大小為1000 N，加載區(qū)長(zhǎng)為100 mm，方向?yàn)閆軸負(fù)向。

3.2.2 應(yīng)變能分析

在彎曲工況下，BIP與BIW的應(yīng)變能分布如圖8所示。

從圖8a可看出，BIP的應(yīng)變能主要分布在B柱、上邊梁局部、門檻梁、三角窗、前支梁、A立柱、前壁板局部、前地板橫梁中間部位、后輪轂包與地板連接處。從圖8b可看出，BIW的應(yīng)變能主要分布在B柱、上邊梁局部、門檻梁、三角窗、前指梁、A立柱、前壁板局部、前地板橫梁中間部位、后輪轂包與地板連接處。

4 結(jié)構(gòu)膠布置優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)膠優(yōu)化

在扭轉(zhuǎn)工況和彎曲工況下，BIP和BIW的應(yīng)變能分布部位見(jiàn)表1。

表1 白車身應(yīng)變能分布情況

由表1可知，在相同工況下，BIP和BIW的應(yīng)變能主要分布部位基本相同；在2種工況下，BIP和BIW的應(yīng)變能主要分布部位均為前指梁、上邊梁、A立柱、三角窗、前壁板局部、后輪鼓包與地板連接處；B柱、門檻梁、地板中間橫梁為彎曲工況下應(yīng)變能主要分布部位；電池殼體與置物板連接處、后裙板局部為扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)變能主要分布部位。

為保證白車身在扭轉(zhuǎn)工況和彎曲工況下都有較好的力學(xué)性能，在應(yīng)變能主要分布部位保留結(jié)構(gòu)膠，去除其余部位的結(jié)構(gòu)膠，最終得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)膠布置方案，如圖9所示。為便于分析對(duì)比，稱采用此方案的白車身為優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

該優(yōu)化方案中，膠線長(zhǎng)度為31.2 m，與52.9 m的全膠結(jié)構(gòu)相比，其長(zhǎng)度減少了約41%。

4.2 剛度對(duì)比

扭轉(zhuǎn)剛度kT的計(jì)算式為:

式中，M為扭轉(zhuǎn)工況加載扭矩；Z1、Z2分別為扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量 （加載點(diǎn)連線垂直投影與縱梁底面交線的中點(diǎn)）在Z向的位移；Z3、Z4分別2個(gè)新增測(cè)量點(diǎn)在Z向位移；L1、L2分別為前、后輪距。

彎曲剛度kb的計(jì)算式為:

式中，F(xiàn)為彎曲工況加載載荷；Z5、Z6分別為彎曲剛度測(cè)量點(diǎn)（載荷連線垂直投影與門檻交線的中點(diǎn)）在Z向的位移。

對(duì)BIP和BIW的原結(jié)構(gòu)、全膠結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 原結(jié)構(gòu)、全膠結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)比

從表2可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度略低于全膠結(jié)構(gòu)，但是卻優(yōu)于原結(jié)構(gòu)；優(yōu)化結(jié)構(gòu)的彎曲剛度最好，與原結(jié)構(gòu)相比，BIP彎曲剛度提高11%，扭轉(zhuǎn)剛度提高5%；BIW彎曲剛度提高10.7%，扭轉(zhuǎn)剛度提高6%。

4.3 自由模態(tài)分析對(duì)比

對(duì)BIP和BIW的原結(jié)構(gòu)、全膠結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到了自由模態(tài)振動(dòng)頻率，見(jiàn)表3和表4。選擇表3、表4中的振型進(jìn)行分析比較。

表3 BIP的自由模態(tài)振型振動(dòng)頻率對(duì)比 Hz

表4 BIW的自由模態(tài)振型振動(dòng)頻率對(duì)比 Hz

由表3和表4可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)各階模態(tài)頻率大于原結(jié)構(gòu)，略低于全膠結(jié)構(gòu)。即優(yōu)化結(jié)構(gòu)的模態(tài)性能略有提升，滿足設(shè)計(jì)要求。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度雖然比全膠結(jié)構(gòu)稍差，但優(yōu)于原結(jié)構(gòu)；而優(yōu)化結(jié)構(gòu)的彎曲剛度在3種結(jié)構(gòu)中最優(yōu)。因此，優(yōu)化結(jié)構(gòu)用較短的膠線長(zhǎng)度獲得了較大的性能提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析全膠結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)工況和彎曲工況下的應(yīng)變能分布，去除低應(yīng)變能分布區(qū)域的結(jié)構(gòu)膠，保留應(yīng)變能主要分布部分的結(jié)構(gòu)膠，從而得到了新的結(jié)構(gòu)膠布置方案。優(yōu)化結(jié)構(gòu)膠線長(zhǎng)度比全膠結(jié)構(gòu)減少了約41%，但剛度和模態(tài)性能水平相似。與原結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的BIP彎曲剛度提高11%，扭轉(zhuǎn)剛度提高5%；BIW的彎曲剛度提高10.7%，扭轉(zhuǎn)剛度提高6%；所有關(guān)注的振型模態(tài)頻率均比原結(jié)構(gòu)略高。因此，本文提出的采用分析變形能分布決定結(jié)構(gòu)膠分布的方法可行，可用較短的時(shí)間、較少的膠線獲得最佳的性能。

1 羊軍，葉永亮，朱侃磊.車身輕量化系數(shù)的決定因素及其優(yōu)化.汽車技術(shù)，2010（2）:28～32.

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4 段國(guó)晨，齊暑華，吳新明，等.基結(jié)構(gòu)膠在航空工業(yè)中的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展.中國(guó)膠粘劑，2009，（9）:52～56.

5 李慧敏，朱西產(chǎn).車用結(jié)構(gòu)膠有限元模型方法的分析與比較.汽車工程師，2009（11）:39～41.

6 楊曉軍，王宇飛.結(jié)構(gòu)膠連接與現(xiàn)代汽車車身連接技術(shù).工藝與裝備（制造技術(shù)與材料），2010，37（4）:24～25.