車身前懸蓋板的準靜態仿真分析與結構優化

廖小平 林德富 李達 程一明

【摘 要】文章研究了車身準靜態強度分析的2種典型極限工況，并利用有限元方法對某MPV白車身進行強度特性分析。基于實際整車結構耐久試驗車身的開裂故障，對車身局部結構進行優化，經過后續的路試試驗驗證了優化方案的可靠性。通過研究，可以獲得汽車白車身整體的應力分布情況，快速發現結構的薄弱位置，在設計前期即可對其進行優化改進，從而可以提高產品性能，縮短開發周期。文中的準靜態強度分析方法同樣可以推廣到底盤、門蓋等相關結構的分析中，具有較好的工程指導意義。

【關鍵詞】典型工況；有限元；靜態分析；結構耐久試驗

【中圖分類號】U463.33 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）09-0035-04

0 前言

車身要承受來自發動機動載、本身重量及路面的沖擊力等各方面的作用，受力情況非常復雜。車身一般由鈑金焊接組成，結構特征較多，在車輛行駛過程中極易產生應力集中，導致零件發生開裂故障，從而影響整車的可靠性，因此在設計中應保證車身零件有足夠的強度和使用壽命[1-2]。

汽車疲勞耐久性評定一般通過耐久試驗進行驗證，包括使用道路試驗和室內臺架試驗[3]。整車結構的耐久道路試驗可以有效、客觀地驗證結構設計是否可靠，其費用較低，但是驗證周期較長，尤其是對于路試故障的反復驗證更是延長了開發周期。路試試驗只能驗證零件是否達標，卻不能定量地判斷車身的強度情況[4]，不利于車身的輕量化。此外，汽車制造業還會根據汽車的種類、用戶使用環境、不同的耐久性目標等需要制定不同的道路試驗驗證規范。室內臺架試驗重復性高，可以驗證子系統甚至整車的結構耐久性，但其設備復雜、調校難度大，且設備十分昂貴。

隨著計算機技術的不斷發展，有限元仿真技術已經成為一種不可缺少的輔助設計分析工具。目前，在汽車車身設計中已經大量使用了計算機的仿真技術，根據仿真分析結果，可以在設計階段發現結構的風險點、薄弱位置，通過優化可以提高其可靠性。

本文主要針對車身單側過凸包和扭轉2種準靜態工況進行分析，從而得到白車身的整體應力情況。結合實際道路開裂故障，對結構進行優化。

1 準靜態分析工況

1.1 準靜態工況簡介

汽車行駛過程中的載荷和工況非常復雜，就其載荷形式而言，汽車車身所受到的主要載荷有彎曲載荷、扭轉載荷、側向載荷、縱向沖擊載荷等。

車身靜態工況主要包括彎曲、扭轉、轉彎、制動、加速等。一般情況下，扭轉工況下的應力和變形都比彎曲、轉向等工況要大，因此本文選擇扭轉工況作為研究的工況之一。扭轉工況模擬的是汽車以滿載通過不平路面時，2個對角車輪離開地面，載荷主要由與路面接觸的2個車輪承受的情況。通過扭轉工況一般可以體現車身整體結構的薄弱位置[5]。文中采用左前輪和右后輪接地的情況進行分析。

單側過凸包是本文研究的另一種工況，模擬的是車身承受垂向沖擊載荷的工況，即懸架彈簧變形達到極限，限位塊開始與車架接觸起作用的情況。試驗測試表明，對于處于沖擊工況下的車輛，沖擊載荷為靜態載荷的2.5～3.0倍[6]。本文研究左側車輪過凸包的工況。

工況載荷系數的選取主要參考文獻[7]至文獻[10]，數據見表1。

1.2 輪胎接地力計算

根據設計的滿載前后軸荷質量及載荷工況系數即可計算得到各輪的接地力。

扭轉工況輪胎接地力計算：

Flfz=K1·Gf/2

Frfz=0

Flrz=0

Frrz=K1·Gr/2

單側過凸包工況輪胎接地力計算：

Flfz=K2l·Gf/2

Frfz=K2r·Gf/2

Flrz=K2l·Gr/2

Frrz=K2r·Gr/2

上式中，Gf（GR）為滿載前（后）軸荷；Flfz為左前輪接地點垂向力（下角標中：第一個字母表示左、右輪，第二個字母表示前、后輪，第三個字母表示縱向、側向、垂向力）；K為載荷系數，即車輪在某方向所受載荷與滿載額定輪荷的比值。

研究車型典型工況接地力計算結果見表2。

1.3 多體模型的建立及硬點載荷的提取

計算得到該車在典型工況下的輪胎接地力，以此作為ADAMS懸架系統模型的輸入條件。根據前后、懸架三維數模及相關測試報告，測出車身各硬點坐標、懸架零部件的質量和轉動慣量、襯套剛度、彈簧剛度和減震器阻尼等特性參數，建立了懸架的ADAMS模型（如圖1所示）。

通過K&C仿真結果與實車K&C特性試驗數據對標，從而達到ADAMS懸架模型的準確性。

以計算所得輪胎接地力作為輸入條件，對該車通過驗證的前后懸架ADAMS模型進行加載仿真，即可得到2種典型工況下底盤與車身相連的16個硬點處的載荷，作為車身準靜態強度分析的邊界條件，具體載荷見表3、表4。

2 白車身準靜態強度分析結果

在前處理軟件Hypermesh中完成車身的有限元模型，模型包括節點648 628個，單元625 26個，整車配重1.7 t（與實際設計滿載質量一致）。計算軟件Nastran，通過慣性釋放法計算得到白車身的Mises應力云圖（如圖2、圖3所示）。

通過查看分析結果，可以得到整個白車身的應力分布情況。

3 整車耐久路試車身開裂故障描述

研究車型在北京通縣試驗場進行整車結構耐久路試試驗，日常檢查時發現，前懸蓋板筋條位置鈑金開裂，裂紋長約30 mm，樣車試驗里程為247 08 km，環路為191 66 km。整車結構耐久路試故障圖如圖4所示。

前懸蓋板是與前懸減震器直接連接的車身零件，主要承受沖z向的沖擊載荷，其可靠性直接關系到整車的可使用性與安全性，為車身重點考察零件。為了解決此次開裂故障，我們需要對蓋板局部結構進行優化，以提高結構的可靠性。本文將利用準靜態工況的有限元法對優化前后的2種結構進行對比分析。

4 開裂零件應力分析及結構優化

蓋板筋條末端發生鈑金開裂，優化方案是延長并優化筋條形狀。為了提高可靠性，蓋板零件材料由路試狀態的HC260LA（實例屈服極限≥260 MPa）更改為B280 VK（實例屈服極限≥280 MPa），料厚由1.6 mm增加到2.0 mm，前懸蓋板結構對比如圖5所示。

通過觀察準靜態工況的仿真結果發現，在過凸包工況下，前懸蓋板開裂位置應力達到292 MPa，超出材料屈服極限，存在塑性應變2.3‰，零件存在一定的開裂風險；優化后，蓋板最大應力降為192 MPa，應力降幅明顯，且無塑性變形，前懸蓋板靜態仿真分析結果如圖6所示。

根據分析分析結果，優化后結構能夠滿足強度要求，優化方案有待整車耐久試驗驗證。

5 優化方案的后續驗證

在后續路試樣車上實施前懸蓋板優化方案后進行耐久試驗，樣車完成259 20 km壞路耐久試驗，零件未發生開裂，證明優化方案提高了零件的可靠性，滿足強度要求，優化方案路試驗證結果如圖7所示。

6 結論

以車身準靜態工況載荷為邊界條件，通過對車身有限元模型進行準靜態強度分析，其計算結果有助于工程師有針對性地對車身結構強度較薄弱的位置進行優化設計，從而在設計前期避免產品設計缺陷，提高產品的競爭力與可靠性，也可為后續的輕量化分析打下堅實基礎。同時，該方法還可以縮短產品開發周期、降低開發成本，具有較好的工程指導意義與價值。

參 考 文 獻

[1]谷正氣.汽車車身現代技術[M].北京：機械工業出版社，2009：148-198.

[2]杜娟.基于有限元分析的大客車車身結構強度優化[D].西安：長安大學，2009：1-27.

[3]吳建國.基于虛擬試驗技術的轎車車身疲勞壽命預測[D].上海：同濟大學，2008：2-4.

[4]Joon Hyuk Song，Hee Yong Kang，Chai Won Kim，et al.Analysis of practical dynamic load on bus frame with regularized inverse problem[J]Key Engineering Materials，2006：593-596.

[5]何志剛.大客車車身結構強度及剛度分析[J].機械研究與應用，2001，14（4）：4-6.

[6]朱利安·哈皮安·史密斯.現代汽車設計概論[M].張金柱，譯.北京：化學工業出版社，2008：15-50.

[7]呂寶剛.越野車獨立懸架關鍵零部件的輕量化設計[D].長春：吉林大學，2007：24-37.

[8]上官文斌，蔣翠翠，潘孝勇.汽車懸架控制臂的拓撲優化與性能計算[J].汽車工程，2008，30（8）：709-712.

[9]（美）MM.凱墨爾，JA沃爾夫.現代汽車結構分析[M].陳礪志，譯.北京：人民交通出版社，1987：12-53.

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[責任編輯：鐘聲賢]