SUV白車身扭轉(zhuǎn)剛度的分析與優(yōu)化

熊輝 方軍 袁堂福 肖鋒

（奇瑞汽車股份有限公司）

承載式車身幾乎承受了轎車所有工況的載荷，包含扭轉(zhuǎn)、彎曲、振動(dòng)以及碰撞等，因此其必須擁有足夠的剛度和強(qiáng)度來保證整車的使用需求和動(dòng)態(tài)性能需求。而白車身扭轉(zhuǎn)剛度是整車性能重要的指標(biāo)之一，合理的扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計(jì)可以避免車身在很多工況下發(fā)生的可靠性、耐久性、疲勞強(qiáng)度、振動(dòng)及噪聲等相關(guān)問題。文章以某款SUV為研究對(duì)象，對(duì)其白車身扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 SUV白車身結(jié)構(gòu)及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)工況

白車身按承載形式的區(qū)別，可分為非承載式、半承載式和承載式三大類。承載式車身無車架，整車車身的強(qiáng)度和剛度主要由白車身骨架予以保證，多數(shù)中低檔轎車和SUV車身屬于承載式車身。

文章研究對(duì)象為某款SUV白車身骨架系統(tǒng)，如圖1所示。SUV白車身骨架系統(tǒng)相對(duì)于轎車更多行駛在鄉(xiāng)村道路，更容易受到扭轉(zhuǎn)工況的沖擊；而且相對(duì)于三廂轎車，其骨架系統(tǒng)無包裹架結(jié)構(gòu)，后背門處開口較大，因此其設(shè)計(jì)的優(yōu)化提升挑戰(zhàn)性更大。

圖1 承載式SUV白車身骨架系統(tǒng)圖

彎曲剛度可用車身在鉛垂載荷作用下產(chǎn)生的撓度大小來描述，或者用單位軸距長度最大撓度量評(píng)價(jià)。扭轉(zhuǎn)剛度可以用車身在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來描述，或用單位軸距長度軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角評(píng)價(jià)[1]。

白車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)約束方法：約束白車身前保險(xiǎn)杠中間處，保證約束點(diǎn)Y坐標(biāo)的值為0，約束該點(diǎn)Z向的平動(dòng)自由度（ΔZ）。約束白車身后左右彈簧座X，Y，Z 3個(gè)方向的平動(dòng)自由度（ΔX，ΔY，ΔZ），如圖2所示。

圖2 白車身扭轉(zhuǎn)剛度約束和加載示意圖

注意：若白車身的后懸架采用鋼板彈簧結(jié)構(gòu)，則約束點(diǎn)為每側(cè)鋼板彈簧2個(gè)安裝點(diǎn)中間位置X坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的后縱梁處；在試驗(yàn)中如果已通過專用加載設(shè)施實(shí)現(xiàn)，就不必再使用額外約束裝置。

白車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)加載方法：在白車身前左右減振器座上施加一大小為2 000 N·m的力矩，力的方向沿正負(fù)Z向。

白車身扭轉(zhuǎn)剛度理論計(jì)算公式為：

式中：KT——白車身整體扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/（°）；

T——加載時(shí)的扭矩，N·m；

φF，φR——前后部扭轉(zhuǎn)角，（°）。

考慮到設(shè)備加載零飄帶來的影響，通常采用式（2）進(jìn)行計(jì)算更為準(zhǔn)確。

式中：KT'——考慮零飄之后的修正的白車身整體扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/（°）；

ΔT——加載時(shí)從1 600～2 000 N·m的變化扭矩，ΔT=400 N·m；

ΔφF，ΔφR——加載時(shí)從1 600～2 000 N·m的前后部扭轉(zhuǎn)角變化量，（°）。

限于篇幅，扭轉(zhuǎn)角的獲取、插值與計(jì)算此處不再詳細(xì)敘述。通過式（2）可以準(zhǔn)確計(jì)算出白車身的扭轉(zhuǎn)剛度。

2 白車身扭轉(zhuǎn)剛度有限元分析

白車身的設(shè)計(jì)開發(fā)中，針對(duì)白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析可有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)費(fèi)用，并能極大提高產(chǎn)品可靠性。因此針對(duì)車身的扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)白車身進(jìn)行準(zhǔn)確的有限元建模分析成為設(shè)計(jì)開發(fā)中一項(xiàng)不可缺少的重要內(nèi)容。

某款SUV車型扭轉(zhuǎn)剛度分析思路，如圖3所示[2]，首先把工程設(shè)計(jì)CATIA數(shù)模導(dǎo)入有限元分析軟件HyperMesh，然后進(jìn)行單個(gè)零件網(wǎng)格建模、連接、支撐、約束、求解以及后處理分析。

圖3 某款SUV扭轉(zhuǎn)剛度HyperMesh建模求解思路

考慮到白車身的受力傳力復(fù)雜性，本次采用的是詳細(xì)有限元模型。建模重點(diǎn)過程分為結(jié)構(gòu)優(yōu)化、單元選取、單元數(shù)量和質(zhì)量控制、網(wǎng)格布局及連接方式模擬5個(gè)步驟。結(jié)構(gòu)簡化工作首先保證結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，對(duì)重點(diǎn)關(guān)心部件盡量少簡化和不簡化，不影響性能的部位可以加大簡化。考慮到白車身的力學(xué)特性，本次采用離散板殼單元的組集，對(duì)車身結(jié)構(gòu)的分析相對(duì)比較準(zhǔn)確。門檻加強(qiáng)板模型，如圖4所示。

圖4 門檻加強(qiáng)板模型圖

將各個(gè)零件建模并通過連接和裝配獲得整個(gè)白車身有限元模型。其中部件連接主要采用焊接方式，建模模擬采用全耦合方式。按照設(shè)計(jì)裝配順序表進(jìn)行組裝，建立整個(gè)白車身的模型，如圖5所示。

圖5 白車身有限元模型圖

在上述白車身模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模型邊界的定義和添加支撐，文章中支撐單元選用多點(diǎn)約束MPC184單元模擬力和力矩。然后整個(gè)白車身模型按照上述扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)工況進(jìn)行約束加載，進(jìn)而后處理得到白車身的扭轉(zhuǎn)變形云圖和扭轉(zhuǎn)角度。扭轉(zhuǎn)變形云圖，如圖6所示。經(jīng)過計(jì)算，其KT=13 849 N·m/（°），不滿足項(xiàng)目設(shè)定目標(biāo)（≥17 000 N·m/（°））。

圖6 白車身扭轉(zhuǎn)變形云圖

3 白車身剛度靈敏度分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)前期工程設(shè)計(jì)分析，車身環(huán)狀結(jié)構(gòu)對(duì)車身剛度影響較大。對(duì)車身結(jié)構(gòu)性能影響較大的總共有16個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，因此首先按照環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行白車身結(jié)構(gòu)初步分析，分析各個(gè)環(huán)的截面和連續(xù)性等；然后挑選出各個(gè)環(huán)中的關(guān)鍵件并進(jìn)行簡化建模和靈敏度分析，白車身簡化模型圖，如圖7所示。靈敏度分析可以迅速找出對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度影響的關(guān)鍵部件并分析出貢獻(xiàn)量，為后期設(shè)計(jì)優(yōu)化提供重要的支持。

圖7 白車身簡化模型圖

通過簡化模型靈敏度分析找出對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度影響的關(guān)鍵部件并分析出貢獻(xiàn)量，具體的分析結(jié)果，如表1所示。表1中各處零件皆為貢獻(xiàn)量較大，需要重點(diǎn)考慮進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的部件。

表1 白車身靈敏度分析結(jié)果

針對(duì)以上部位進(jìn)行工程分析，主要從4個(gè)方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1）頂蓋上橫梁和側(cè)圍的搭接接頭加大封閉截面面積，并增加接頭搭接長度，增加焊點(diǎn)。根據(jù)質(zhì)量控制情況可以適當(dāng)增加搭接板的料厚。

2）后背門處D環(huán)截面增加隔板、優(yōu)化封閉截面、在輪罩上增加Z方向梁，與地板進(jìn)行搭接、增加上接頭連接零件料厚。

3）前輪罩處增加接頭布置，形成完整的環(huán)狀路徑，增大環(huán)狀結(jié)構(gòu)截面面積，加大結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件料厚。

4）關(guān)鍵接頭部位增加結(jié)構(gòu)膠和焊點(diǎn)，提升車身扭轉(zhuǎn)剛度。

通過靈敏度分析以及車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終計(jì)算得到白車身扭轉(zhuǎn)剛度是17 870 N·m/（°），提升量為4 021 N·m/（°），提升率為22.5%，滿足項(xiàng)目設(shè)定目標(biāo)。同時(shí)白車身彎曲剛度提升了16.7%，彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)也得到了有效的提升。

4 結(jié)論

對(duì)SUV白車身扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行從白車身有限元模型建立到扭轉(zhuǎn)剛度工況分析、靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升了22.5%，滿足設(shè)定目標(biāo)要求。后期實(shí)車工況試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果一致，滿足目標(biāo)要求。通過有限元分析可以大大縮短項(xiàng)目開發(fā)周期和降低成本。

另外白車身扭轉(zhuǎn)剛度是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)維度，以上方案仍需兼顧白車身質(zhì)量目標(biāo)和成本目標(biāo)，需均衡提升才能達(dá)到目標(biāo)要求。文章的研究對(duì)于白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。