論某白車身靜態(tài)剛度對動態(tài)剛度與正碰性能的影響

劉瑩，蘇陽，趙永波，曲曉慶，喬鑫

（華晨汽車工程研究院CAE工程室，遼寧 沈陽 110141）

論某白車身靜態(tài)剛度對動態(tài)剛度與正碰性能的影響

劉瑩，蘇陽，趙永波，曲曉慶，喬鑫

（華晨汽車工程研究院CAE工程室，遼寧 沈陽 110141）

文章以研發(fā)過程中的設計變更為契機，仿真結果為依據(jù)，用有限元的手段，論證靜態(tài)扭轉剛度與動態(tài)剛度及碰撞的關系。借以拋磚引玉，引發(fā)深入思考，為設計過程中的性能關聯(lián)性提供參考。

扭轉；動態(tài)剛度；正碰；影響

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.021

CLC NO.: U463.82 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-60-03

引言

扭轉剛度、扭轉模態(tài)、正面碰撞作為車身設計的重要性能工況，在性能體系里面占有重要的位置。往往我們會要求車身的剛度達到一定的水平來滿足市場的需求。近些年來，行業(yè)內的水平不斷的在提高的同時扭轉剛度的水平與動態(tài)性能及碰撞的指標究竟有何種聯(lián)系？本文以下內容將逐一論述。

1、模態(tài)及動剛度

汽車白車身結構基本力學性能仿真計算屬于線彈性問題，其中彎曲和扭轉剛度計算屬于線彈性范圍內的靜力學問題，模態(tài)及動剛度屬于線彈性范圍內的動力學問題。

車身結構的模態(tài)計算，基于有限元法和線性振動理論。具有有限自由度的線彈性系統(tǒng)的運動方程可用虛功原理給出，其形式為[1]：

其中，M為系統(tǒng)的質量矩陣，Z為系統(tǒng)阻尼矩陣，K為系統(tǒng)的剛度矩陣，P(t)為載荷列陣，由于要計算的是結構的固有特性，載荷不存在，同時因車身阻尼很小可以忽略不計，所以車身結構固有振動特性的計算就成為有限個自由度系統(tǒng)的無阻尼自由振動問題，其系統(tǒng)運動方程為：

由此，車身結構的模態(tài)計算問題可以轉化成為求解上述方程的特征值和特征向量問題。

對于受動載荷激勵的車身結構，我們考察其動態(tài)剛度特性。對（2-1）式進行傅里葉變換[2]：

2、動剛度分析的必要性

車輛在道路上行駛一般承受動態(tài)激勵，而我們通常考察的靜態(tài)扭轉剛度，在這樣的動態(tài)激勵下是否還能保持一個的水平，這個水平的趨勢是什么？

本文闡述的靜動態(tài)扭轉剛度，實際上規(guī)避了局部結構（加載區(qū)域）的剛度水平以達到評價整體車身性能的目的。實現(xiàn)的方式是在加載點的縱梁投影點來讀取響應，這樣做的好處是在局部剛度合理的前提下，進一步探討車身結構的合理性。

某車型靜態(tài)扭轉剛度為21335Nm/deg，一階扭轉模態(tài)為47.8HZ.通過動力學分析得到兩種狀態(tài)（約束的動態(tài)特性與FREE-FREE-STATE 動態(tài)特性）下的動力學行為，如下：

圖1 動態(tài)加載方式

如圖，兩種行為下剛度值在0Hz的時候得到的扭轉剛度均等于靜態(tài)扭轉剛度。但，隨著頻率的提高，剛度均由基礎狀態(tài)21335 Nm/deg變化到2733Nm/deg和2630Nm/deg，最低值分別發(fā)生在18.7Hz和48Hz。

圖2 動剛度變化

因此，我們看到，無論哪種動態(tài)剛度均反映，實際車體應用狀態(tài)下尤其是特定頻率激勵下，剛度特性大幅下降，扭轉剛度不能保證在行駛過程中達到恒定水平。

3、靜態(tài)扭轉剛度與扭轉模態(tài)的關系

3.1 設計變更導致扭轉剛度變化

圖3 鈑金料厚更改

圖4 厚度更改后扭轉剛度云圖

以上我們發(fā)現(xiàn)自由模態(tài)的扭轉頻率恰恰就是47.8Hz。那么扭轉剛度是否對應自由模態(tài)，哪個模態(tài)影響更大（兩個模態(tài)模型質量一致）？通過模型的設計更改，我們繼續(xù)探討：

料厚的變化后的剛度是16921Nm/deg，比基礎模型低4414Nm/deg。

3.2 評價方法找到危險區(qū)域

雖然，我們在了解設計變化的前提下，驗證了設計變化對性能的影響。但從正向設計的角度來講，我們可否通過性能的指標來找到設計的薄弱區(qū)域？ 以下是設計前后的扭轉性能曲線。

圖5 車身扭轉曲線圖

從曲線上分析，相同扭矩之下，從1位置開始，扭轉角就發(fā)生改變。但隨著車前方走勢差距似乎不再變大。于是將曲線疊加相減得到曲線mm，誤差變化更加明顯。根據(jù)該曲線，我們仍然不能找到問題的關鍵區(qū)域，于是將曲線mm每100mm幅值遞減曲線得到曲線nn，我們發(fā)現(xiàn)：大部分前車身剛度基本沒有區(qū)別，而在曲線nn的特定區(qū)域位置1到位置2，性能大幅下降。由于此位置正是衣帽架所處的投影區(qū)域，我們可以準確找到薄弱環(huán)節(jié)，與我們初始的更改區(qū)域一致。

3.3 剛度和模態(tài)是否有對應關系

綜合以上分析結果列于下表。

表1 分析結果

可以發(fā)現(xiàn)扭轉剛度下降后對自由模態(tài)影響較小，但對約束模態(tài)影響很大，其變化量與扭轉剛度值值的變化量相當。

4、靜扭轉剛度對碰撞的影響

實際發(fā)生更改的區(qū)域為衣帽架相應結構，遠離正面碰撞的關鍵區(qū)域，不會因為局部敏感區(qū)域的改變而對碰撞性能造成的影響，支撐論點的論據(jù)更為客觀。

圖6 正碰變形圖

表2 性能指標對比

圖6為碰撞最終的變形圖，通過表2可知，衣帽架的剛度變化，對侵入量影響不大，但加速度左側增加4G,右側增加1G.影響較大。

圖7 基礎模型曲線

圖8 更改模型曲線

通過圖7與圖8對比可知，碰撞的波形總體上并未發(fā)生大的變化，但峰值與谷值變化較為激烈。由本次分析，我們清楚看到：雖然剛度變化區(qū)域遠離碰撞的主要區(qū)域，但由于后端剛度的降低，導致碰撞的加速度發(fā)生改變

5、結論

1）實際車體應用狀態(tài)下尤其是特定頻率激勵下，剛度特性大幅下降，扭轉剛度不能保證在行駛過程中達到恒定水平。

2）通過軸向扭轉角度隨變化值曲線，能夠成功找到扭轉剛度的薄弱區(qū)域。進而進行優(yōu)化，達到針對性優(yōu)化的目的。

3）扭轉剛度的變化對相同約束下的扭轉模態(tài)存在強相關，間接影響自由模態(tài)

4）遠離碰撞區(qū)域的結構更改同樣影響到碰撞等動力學行為，在設計過程中，尤其把握性能評估的同步性。

[1] 周中堅,盧耀祖.機械與汽車結構有限元分析[M].同濟大學出版社.1997.7

[2] 李東旭.高等結構動力學[M].北京:科學出版社,2010.

圖7 2號進氣管實測性能與仿真性能對比

如圖7所示，2號進氣管的實測扭矩和功率與仿真的扭矩和功率結果吻合程度也很高。在2500r/min到4500r/min的轉速范圍內，實測扭矩值的下降比仿真扭矩明顯要小，與仿真值差距較大。但是實測的扭矩值與1號進氣管進行橫向對比，2號進氣管發(fā)動機的扭矩值平均提高了7%左右。對于節(jié)能車進氣管進氣管長度的仿真和優(yōu)化達到了預期效果。

實際在操場試車過程中，節(jié)能車由20km/h加速到45km/h的加速時間由原來的平均6.5秒縮短到5秒左右，每次加速的油耗值也由原來的1.0ml減小到0.8ml,節(jié)能車的動力性和經(jīng)濟性都有了較大的提高。

3、結論

本文利用發(fā)動機性能計算軟件GT-Power分析了節(jié)能車發(fā)動機進氣管長度變化對動力性和經(jīng)濟性的影響。并對節(jié)能車發(fā)動機的進氣管長度進行了優(yōu)化，優(yōu)化結果得到了試驗驗證。由此得出如下結論：

1）建立的節(jié)能車發(fā)動機工作過程仿真模型能準確模擬發(fā)動機的實際運行工況，便于對節(jié)能車發(fā)動機其他參數(shù)的仿真優(yōu)化提供依據(jù)。

2）利用節(jié)能車發(fā)動機的工作過程仿真模型，計算分析不同進氣管管長度下發(fā)動機的動力性能，篩選出了最優(yōu)的參數(shù)組合。優(yōu)化后的進氣管改善了節(jié)能車發(fā)動機低速扭矩，縮短了加速時間，提高了節(jié)能車發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。

參考文獻

[1] Liu J P, J F Bingham. Effects of Intake System Dimension on Volumetric Efficiency-Speed Characteristics of MultiCylinder Engines［J］Transaction of CSICE. 1997.150.

[2]韓同群.電噴發(fā)動機進氣管的設計與開發(fā)[J].內燃機工程,2005, 26(3):22-26.

[3] 石來華,馮仁華.基于GT-POWER模型的發(fā)動機進氣系統(tǒng)優(yōu)化[J].客車技術與研究,2010,3.

Study Of Dynamic Stiffness And Frontal Collision Based On Static Stiffness Of The BIW

Liu Ying, Su Yang, Zhao Yongbo, Qu Xiaoqing, Qiao Xin
(Brilliance Automobile Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141)

Absract: During the process of BIW design, we make a study of the relationship of the static stiffness, dynamic stiffness and frontal collision based on the result of FEM analysis. It’s a preliminary study and needs to be study more. The result is useful for the relationship of different performance.

Torsion; Dynamic stiffness; Frontal collision; Influence

U463.82

A

1671-7988 (2016)12-60-03

劉瑩，就職于華晨汽車工程研究院。