CAE技術在白車身設計開發中的應用

陳樂強

摘 要：本文基于CAE仿真技術，在設計階段對白車身重要的模態、靜剛度性能指標進行分析確認，并在后期的試制車輛上進行試驗驗證，通過試驗驗證說明，CAE技術在車身設計階段可以非常有效的指導設計工作，并能夠較為準確的對白車身性能進行預測。

關鍵詞：試驗 車身 CAE

引 言

白車身靜剛度主要包括靜態抗彎曲和靜態抗扭轉剛度，在很大程度上決定著車身的品質。在產品設計過程中，CAE的分析技術越來越多的介入到產品的設計開發中，對產品的性能進行預測，以確保后期產品不會出現較大的質量問題，本文主要介紹CAE技術在車身設計開發過程中的應用情況，通過后期的實物驗證，CAE技術完全可以指導設計階段的車身剛度設計工作。

1有限元分析技術及使用軟件簡介

隨著數值分析理論的發展，CAE技術在現代汽車產品設計中扮演著越來越重要的角色。本篇文章所介紹的相關CAE分析主要使用HyperMesh做前處理，使用NASTRAN求解，HyperView查看分析結果。

2某款轎車車身設計開發

2.1 白車身性能指標分解

根據標桿車白車身試驗數據和以往的分析數據庫，對新研發的白車身模態、白車身靜剛度的設計目標進行分解確認。

一般情況下白車身模態主要對車身的三階整體模態進行考察，分別為基頻、一階扭轉、一階彎曲。本款車型分解的模態指標如下表1所示：

白車身靜剛度主要考察車身的扭轉剛度和彎曲剛度，主要考慮車身承受路面剪切載荷和垂直跳動載荷的能力，因此合適的白車身剛度是一個非常重要的設計指標，某款A級轎車白車身剛度的設計指標設定如下表2所示：

2.2 白車身相關性能分析確認

經過主斷面的分析確認，在某階段的設計數模基礎上進行白車身的性能指標分析確認。使用HyperMesh建立分析的FE模型，如下圖1所示：

以上述模型為基礎，對白車身模態、剛度進行分析確認。某款A級別轎車白車身模態分析結果如表3所示：

從分析結果上看，這款轎車的白車身模態均達到設計目標要求。

同時對白車身剛度進行分析確認，考慮動載系數，彎曲剛度每個座椅安裝位置按照170kg的載荷進行加載，分析工況如下圖2所示：

從分析結果上看，這款轎車的白車身扭轉剛度和彎曲剛度均達到設計目標要求。

2.3 試驗驗證

利用CAE技術對白車身性能進行了分析，模態和剛度均達到了設計的目標要求，但是生產出來的車身是否剛度和模態達到設計目標要求，還需要借助試驗手段來進行驗證。采用小批量試制階段的白車身進行相關的試驗驗證工作，白車身模態試驗如下圖3所示：

借助繩索（有一定的彈性）、木梁、千斤頂固定白車身，近似模擬自由狀態，在此情況下進行白車身模態試驗，試驗結果如下表5所示：

從試驗結果上看，白車身模態均達到設計目標要求，設計階段借助CAE技術分析得到的白車身模態與試驗的差異為2.53%、1.65%、1.99%，差異均在5%以內，設計階段的分析精度較高。

從試驗的結果上看，白車身扭轉剛度和彎曲剛度均達到設計目標要求，并且扭轉剛度和前期CAE分析結果非常相近，只有1.49%的差異，彎曲剛度因試驗邊界條件和前期CAE分析邊界條件有略小的差異，誤差在7%左右，綜合來看，分析精度還是可以接受的。

通過白車身模態和剛度的試驗，可以看出，在車身設計階段，借助CAE技術，可以較為有效的對車身相關性能進行預測分析。

3 結論

如果在設計階段就能夠對產品的性能進行預測，并且消除潛在的風險，那么后期產品出現問題的可能性會大為較低，同時會省去相當一部分的設計成本和試驗費用。為這個問題提供解決思路的就是日益成熟和完善的CAE技術。

本文通過某款A級轎車車身開發的實例，從白車身的模態剛度性能入手，簡單介紹CAE技術在車身設計開發中的應用情況。CAE技術在現代的產品設計中所起到的作用越來越重要。

參考文獻

[1] 郭乙木，萬力，黃丹.有限元法與MSC.Nastran軟件的工程應用[M].北京：機械工業出版社，2005.8