某轎車白車身剛度分析與結構優化

袁夏麗，劉俊紅，劉丹，左樂

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心性能集成開發部，安徽 合肥 230009）

引言

汽現代轎車通常采用承載式車身，在汽車行駛過程中，車身要承受各種彎扭載荷，白車身靜剛度特性直接影響整車的品質[1]。因此，白車身剛度分析是非常重要的，必須確保車身結構具有足夠的彎曲剛度和扭轉剛度來抵抗形各種載荷產生的變形，以避免行駛過程中因剛度不足導致的車身變形過大、玻璃擠碎和車門卡死等嚴重后果。

本文以某轎車白車身為研究對象，采用有限元法分析其彎曲和扭轉的靜剛度特性，發現車身的扭轉剛度不滿足目標值，在此基礎上采用了增加結構膠的優化方案，并對優化方案進行了校核計算，結果表明扭轉剛度性能提升明顯并滿足目標要求，為車身結構設計改進提供了理論依據。

1 剛度分析理論

剛度是結構抵抗變形的能力，車身剛度主要考察車彎曲剛度和扭轉剛度兩個指標，必須保證在車輛行駛過程車身產生的變形不會影響整車的正常使用[2]。

1.1 彎曲剛度

白車身彎曲剛度可以用垂直載荷作用下車身結構的繞度來描述，計算公式為：

式中：F為施加的垂直載荷；Zmax為門檻梁的最大彎曲繞度；EI為白車身彎曲剛度值。

1.2 扭轉剛度

白車身扭轉剛度可以用單位扭轉角度所受的力矩來描述，計算公式為：

式中：T為扭矩；L為加載點距離；θ為相對扭轉角。

2 剛度的有限元分析

2.1 有限元模型的建立[3]

白車身主要是由各種鈑金件拼焊而成。首先對白車身CAD模型進行簡化處理，然后利用HyperMesh軟件對簡化后的模型進行網格劃分，采用acm單元模擬點焊，采用rigids單元模擬弧焊及螺栓連接，最后該白車身有限元模型如圖 1所示。

圖1 白車身有限元模型

2.2 彎曲剛度分析

彎曲剛度分析邊界條件：前減震器塔中心點處約束Z向平動自由度，后懸彈簧座安裝點處約束 X、Y、Z向平動自由度；在各座椅R點位置施加1666N的垂向載荷，如圖2所示。

提取左、右門檻梁測點Z向最大位移的平均值計算彎曲剛度，經計算門檻量Z向最大位移平均值Zmax為0.385mm，則彎曲剛度為：

2.3 扭轉剛度分析

圖3 白車身扭轉剛度分析邊界條件

扭轉剛度分析邊界條件：前減震器塔中心點處建立約束Z向平動自由度MPC單元，并施加大小相等、方向相反的Z向集中力，形成繞X軸旋轉的2000Nm的扭矩，后懸彈簧座安裝點處約束X、Y、Z向平動自由度，如圖3所示。

采用左、右前減震器塔中心點相對扭轉角來評價白車身扭轉剛度，經計算相對扭轉角度為0.152°，則扭轉剛度為：

3 剛度優化分析

本文研究對象的扭轉剛度的目標值是 13500Nm/°，當前扭轉剛度未達標，因此需要進一步優化車身結構提升扭轉剛度值。本文采用在關鍵位置增加結構膠的優化方案[4]，這種結構膠的密度為1.2e-9t/mm3，彈性模量為1900MPa，泊松比為0.4，其布置方案如圖4中所示的藍色區域。最后對優化方案進行剛度校核，優化前后結果對比如表1所示，優化方案滿足目標要求。

圖4 結構膠布置示意圖

表1 優化前后剛度結果對比

4 結論

本文采用有限元法對在研白車身進行彎曲剛度和扭轉剛度分析，分析結果表明扭轉剛度未達標，通過增加結構膠有效的提高了車身剛度性能并使扭轉剛度達標，為車身結構設計改進提供了理論依據。