基于有限元法的微型客車車身設(shè)計(jì)與分析

趙 晶，劉錦燦，鐘建華，熊 銳

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.福州大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108）

0 引言

微型客車因空間與價(jià)格優(yōu)勢，市場占有率逐漸升高。但是該類車輛由于車身主要為殼式結(jié)構(gòu)，經(jīng)過薄板沖壓焊接，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，車身強(qiáng)度及NVH（噪聲、振動(dòng)、平順性）性能較差。車輛的NVH特性是汽車設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中的重要指標(biāo)，極大影響車輛的動(dòng)態(tài)性能[1]。為使車輛獲得良好的NVH特性，必須保證車身結(jié)構(gòu)有足夠的靜剛度用于滿足裝配及車輛正常運(yùn)行。同時(shí)，車身的靜剛度的優(yōu)化也是保障車輛有效抵抗路面激勵(lì)所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，進(jìn)而達(dá)到更好動(dòng)態(tài)特性的有效方法之一[2]。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，為車輛設(shè)計(jì)提供了有效手段。其中，有限元方法可結(jié)合車身的三維模型，對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過模態(tài)計(jì)算與剛度分析，可在開發(fā)階段對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而改善車身激振的固有頻率，提升NVH性能[3]。曲敬賢等運(yùn)用有限元法對(duì)客車整車骨架進(jìn)行了模態(tài)分析及彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的分析，明確車身的靜力學(xué)特性[4]。李萬利等以提升客車NVH性能為指標(biāo)，運(yùn)用模態(tài)靈敏度分析方法，對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，有效提升了車輛動(dòng)態(tài)特性[5]。

上述研究充分表明，有限元分析方法是車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效手段及車輛動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化的工具。然而，對(duì)于微型客車的車身結(jié)構(gòu)研究，尤其是其白車身結(jié)構(gòu)剛度分析及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，當(dāng)前研究中鮮有報(bào)道。因此，本研究擬開展微型客車白車身結(jié)構(gòu)分析，通過剛度計(jì)算機(jī)模態(tài)分析，改進(jìn)白車身結(jié)構(gòu)，提升微型客車白車身的動(dòng)態(tài)性能。

1 白車身有限元模型建立

基于選定的微型客車白車身的結(jié)構(gòu)形式，首先對(duì)模型進(jìn)行處理如下：

1）采用板殼單元構(gòu)建白車身全部零部件，選用四邊形板殼單元對(duì)零部件進(jìn)行離散。其中，三角形單元占單元總數(shù)的9.4%；

2）采用REB2方式模擬焊點(diǎn)連接；

3）網(wǎng)格劃分：考慮到B柱以前為碰撞區(qū)域，采用10mm左右的精細(xì)網(wǎng)格，B柱以后適當(dāng)加大，采用15mm到20mm的網(wǎng)格。基于車身實(shí)際數(shù)據(jù)，建立白車身的有限元模型，如圖1所示。

圖1 白車身有限元模型

2 邊界條件與剛度計(jì)算工況定義

2.1 模態(tài)與靜剛度分析邊界條件

首先對(duì)模態(tài)與靜剛度分析的邊界條件進(jìn)行定義，其中：

模態(tài)分析邊界條件為：自由，無任何約束。

靜剛度分析邊界條件定義中，本研究中的分析結(jié)合碰撞仿真共同進(jìn)行。由于碰撞主要集中在前部發(fā)動(dòng)機(jī)艙處發(fā)生，本次選取乘客艙為主要分析對(duì)象。在此條件下，對(duì)汽車車身載荷狀態(tài)的彎曲與扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的約束與載荷進(jìn)行定義，以便進(jìn)行剛度計(jì)算：

1）彎曲剛度計(jì)算：

約束定義：在前減震器的安裝支座以及后鋼板彈簧的兩個(gè)安裝支座的中間位置的縱梁上約束六個(gè)方向的自由度。

載荷定義：大小為500kg；作用位置為：x坐標(biāo)為中間座椅H點(diǎn)的x坐標(biāo)，y坐標(biāo)為0，z坐標(biāo)為地板平面上方。其中，xyz為整車坐標(biāo)系。

2）扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算：

約束定義：在鋼板彈簧的兩個(gè)安裝支座的中間位置的縱梁上約束六個(gè)方向的自由度。

載荷定義：大小為3000N·m扭矩，作用位置為前減振器安裝支座。

2.2 剛度計(jì)算工況

2.2.1 彎曲剛度計(jì)算工況

1）前減震器安裝支座及鋼板彈簧的兩個(gè)安裝支座的中間位置的縱梁上約束六個(gè)方向的自由度；

2）將500kg載荷加在x坐標(biāo)為中間座椅H點(diǎn)的x坐標(biāo)，y坐標(biāo)為0，z坐標(biāo)為地板平面上方。

彎曲剛度加載后的示意圖如圖2所示。

圖2 彎曲剛度加載圖

2.2.2 扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算工況

1）鋼板彈簧的兩個(gè)安裝支座的中間位置的縱梁上約束六個(gè)方向的自由度；

2）將3000N.m的扭矩加在前減震器支座上。

扭轉(zhuǎn)剛度加載圖如圖3所示。

3 模態(tài)分析與優(yōu)化

3.1 模態(tài)分析與評(píng)價(jià)

圖3 扭轉(zhuǎn)剛度加載圖

對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度影響較大的激勵(lì)頻率大部分集中于低頻區(qū)域，因此，本研究主要分析了前11階典型振型。分析結(jié)果表明，頂蓋位置有局部模態(tài)，其剛度相對(duì)整車而言偏弱。因此，考慮將頂蓋撐條的位置優(yōu)化，通過改變質(zhì)量分布，使剛度分布均勻，達(dá)到減少或消除局部模態(tài)的效果。基于上述優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)作對(duì)比分析，前6階振型為剛體模態(tài)，從第7階模態(tài)開始，獲得結(jié)構(gòu)模態(tài)特性分析結(jié)果如表1所示。其中，優(yōu)化前后第7階與第11階整車扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型如圖4～圖7所示。

表1 白車身結(jié)構(gòu)模態(tài)特性

圖4 第7階整車扭轉(zhuǎn)及局部模態(tài)（優(yōu)化前）

圖5 第7階整車扭轉(zhuǎn)及局部模態(tài)（優(yōu)化后）

圖6 第11階整車扭轉(zhuǎn)及局部模態(tài)（優(yōu)化前）

圖7 第11階整車扭轉(zhuǎn)及局部模態(tài)（優(yōu)化后）

從對(duì)比分析結(jié)果看，30Hz以內(nèi)，頂蓋的局部模態(tài)有所減少，出現(xiàn)的階數(shù)從優(yōu)化前的3階變?yōu)閮?yōu)化后的2階。而且，優(yōu)化后的頻率值有所提高。為此，采納此優(yōu)化方案。

3.2 靜剛度分析結(jié)果

靜剛度分析的目的是評(píng)價(jià)車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。

1）白車身彎曲剛度計(jì)算結(jié)果

在彎曲工況下，位移分布如圖8與圖9所示，縱梁下平面的最大垂向變形值分別為0.992mm、0.763mm。根據(jù)彎曲剛度計(jì)算公式得到彎曲剛度為：

圖8 整車靜剛度彎曲變形圖（正視）

2）白車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算結(jié)果

圖9 整車靜剛度彎曲變形圖（全局）

在扭轉(zhuǎn)工況下，位移分布如圖8與圖9所示，前減振器的左，右支承處最大垂向變形值分別為7.89mm和8.35mm，因此根據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式得：扭轉(zhuǎn)角為：0.947度 ，扭轉(zhuǎn)剛度為T/θ=3000/0.947=3167N.m。

圖10 整車扭轉(zhuǎn)變形圖（正視）

圖11 整車扭轉(zhuǎn)變形圖（全局）

4 結(jié)論

車輛所受到的激勵(lì)一般為低頻隨機(jī)振動(dòng)，其中車輪引起的激振頻率一般低于11Hz，由傳動(dòng)系統(tǒng)引起的激勵(lì)一般在33Hz以上，上述兩項(xiàng)激勵(lì)由于激勵(lì)分量較小，比較易于避免。由發(fā)動(dòng)機(jī)引起的激勵(lì)一般在23Hz以上，該激勵(lì)分量較大。因此，若以2Hz為一個(gè)激勵(lì)范圍，車輛的前幾階模態(tài)最好處于13～31Hz的頻率范圍內(nèi)。通過本研究中的分析可知，當(dāng)前微型客車白車身模態(tài)的固有頻率處于13～31Hz的頻率范圍內(nèi)，滿足頻域要求。此外，模態(tài)分析時(shí)，盡管優(yōu)化了頂蓋撐條的位置，但是前4階關(guān)鍵模態(tài)中還是有兩階出現(xiàn)在頂蓋局部，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)過程中引起注意。為降低其振動(dòng)特性，可采用隔振措施，如適當(dāng)增加頂蓋內(nèi)飾件的厚度，抬高頂蓋部位的剛度，或者在內(nèi)飾與鈑金件之間使用粘膠，通過增加阻尼，減小振動(dòng)。