車身剛度優化設計

張立強

（阿爾特汽車技術股份有限公司，北京 100076）

0 引言

近年來，隨著空氣污染越來越嚴重，PM2.5越來越高，環境保護意識逐漸增強，國家出臺一系列政策鼓勵發展新能源汽車，新能源的開發越來越多。相對于傳統燃油車型，電動車因為動力電池的布置要求，改變了傳統車型車身的梁架結構，使得車身的剛度低于基礎燃油車的水平，車身的剛度是汽車性能的關鍵指標，需要對車身進行優化保證剛度達到目標值的要求。

1 車身剛度的計算方法

1.1 車身的彎曲剛度計算方法

用車身在鉛錘載荷下產生的撓度大小來描述，通過固定車身的前后懸的安裝位置，然后在車身的H點位置加載鉛錘載荷，計算車身邊梁位置的變形量，車身彎曲剛度表示為車身載荷和邊梁的變形量的比值，如圖1所示。

車身的彎曲剛度EI計算公式為：EI=F/D（N/mm）

F=1668×4=6672N，其中：D—邊梁位置的位移變形量。

圖1 車身彎曲剛度計算示意圖Fig.1 Calculation diagram of body Flexural stiffness

1.2 車身扭轉剛度計算方法

用車身在扭轉載荷作用下產生的扭轉角大小來描述。通過固定車身的后懸安裝位置，在前懸安裝位置施加2000NM的扭矩，查看在前懸架位置的車身縱梁角度的變形量。車身的扭轉剛度GJ表示為扭矩和縱梁變形量的比值，如圖2所示。

車身的扭轉剛度：GJ=T/φ（N·m/deg）

圖2 車身扭轉剛度計算示意圖Fig.2 Calculation diagram of body torsion stiffness

T=2000N·m，其中φ—縱梁在前懸架位置的角度變形量。

2 車身剛度的提升方案

2.1 車身剛度的主要影響因素

車身剛度的主要影響因素：①關鍵區域的截面尺寸大小，提高斷面的轉動慣量；②各個斷面接頭位置的接頭剛度；③車身增加新的環狀加強結構；④提高對剛度比較靈敏零件的料厚。

為了提高車身的剛度，主要優化的方向是以上四個方面。本文主要是描述的是提高關鍵截面的斷面系數，提高接頭位置的接頭剛度，車身增加新的環狀加強結構來提高車身的剛度。車身剛度的靈敏度分析是通過CAE軟件得出車身對剛度貢獻的靈敏度排序，通過適當加厚靈敏零件起到提高剛度的目的。零件的料厚增加會增加重量，影響其車身輕量化。提高零件的厚度需要合理考慮增加的剛度和增加質量的比值的最優性。

2.2 提高關鍵區域零件的斷面尺寸，提高斷面的轉動慣量

現代的車身結構主要采用的籠式結構。車身的各個截面大小直接影響了車身的性能。需要合理的設計車身的各個位置的斷面，使車身的性能能夠滿足要求。車身關鍵截面增大能夠提高截面的轉動慣量，能夠提高車身的剛度。在本項目中，受布置及車身結構的限制，主要是增大門檻位置的截面和后座椅前橫梁位置的截面。

在側門檻的位置斷面，在門檻的內部受動力電池的影響，不能加寬，只能通過Z向下加高30mm來增大該位置的斷面系數。改變后截面的軸1轉動慣量由2.13×106mm4增大到 3.51×106mm4，軸 2 的轉動慣量由 1.75×106mm4增大到 2.12×106mm4，如圖3所示。

圖3 側門檻斷面對比Fig.3 Contrast of side doorsill section

在第二排座椅前橫梁位置，第二排座椅前橫梁向上增加15mm，向前增加13mm，后地板第一橫梁向下增加15mm。改變后截面軸1的轉動慣量由4.18×105mm4增大到9.83×105mm4，軸2的轉動慣量由3.18×105mm4增大到6.13×105mm4，如圖4所示。

2.3 提高接頭位置的接頭剛度

在車身的橫梁和縱梁的交接的部位，會形成一個類似于三通的接頭形式，如圖5所示。在接頭位置，一般受力比較大，容易形成應力集中。接頭的剛度大小直接影響到車身的剛度值。在接頭位置的截面建議大于中間位置的截面，在接頭位置，減小焊點之間的距離。在空間允許的情況下盡量使用下圖結構。

圖5 車身縱梁與橫梁搭接結構Fig.5 Joint structure of body longitudinal beam and beam

在門檻邊梁后部與后輪罩的搭接位置是前后縱梁的交接位置，同時連接后座椅橫梁和側圍，此位置的剛度對整車的剛度影響比較大。在本項目中，通過在門檻內板上增加門檻內板支撐板，如圖6所示，加強該區域的接頭剛度從而提高整車的剛度。

圖6 門檻內板加強結構Fig.6 Strengthening structure of Doorsill inner panel

2.4 增加車身后端的環狀加強結構

現代的車身乘員艙結構一般都是籠式的結構。這種車身結構有著良好的車身強度和剛度。車身中有多個環狀的傳力結構，這種結構的車身剛度較高。在本項目中，通過增加后地板上橫梁和后地板上橫梁連接梁，增加的這些零件與輪罩上加強梁，C柱加強板，頂蓋橫梁形成了一個封閉的環狀結構，如圖7所示，這種結構能夠相互連接，分散車身載荷，該結構能夠很好的提高車身的剛度。

圖7 車身環狀加強結構Fig.7 Body ring strengthening structure

3 CAE的分析驗證

通過上面的幾種方式更改的車身結構，經過CAE的分析驗證，車身的彎曲剛度由19117N/mm增大到23876N/mm，扭轉剛度由17634Nm/deg增大到22046Nm/deg，能夠有效提高車身的彎曲和扭轉剛度。

4 結束語

車身的剛度在車身是一個重要的性能指標，車身的剛度是否達到目標值是判斷車身設計好壞的一個重要標準。在本項目中，結合CAE的分析驗證，找出影響車身剛度的關鍵因素，通過更改部分車身結構，能夠顯著的提高車身的彎曲剛度和扭轉剛度，滿足了設定的目標值。