某純電動汽車白車身彎曲剛度分析與優化設計

汪躍中,賀鑫，董華東

(奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

隨著汽車市場的快速發展，顧客對汽車操縱性、安全性、可靠性、NVH、碰撞安全、異響控制等整車性能的關注和需求越來越高[1]。而白車身作為整車結構設計的基礎及轎車的關鍵總成，其剛度高低是考察這些性能及品質的重要指標[2]。車身剛度不足會導致車身易變形、異響、疲勞斷裂等質量異常，極大影響車輛的正常工作狀態及客戶對車輛的滿意度，因此車身結構剛度特性在整車性能中起到至關重要的作用。白車身高剛度成為整車性能開發中的趨勢，以滿足裝配和使用要求[3]。白車身剛度包括扭轉剛度和彎曲剛度，分別是指白車身在受到扭轉、彎曲載荷時，車身抵抗扭轉、彎曲變形的能力[4]，其大小直接決定轎車在實際駕駛中承受外載荷的變形程度。純電動汽車由于要變動下車體的骨架結構以布置電池[5]，會極大影響到白車身的彎曲剛度，因此本文作者主要針對純電動汽車的彎曲剛度進行CAE分析與優化設計。

本文作者首先建立白車身彎曲剛度的理論模型，再利用HyperMesh前處理軟件建立某款純電動汽車的白車身彎曲剛度有限元模型，轉換格式后導入Nastran軟件進行模態分析，最后再用HyperView軟件考察在產品設計初期是否滿足設計需求；針對CAE分析結果提出5種優化方案，最終確定能有效提高白車身彎曲剛度的最佳方案，滿足性能要求，節約產品開發成本、縮短產品開發周期，同時為白車身結構改進和優化設計提供重要依據。

1 白車身彎曲剛度計算方法

建立白車身彎曲剛度試驗理論模型，如圖1所示[6]。基于車輛在行駛中的實際加載變形狀態及材料力學的計算公式，通過測點Z向的變形和點距離前軸的距離B、A，計算出測點的誤差補償量，車身的變形量減去誤差補償量得到車身彎曲撓度ω，再根據白車身左右縱梁處施加力F和車身彎曲撓度ω[4]，可得白車身彎曲剛度計算公式[7]：

(1)

圖1 白車身彎曲剛度試驗理論模型

根據圖1所示的約束方案，公式(1)可變形為

(2)

(3)

式中：Kb為白車身彎曲剛度；F為外載荷；L為白車身軸距；B、A分別表示前、后懸與施加載荷點的距離；ω為F方向彎曲撓度；x為前支撐點與最大彎曲撓度ω點的距離。

2 白車身有限元模型建立

2.1 建立有限元模型

首先在設計部門提供的白車身實體模型基礎上進行簡化處理[8]，然后利用HyperMesh前處理軟件進行網格劃分，采用四邊形殼單元為主、三角形網格過渡的單元形態，采用Acm單元模擬點焊、Rigids單元模擬弧焊及螺栓連接，建立如圖2所示的白車身有限元模型，模型總質量為650 kg。

圖2 白車身有限元模型

2.2 邊界條件和材料參數

為白車身有限元模型施加如下邊界條件，如圖3所示：

(1)約束。①約束白車身前左、右減震器座Y、Z兩個方向的平動自由度(Δy、Δz)；②約束白車身后左、右彈簧座X、Y、Z3個方向的平動自由度(Δx、Δy、Δz)。

(2)載荷。在通過前座椅處于軌道中間位置時點H的YOZ平面與門檻相交的位置，施加沿Z軸負向F=1 500 N的載荷(分別加載在左右兩側)，如圖3所示。

圖3 邊界條件

該車型主要由鈑金件通過螺栓連接、焊接、粘膠等方式構成，鈑金件及粘膠的材料參數如表1所示，焊接無需添加材料屬性。

表1 材料參數

3 仿真計算與結構優化

3.1 Nastran簡介

MSC.Nastran軟件是由MSC.Software公司推出的大型結構有限元分析軟件，主要有靜力學分析、動力學分析、熱分析等功能[9]。本文作者主要利用Nastran軟件對車身彎曲剛度進行分析。首先在HyperMesh前處理軟件中建立白車身有限元模型，再轉換為bdf格式文件，最后導入Nastran軟件中進行仿真計算。

3.2 仿真計算與結果分析

將在Nastran仿真軟件中計算生成的op2文件導入HyperView中進行后處理工作，得到白車身彎曲剛度Z向變形如圖4所示。

圖4 白車身彎曲剛度Z向變形云圖

在白車身理論彎曲剛度計算模型基礎上，可得出白車身有限元彎曲剛度計算模型，即：

(4)

(5)

根據圖4所示的白車身彎曲剛度Z向變形云圖，分別找到公式(4)(5)所需的各點坐標，代入計算，得到白車身彎曲剛度為12 744.99 N/mm，而針對該款車型的目標值為14 000 N/mm，明顯不符合要求。

3.3 結構優化

在和設計部門交流討論后，針對白車身彎曲剛度不符合要求情況，提出5種結構優化方案。

方案一：焊點間距優化

將之前的焊點距離由100 mm更改為50～70 mm。

方案二：厚度變更

在方案一基礎上，將B柱內板厚度由0.8 mm增加到1.0 mm，如圖5所示。

圖5 B柱內板

方案三：厚度變更

在方案一基礎上，將B柱內板厚度由0.8 mm增加到1.2 mm。

方案四：增加支架

在方案一基礎上，增加1個支架，如圖6所示。

圖6 方案四

方案五：增加支架

在方案一基礎上，增加2個支架，如圖7所示。

圖7 方案五

3.4 方案分析結果統計

按照上述白車身彎曲剛度的計算方法，依次計算5種結構優化方案的白車身彎曲剛度值，與原始方案匯總于表3。

由表3可知：方案一至方案五均相對原始方案有所提升，即縮短焊點間距、增加零件厚度、增加加強件等方案均可有效提高白車身彎曲剛度，但提升效果不同。其中方案三，即增加零件厚度方案的提升效果最為明顯，且滿足目標值要求。在與設計人員交流討論后，認為該方案可行，故采用方案三對白車身彎曲剛度進行結構優化。

表3 分析結果統計 N·mm-1

4 結論

(1)利用仿真軟件建立白車身有限元模型，根據彎曲剛度計算公式得到白車身彎曲剛度值。

(2)基于原始方案的分析結果，提出5種方案，均相對原始方案彎曲剛度有所提升，且方案三最佳，滿足性能要求。

(3)通過CAE技術對白車身彎曲剛度不斷優化，最終確定最佳方案，為該車型白車身結構改進和優化設計提供重要依據。