全景天窗汽車車身剛度分析及優化設計

彭立強　孫靜瑤　王立新

摘 要：為了提高全景天窗汽車的車身剛度，滿足汽車車身設計要求，利用yperWorks軟件建立了全景天窗車型（A型車）白車身有限元模型，分析其車身扭轉剛度和扭轉工況下的開口變形量，并與無天窗原型車進行對比研究。對A型車和原型車車身扭轉剛度及開口變形量進行試驗測量，并將仿真結果進行對比分析;對全景天窗的A型車車身剛度進行結構優化，如增大頂蓋前后橫梁截面積、改進水箱上橫梁斷面及截面形式、減少前后橫梁孔洞及增加連接點等。結果顯示，增加汽車天窗會使汽車的扭轉剛度下降52%，同時車身在扭轉工況下的開口變形量也會大幅增加，而對A型車進行結構優化后滿足了設計要求。研究結果為全景天窗車身的剛度設計提供了一定的理論支持和設計參考。

關鍵詞：機械強度; 全景天窗;車身剛度;扭轉剛度;變形量;優化設計

中圖分類號：U46383?? 文獻標志碼：A

Abstract：In order to improve the body stiffness of panoramic sunroof cars and meet the requirements of automobile body design， the finite element model of panoramic sunroof car （A-type） white body is established by using yperWorks software， the torsional stiffness of the body and the opening deformation under torsional conditions are analyzed， and the A-type car is compared with the prototype car without sunroof. The body stiffness and opening deformation of A-type car and the prototype car are measured， and the simulation results are compared. The stiffness of A-type car body with panoramic sunroof is optimized by enlarging cross-section area of front and rear roof， improving cross-section and cross-section form of water tank， reducing cross-beam holes and increasing connection points， and so on. The results show that panoramic sunroof body will make the torsional stiffness decrease by 52%， and the opening deformation of the body will increase greatly under the torsional condition， so that the structural optimization of the A-type car can meet the design requirements. The study provides theoretical support and design reference for stiffness design of panoramic sunroof car body.

Keywords：mechanical strength; panoramic sunroof; body stiffness; torsional stiffness; deformation; optimal design

現代轎車車身的剛度分析已經貫穿于車身結構設計的全過程，是現代轎車車身設計開發的重要環節，對轎車車身的結構設計意義重大。汽車車身設計對車身剛度具有較高的強度要求，尤其是車身扭轉剛度，它是車身抵抗較惡劣的扭轉工況載荷的關鍵保證指標。汽車白車身剛度主要包括彎曲剛度和扭轉剛度。彎曲剛度可用車身在鉛垂載荷作用下產生的撓度大小來描述，或者用單位軸距長度最大撓度量評價。扭轉剛度可以用車身在扭轉載荷作用下產生的扭轉角大小來描述，或用單位軸距長度軸間相對扭轉角評價[1]。

目前，國外對車身剛度的分析成果主要有：OWARD等[2]利用有限元方法對某轎車車身扭轉剛度和車身輕量化靈敏度進行了研究;COI等[3]分析了T型接頭對整車剛度的影響;NIMA等[4]研究了轎車車身剛度對車身振動及汽車噪聲的影響。目前國內對轎車車身剛度的分析有：馬迅等[5]分析車身常用薄壁構件的剛度;胡寧[6]采用有限元方法研究了某轎車的車身彎曲剛度和扭轉剛度。國內相關研究機構對車身剛度做了大量研究分析[7-16]，但很少見到有關對全景天窗車身的研究報道。天窗對其車身剛度的影響至關重要，因此分析全景車窗車身剛度具有重要的工程價值。

2.2 邊界及載荷條件

本文對某全景天窗轎車白車身進行車身剛度分析，首先確定剛度分析的邊界條件。車身剛度分析的邊界條件包括扭轉剛度邊界條件和彎曲剛度邊界條件，其約束如下。

1）扭轉剛度約束

前端約[WTBX]束Z向移動，左后減震器位置約束X，Y，Z向移動，右后減震器位置約束X，Z向移動;左右前減震器位置分別施加2 604.6 N的力，其約束如圖1 a）所示。

2）彎曲剛度約束

左前減震器位[WTBX]置約束Y，Z向移動，右前減震器位置約束Z向移動，左后減震器位置約束X，Y，Z向移動，右后減震器位置約束X，Z向移動;載荷：左右門檻梁位置分別施加1 500 N的力，其彎扭剛度分析邊界條件如圖1 b）所示。

2.3 白車身有限元模型劃分

采用有限元分析軟件對白車身（BIW）進行網格劃分，經過網格處理，得到了該SUV白車身有限元模型如圖2所示，其中節點數（nodes）782 095，2D單元中（Tria3）41 582個，焊接單元5 036個，白車身單元劃分信息如表2所示。

2.4 扭轉剛度計算結果分析

在建立車身有限元模型的基礎上，通過設置車身扭轉剛度的約束邊界條件，計算得到該車身的扭轉剛度變形圖，如圖3所示。

從圖3白車身彎曲變形圖可看出，在載荷的作用下該車身總體彎曲變形平順，沒有出現非常明顯的變形突變，因此該車身彎曲剛度分配較合理。

2.5 車身剛度試驗與仿真比較分析

A車型是指在原參考車型的基礎上增加全景天窗的車型，參考車型是原型車，沒有天窗的成熟車型。A車型在參考車型的基礎上改造了頂蓋，對頂蓋、頂蓋前后橫梁進行了初步改造，增加了全景天窗，機艙、側圍、地板均為參考車型結構。

本文對A車型和無天窗參考車型分別進行了仿真及試驗分析（見圖4），其仿真與試驗結果見表3。

由表3可知，對于A型車扭轉剛度仿真值與試驗值分別為7 676，8 235 N·m/（°），試驗與仿真誤差為926%;對于無天窗參考車型扭轉剛度仿真值與實驗值分別是15 834，17 450 N·m/（°），試驗與仿真誤差為679%;A型車與參考車型的仿真與試驗扭轉剛度比值分別為0.485，0.472，扭轉剛度比值基本一致，A型車扭轉剛度是參考車型扭轉剛度的48%左右，試驗結果略大于仿真值。由此可見，增加汽車天窗會使汽車的車身剛度大大降低。

要通過仿真和試驗分析該全景天窗白車身開口的變形量，必須對車身前風擋及天窗開口處進行標記編號。

車身開口編號如圖5所示。前風擋兩對角線方向的變形量分別定義為A1，A2，車身頂蓋天窗對角線方向變形量定義為E1，E2。在扭轉工況下，對A車型前風擋及頂蓋開口的變形量進行仿真與試驗分析，并與無天窗的參考車型相比較，分析試驗結果見表4。

由表4可知，增加天窗后汽車車身扭轉工況下的開口變形量明顯變大，A車型相比參考車型，前風擋變形量A1，A2分別增加了3.23，3.92（試驗值），頂蓋開變形量E1，E2分別增加了12.42，8.18（試驗值）。增加全景天窗使汽車扭轉剛度大幅下降，開口變形量大幅上升，特別是頂蓋開口處的變形量。為滿足全景天窗車身設計的要求，必須對全景天窗汽車車身進行剛度優化，以滿足設計要求。

3 全景天窗白車身剛度結構優化

對車身結構的改進和優化：1） AB柱采用熱成型材料;2）地板側圍縱梁采用高強度滾壓型材;3） 優化頂蓋前后橫梁，增大截面;4） 優化前后橫梁接角，減少孔洞，增加連接點;5） 改進水箱上橫梁斷面及截面形式。

優化后分析結果如下：彎曲剛度為12 959 N/mm;扭轉剛度為19 757.5 N·m/（°）;因天窗版采用全景天窗， BIP車身（注：BIP 車身包括白車身、前風擋、頂蓋玻璃、管梁、前后副車架，前后防撞梁）扭轉剛度要求達到25 000 N·m/（°），對BIP車身進行扭轉剛度分析結果為26 448.4 N·m/（°），可以滿足設計要求。

4 結 論

本文建立了某全景天窗A型車的有限元仿真模型，對該車剛度進行仿真分析，同時利用試驗條件，對該A型車及同類型無天窗參考車型進行剛度和開口處變形量試驗測量，得到如下結論。

1）在載荷的作用下A型車車身總體彎曲變形平順，沒有出現非常明顯的變形突變，因此該車身彎曲剛度分配較合理。

2）增加天窗后使汽車車身扭轉剛度下降了52%，扭轉剛度的試驗和仿真結果基本一致。

3） A型車與參考車型比較，在頂蓋開口與不開口兩種狀態下，前風擋與頂蓋開口的變形量變化均很大，天窗對車身扭轉剛度下的開口變形量影響很大。

本文沒有考慮剛度性能更好的材料，未來可以采用性能更好的車身材料或一體沖焊的車身結構來提高全景天窗車身剛度。

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