白車身強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉小會 楊越

摘 要：文章首先闡述了車身強(qiáng)度分析的目的以及CAE分析的方法，然后分析了基于強(qiáng)度考慮的車身優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。以某型汽車C柱區(qū)域的強(qiáng)度問題為例，進(jìn)行了原因分析和方案優(yōu)化，經(jīng)CAE分析驗(yàn)證，結(jié)果滿足要求。

關(guān)鍵詞：汽車;強(qiáng)度;CAE 分析;應(yīng)力

中圖分類號：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）10-181-03

The Optimal Design of The White Body Strength

Liu Xiaohui， Yang Yue

（The technology center of the jiang huai automobile， Anhui Hefei 230001）

Abstract：?This paper first describes the purpose of the body strength analysis and the method of CAE analysis，?then analyzes the body design method based on intensity is considered. Finally， this paper takes the strength of the column with a certain type of car C area problem as example， has carried on the analysis of the causes and scheme optimization， the final CAE analysis verify again， can meet the requirements.

Keywords： Automobile;?Strength;?CAE; Stress

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）10-181-03

前言

汽車的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要由車身強(qiáng)度來決定。汽車在行駛過程中，必須要求車身結(jié)構(gòu)能承受各種各樣的載荷，不能產(chǎn)生塑性變形，更不能產(chǎn)生裂紋和損壞。若車身強(qiáng)度不足，將會造成車身零部件產(chǎn)生塑性變形，局部開裂或整體斷裂，嚴(yán)重影響汽車的安全性能和使用壽命，所以車身都必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核，使其滿足強(qiáng)度要求。^[1]

1 車身強(qiáng)度分析簡述

1.1 車身強(qiáng)度分析的目的

汽車的白車身承載著汽車在包括靜止起步、制動、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和垂直沖擊等各種工況下的整車重力，加速度等。白車身的各個零部件在各種工況下的受力方向及大小也各不相同，為了保證白車身在正常行駛過程中不發(fā)生開裂，變形等嚴(yán)重影響客戶體驗(yàn)和產(chǎn)品質(zhì)量的問題，白車身設(shè)計(jì)時就必須保證其各個零部件有足夠的強(qiáng)度。

車身強(qiáng)度分析的目的便是在設(shè)計(jì)階段對白車身各個零部件在各種工況下的受力大小進(jìn)行考核，考核其是否低于零部件材料本身的強(qiáng)度。若低于零部件本身的強(qiáng)度，則表示此處車身強(qiáng)度不足，必須進(jìn)行加強(qiáng)。若高于零部件本身的強(qiáng)度則表示此處車身強(qiáng)度合格。

1.2 車身強(qiáng)度分析的方法

根據(jù)整車靜止起步、制動、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和垂直沖擊五種工況，在 ADAMS里面計(jì)算提取出各工況下前后懸架、前后減震器連接點(diǎn)的載荷，施加到相應(yīng)點(diǎn)。考慮重力場作用，對輪心進(jìn)行約束，并對于約束慣性釋放。據(jù)此分析白車身在五種工況下各個零部件的受力大小。

車身強(qiáng)度分析結(jié)果判斷的準(zhǔn)則是：車身最大應(yīng)力不超過其零件的屈服強(qiáng)度。

2 基于強(qiáng)度考慮的車身設(shè)計(jì)方法

由1.2可知，強(qiáng)度分析時，在五種工況下，白車身所受的力是從下圖1所示的懸架，副車架安裝點(diǎn)向周邊件傳遞的。也就是說，懸架，副車架在車身上的安裝點(diǎn)受力最大，然后通過焊點(diǎn)向周邊的零部件傳遞。下圖1即為懸架，副車架在車身上安裝位置示意圖。

因此，車身設(shè)計(jì)時需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）懸架、副車架安裝點(diǎn)處，車身需要設(shè)計(jì)足夠的強(qiáng)度，數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)時需要重點(diǎn)關(guān)注。

（2）懸架、副車架安裝點(diǎn)力的傳遞路徑上，焊點(diǎn)間距設(shè)計(jì)建議30±5mm，盡量增加焊點(diǎn)數(shù)量，以避免單個焊點(diǎn)力的傳遞過多，造成焊點(diǎn)位置處應(yīng)力集中。

（3）懸架、副車架安裝點(diǎn)處力的傳遞路徑上，車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)過渡要順暢，避免出現(xiàn)劇烈的變化，導(dǎo)致應(yīng)力集中。

3 白車身強(qiáng)度優(yōu)化車型實(shí)例

下面以某型汽車的側(cè)圍C柱局部位置強(qiáng)度不足問題為例，分析強(qiáng)度問題原因及方案制定的過程。

3.1 某型汽車強(qiáng)度分析

首先根據(jù)整車靜止起步、制動、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和垂直沖擊五種工況，在 ADAMS里面計(jì)算提取出各工況下前后懸架、前后減震器連接點(diǎn)的載荷，施加到白車身模型中相應(yīng)位置，分析白車身各個零部件在靜止起步、制動、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和垂直沖擊五種工況下的最大受力值。

下圖2為某型汽車分別在靜止起步、制動、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和垂直沖擊五種工況下的應(yīng)力云圖。

3.2 某車型C柱區(qū)域強(qiáng)度問題描述

下圖4為側(cè)圍外板和C柱上拐角加強(qiáng)板在靜止起步、制動、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和垂直沖擊五種工況下零件最大應(yīng)力值示意圖。

依據(jù)CAE模擬分析結(jié)果，該車型在垂直工況下，在如下圖3所示位置處，側(cè)圍外板和C柱上拐角加強(qiáng)板（C柱上拐角加強(qiáng)板如下圖5、圖6所示），應(yīng)力值分別為230MPa，178.9MPa。而側(cè)圍外板材料設(shè)計(jì)為DC56D+ZF，材料本身的最低屈服強(qiáng)度為150MPa^[2]。C柱上拐角加強(qiáng)板材料設(shè)計(jì)為SPCEN，材料本身的屈服強(qiáng)度150MPa^[2]。

由此可以得出如下結(jié)論：

（1）側(cè)圍外板在垂直工況下零件所受應(yīng)力值大于其材料本身的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)為0.65，不合格。

（2）C柱上拐角加強(qiáng)板在垂直工況下零件所受應(yīng)力值大于其材料本身的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)為0.84，不合格。

圖5為圖3中應(yīng)力集中位置的局部放大圖，其中左圖為從車外方向看，右圖為從車內(nèi)方向看。應(yīng)力出現(xiàn)在圖3、圖5所圈示位置，其中由圖5可以看出，側(cè)圍外板和C柱上拐角加強(qiáng)板應(yīng)力集中出現(xiàn)的位置是相似的，均出現(xiàn)在卷軸器過孔旁邊的位置。

圖6為圖5中斷面A-A的示意圖。

3.3 原因分析及優(yōu)化方案制定

3.3.1 原因分析

如上圖5、圖6所示，后減震器安裝點(diǎn)位于后輪包內(nèi)板上，在垂直工況下，減震器安裝點(diǎn)的力為垂直向上方向，經(jīng)過輪包內(nèi)外板，直接傳遞至C柱內(nèi)板。而C柱內(nèi)板上設(shè)計(jì)有孔徑較大的安全帶卷軸器過孔，極大的削弱了C柱內(nèi)板在該位置處的強(qiáng)度。而且，如斷面A-A所示，C柱內(nèi)板僅在上拐角區(qū)域設(shè)計(jì)有加強(qiáng)板，（即C柱上拐角加強(qiáng)板，材質(zhì)為SPCD，料厚為1.5mm），而在卷軸器過孔區(qū)域無加強(qiáng)板。導(dǎo)致卷軸器過孔區(qū)域強(qiáng)度很弱。力傳遞至此時，C柱內(nèi)板在此區(qū)域發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致側(cè)圍外板也在此處發(fā)生變形。

上圖7為沿上圖3中箭頭方向看，應(yīng)力集中位置的局部放大圖。如圖7所示，門洞造型在應(yīng)力較大的位置出現(xiàn)彎曲，在垂直工況下，此處的彎曲也會導(dǎo)致力傳遞的不順暢，也對此區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了削弱。

也就是如上面車體設(shè)計(jì)要點(diǎn)3所述，懸架、副車架安裝點(diǎn)處力的傳遞路徑上，車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)在卷軸器安裝孔處出現(xiàn)嚴(yán)重減弱，導(dǎo)致此處應(yīng)力集中。因此，需要對此處進(jìn)行加強(qiáng)。

3.3.2 優(yōu)化方案

圖8為本優(yōu)化方案在圖五中A-A處的斷面示意圖。如下圖8所示，在卷軸器過孔區(qū)域增加C柱加強(qiáng)板，上面與C柱上拐角加強(qiáng)板通過點(diǎn)焊進(jìn)行焊接，下面與輪包內(nèi)、外板通過點(diǎn)焊進(jìn)行焊接。使后懸架安裝點(diǎn)的力可以沿著C柱內(nèi)板向上傳遞，C柱加強(qiáng)板，C柱上拐角加強(qiáng)板傳遞，而且中間不存在強(qiáng)度薄弱區(qū)域。

由此，對此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，減少側(cè)圍外板和C柱內(nèi)板的受力，從而降低應(yīng)力。

3.4 CAE分析驗(yàn)證

下圖9為上述優(yōu)化方案的CAE分析結(jié)果。如下圖9所示，在垂直工況下，側(cè)圍外板應(yīng)力為149.93MPa，C柱上拐角加強(qiáng)板應(yīng)力為143.74MPa。此兩個件的應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

車身強(qiáng)度設(shè)計(jì)是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。而對于車身強(qiáng)度設(shè)計(jì)來說，需重點(diǎn)關(guān)注懸架、副車架在車身上安裝點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)。同時，該車型在原有設(shè)計(jì)時，不滿足本文第二章節(jié)所述（即：懸架、副車架安裝點(diǎn)處力的傳遞路徑上，車身結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)過渡要順暢，避免出現(xiàn)劇烈的變化，導(dǎo)致應(yīng)力集中），在力的傳遞路徑上，出現(xiàn)局部強(qiáng)度薄弱的區(qū)域，導(dǎo)致該處應(yīng)力集中，零件所受力大于其材料的屈服強(qiáng)度。因此對于該車型力的傳遞路徑上的薄弱區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，即增加圖8中所示的C柱加強(qiáng)板，解決了該處應(yīng)力集中的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]?汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)第2版機(jī)械工業(yè)出版社 2017.05.

[2]?寶鋼，冷軋產(chǎn)品手冊.

[3]?汽車車身現(xiàn)代設(shè)計(jì)/朱茂桃，智淑亞主編.----北京：國防工業(yè)出版社，2017.2重印.

[4]?盧麗平，張雷，武照云.某轎車白車身強(qiáng)度分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010 （7） ：53-56.

[5]?徐龍.基于極限工況載荷的車身靜態(tài)強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長沙：湖南大學(xué)， 2011.