汽車(chē)車(chē)門(mén)剛度抗壓強(qiáng)度分析試驗(yàn)研究

韋芳蘭 陸新育 陸伸瑞 譚智 譚耀歡 石才將

摘 要：車(chē)身及零部件剛度是汽車(chē)的重要力學(xué)性能之一利用三維設(shè)計(jì)軟件中建立了白車(chē)身的幾何三維模型、采用 CAE 分祈軟件建立白車(chē)身有展元模型，用有限元理論分析靜態(tài)工況下承載式橋車(chē)白車(chē)身的用度特性、通過(guò)對(duì)其彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度的分析，研究車(chē)身結(jié)構(gòu)不同部住的受力特性，驗(yàn)證理論建模分析的合理性和可靠性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和落足輕量化要求提供必要的依據(jù)和支撐。

關(guān)鍵詞：剛度試驗(yàn);彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度分析：有限元分析

前言：汽車(chē)車(chē)身大多數(shù)采用全承載式結(jié)構(gòu)，承載式車(chē)身幾乎承載了轎車(chē)使用過(guò)程中的所有載荷，主要包括扭轉(zhuǎn)、彎曲等載荷，在這些載荷的作用下，車(chē)身的剛NVH度特性則尤顯重要。車(chē)身剛度不合理，將直接景細(xì)轎車(chē)的可靠性、安全性、性能等關(guān)鍵性指標(biāo)，白車(chē)身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析是整車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。本文通過(guò)和試驗(yàn)方案對(duì)比，提出了用于剛度分析的有限元分析該模型的抗凹剛度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出抗凹剛度較小的點(diǎn)，以減少這些測(cè)點(diǎn)的變形量為目標(biāo)。

1、白車(chē)身剛度特性概述

白車(chē)身部件的剛度一般包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。彎曲剛度可由車(chē)身的最大垂直撓度來(lái)衡量;扭轉(zhuǎn)剛度由車(chē)身軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角來(lái)衡量。

1.1扭轉(zhuǎn)剛度：當(dāng)車(chē)身上作用有非對(duì)稱垂直載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)處于扭轉(zhuǎn)工況，將使車(chē)身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，結(jié)構(gòu)的變形 程 度 與 結(jié) 構(gòu) 上 所 受 到 的 力 及 結(jié) 構(gòu) 的 扭 轉(zhuǎn) 剛 度 有 關(guān) 。此時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度為單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力。

1.2彎曲剛度：當(dāng)車(chē)身上作用有對(duì)稱垂直載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)處于 彎曲工況，其彎曲剛度由車(chē)身底架的最大垂直撓度來(lái)評(píng)價(jià) 。

2、車(chē)門(mén)抗凹剛度試驗(yàn)分析

2.1 車(chē)門(mén)有限元抗凹剛度分析

在三維CAD模型導(dǎo)入前，對(duì)一些復(fù)雜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，忽略對(duì)整體力學(xué)性能影響較小的幾何細(xì)節(jié)，如直徑較小的孔、過(guò)度圓角和倒 角及螺栓，以獲得較好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，提高求解精度。

2.2單元選取與網(wǎng)格劃分

在有限元模型的建立過(guò)程中，定義當(dāng)車(chē)門(mén)安裝在車(chē)身并保持關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，車(chē)門(mén)坐標(biāo)系與汽車(chē)坐標(biāo)系相同。車(chē)門(mén)所有薄板沖壓成型件均采用四邊形和三節(jié)點(diǎn)三角形殼單元，平均長(zhǎng)度控制在15 mm左右，殼單元共23736個(gè)，三角形單元1059個(gè)，占4.46%（< 5 %），同時(shí)用rigid模擬螺栓連接和點(diǎn)焊，rigid單元共822個(gè)司。各零件通過(guò)提取中面后再劃分網(wǎng)格，其厚度在材料屬性中輸入。

2.3抗凹剛度分析

車(chē)門(mén)外板等較平坦的覆蓋件，應(yīng)具有適宜的抗凹剛度，當(dāng)用手觸壓車(chē)門(mén)外板時(shí)，如果較小的力也會(huì)產(chǎn)生撓曲，給人以柔軟感和鼓癟感，外板的剛度就是定量地描述這種感覺(jué)。對(duì)車(chē)門(mén)外板施加集中載荷時(shí)的載荷變形曲線的斜度用以定量評(píng)價(jià)表面的柔軟感。根據(jù)上述，車(chē)門(mén)抗凹剛度是指車(chē)門(mén)外板抵抗人為觸摸按壓的靜態(tài)載荷能力。與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)相同的位置處，在有限元車(chē)門(mén)模型上施加y向載荷400N，給出了在最大載 荷400N時(shí)，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與模型測(cè)點(diǎn)的最大變形量。車(chē)門(mén)測(cè)點(diǎn)加載和約束位置。

3、車(chē)門(mén)剛度抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

3.1檢查試驗(yàn)樣件

檢查完試驗(yàn)臺(tái)后，需要對(duì)樣件也進(jìn)行檢測(cè)。檢查樣件的外觀狀態(tài)是否完好，同時(shí)根據(jù)樣件的外觀形態(tài)需確定好其固定方式，需注意的是整車(chē)必須先拆除車(chē)輪才能固定進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 確定車(chē)輛的加載狀態(tài)

當(dāng)樣件放到支撐夾具上后，需通過(guò)測(cè)量支撐高度和支點(diǎn)距離來(lái)確定車(chē)輛的傾角與俯仰角度，即車(chē)輛的加載狀態(tài)。

3.3 劃線

車(chē)門(mén)鎖好，車(chē)窗升至頂部，在車(chē)身的顯著位置劃出縱向?qū)ΨQ線，按照相應(yīng)要求同時(shí)劃出距離車(chē)門(mén)低端127mm的水平線（與設(shè)備加載裝置下邊線重合）和該水平線被車(chē)門(mén)輪廓截取線段的中點(diǎn)，然后過(guò)該點(diǎn)劃出鉛垂線在車(chē)門(mén)上的投影線。

3.4確定加載頭的高度

根據(jù)畫(huà)出的加載最低水平線到車(chē)窗的距離確定加載頭的高度（加載頭頂端表面高出車(chē)門(mén)車(chē)窗底部邊緣至少13mm）

3.5標(biāo)記受力部位

根據(jù)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)特征，可以得出受力部位包括加強(qiáng)筋、鉸鏈、門(mén)鎖等，試驗(yàn)之前這些部位需要進(jìn)行標(biāo)記處理。

3.6固定車(chē)身

車(chē)身固定在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中屬于相當(dāng)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，主要步驟如下：調(diào)節(jié)車(chē)身使它與設(shè)備平行，并且要使車(chē)門(mén)上白膠帶與加載頭的中心線重合;在四個(gè)基礎(chǔ)支撐上先固定四個(gè)張緊器，四個(gè)張緊器左右對(duì)稱并且同時(shí)張緊;安裝固定兩個(gè)縱梁側(cè)擋，位置為貼緊前后軸附近的車(chē)身縱梁;加載側(cè)B柱下方需要固定一個(gè)支撐同時(shí)可以起到側(cè)擋作用;非加載側(cè)前中后各固定三個(gè)支撐同時(shí)也起到側(cè)擋作用;在前機(jī)蓋部位平坦處與后背箱上方平坦處各取一處分別安裝一套車(chē)身固定裝置，需要注意的是壓緊裝置與車(chē)身中間應(yīng)覆蓋一層橡膠。

3.7加載位移監(jiān)控

目前試驗(yàn)運(yùn)用較常用的方法有兩種，一種是在車(chē)身非加載側(cè)固定一個(gè)百分表以便于監(jiān)控車(chē)身在加載方向是否有位移，另外一種則是在車(chē)身非加載側(cè)固定鉛錘監(jiān)控位移。

4、車(chē)門(mén)剛度抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

在車(chē)門(mén)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，可以觀察車(chē)門(mén)的變形量和接載荷形變-時(shí)間曲線來(lái)評(píng)價(jià)車(chē)門(mén)的耐擠壓性能，通過(guò)往常試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)結(jié)果。

按照標(biāo)準(zhǔn)，擠壓力分析包括三個(gè)階段：

（1）初始擠壓力――在0-152mm擠壓距離上使車(chē)門(mén)產(chǎn)生變形的平均力;

（2）中間擠壓力――在0-305mm擠壓距離上使車(chē)門(mén)產(chǎn)生變形的平均力;

（3）最大擠壓力――在 457mm 擠壓距離上記錄到的最大力。

4.2 試驗(yàn)分析

在車(chē)門(mén)抗壓試驗(yàn)中，防撞梁和車(chē)門(mén)加強(qiáng)板是主要的承力部件，針對(duì)防撞梁和加強(qiáng)板可以做出以下優(yōu)化方法：

（1）將防撞梁上移25mm、安裝支架上移25mm，同時(shí)防撞梁逆時(shí)針繞中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)5度。

（2）將防撞梁上移55mm、安裝支架上移55mm，同時(shí)防撞梁逆時(shí)針繞中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)10度。

（3）將車(chē)門(mén)內(nèi)外加強(qiáng)板通過(guò)增加加強(qiáng)筋的方法增加剛度。

以上方案通過(guò)軟件仿真計(jì)算及限元模擬分析，優(yōu)化前、后的接觸力曲線進(jìn)行比較分析可知，調(diào)整防撞梁的安裝位置可以改變車(chē)門(mén)的抗擠壓能力;而對(duì)車(chē)門(mén)外板和內(nèi)板加強(qiáng)板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，也可以提高車(chē)門(mén)的抗壓能力。

總結(jié)：本文簡(jiǎn)述了某款電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身的剛度分析，獲取了試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，用于指導(dǎo)具體的研發(fā)實(shí)踐。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)身進(jìn)行有限元分析的目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)的合理性 、可行 ?性進(jìn)行判斷及優(yōu)化，大大提升了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、可靠性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的解決方案。

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