某汽車白車身有限元分析與校核

張曉晨，李迪

（1.255049 山東省 淄博市 山東理工大學 交通與車輛工程學院；2.山東金麒麟股份有限公司）

0 引言

有限元仿真分析技術是一種高效、先進的仿真模擬技術，可利用仿真模擬實際工況得出仿真結果，通過對標等手段解決復雜的工程問題[1]。本文運用HyperMesh 軟件對某款汽車的白車身進行剛度和自由模態仿真，校核白車身的靜態結構性能是否符合企業設計要求。

1 白車身有限元模型建立

在HyperMesh 中對白車身三維模型進行前處理工作。修繕白車身三維模型中的一些破面、錯位與重疊等問題，對于小于4 mm 的倒角和凸臺等特征進行簡化處理。由于白車身含有大量的鈑金件，因此本文選用殼單元網格進行離散化并劃分尺寸為8 mm，企業的網格具體標準見表1。

表1 網格單元標準Tab.1 Grid cell standard

白車身的網格劃分主要有3 種：一維單元主要模擬焊點與螺栓連接；二維單元主要是選擇Quad4 和Tria3 單元，多用于白車身鈑金件中面的網格劃分；三維單元主要是選擇四面體單元和六面體單元，多用于無法抽中面的實體部件。在HyperMesh 中選用rigid 類型的單元模擬焊點和螺栓，完成該款汽車白車身的裝配工作，白車身有限元模型如圖1 所示。

圖1 白車身有限元模型Fig.1 Finite element model of body in white

2 白車身有限元仿真

2.1 剛度仿真

汽車在行駛過程中受到垂向載荷時，車身會產生彎曲變形，彎曲剛度是體現車身抵抗彎曲變形能力的重要指標[2]。白車身彎曲剛度值在數學表達式中采用載荷與監測點彎曲撓度值比值表示

在HyperMesh 中設置白車身彎曲剛度求解的有限元模型。在地板座椅安裝的4 個位置按照每個1 000 N 加載，約束前減振位置Z 向自由度和后減震位置XYZ 三個方向自由度。在OptiStruct中提交運算得到彎曲剛度結果文件。彎曲剛度仿真變形云圖如圖2 所示。在HyperView 中提取門檻梁監測點的彎曲撓度值，最大為-0.35 mm，計算可得白車身彎曲剛度為11 429 N/mm。

圖2 彎曲剛度變形云圖Fig.2 Bending stiffness deformation cloud

汽車在行駛過程中，由于受力不均會導致車身扭轉變形，從而產生相對扭轉角，白車身扭轉剛度是體現整車抵抗扭轉變形的一個重要指標。扭轉剛度數學計算表達式通常可簡化為

按照真實工況在HyperMesh 中設置求解模型：前減振器塔位置施加2 000 N·m 的扭矩，前部和后懸減震位置分別約束Z 向和XYZ 向自由度。通過仿真得到扭轉工況變形云圖如圖3 所示。前減振器塔處的位移量分別是-1.42，1.38 mm，可求得白車身扭轉剛度為12 500 N·m/rad。

圖3 扭轉剛度變形云圖Fig.3 Torsional stiffness deformation cloud

2.2 模態仿真

當汽車的固有頻率與外界的激勵頻率相近時會造成汽車共振現象[3]。在汽車設計階段就需要考慮汽車的振動頻率和振型等，以便避開外界激勵頻率并進行相應的優化。模態仿真理論基礎

為了避免發生共振現象，保證汽車的NVH性能，需要對設計初始階段的白車身進行模態仿真。通過仿真得到前12 階模態頻率與振型，去除結構剛體模態后剩余的模態仿真結果如圖4—圖9 所示。

圖4 1 階模態頻率與振型Fig.4 First-order modal frequency and mode shape

圖5 2 階模態頻率與振型Fig.5 Second-order mode frequency and mode shape

圖6 3 階模態頻率與振型Fig.6 Third-order mode frequency and mode shape

圖7 4 階模態頻率與振型Fig.7 Fourth-order mode frequency and mode shape

圖8 5 階模態頻率與振型Fig.8 Fifth-order modal frequency and mode shape

圖9 6 階模態頻率與振型Fig.9 Sixth-order modal frequency and mode shape

3 白車身性能校核

3.1 白車身剛度校核

按企業要求，白車身剛度值及開口變形量必須滿足設定的剛度標準，否則需要對設計初始階段的車型進行重新設計。企業剛度標準見表2。仿真結果與企業剛度標準對比可知白車身剛度性能符合剛度標準。

表2 車身剛度對比表Tab.2 Body stiffness simulation results

白車身受到載荷時極易導致車身上的開口處變形，白車身開口處變形量是體現整車剛度的指標之一[4]。選取該款汽車白車身上的車門及風窗等6 個開口處的12 個對角線進行剛度工況變形量的校核。由表3 可知，彎曲和扭轉工況開口處對角線變形低于目標值，滿足企業設計要求，驗證了該款汽車車身剛度良好。

表3 剛度工況開口處變形量對比Tab.3 Comparison of deformation at opening under stiffness condition

3.2 白車身模態校核

按企業要求校核設計初始階段的白車身模態是否符合設計要求。根據仿真結果，前6 階模態振型和頻率見表4。

表4 各階模態振型與頻率Tab.4 Mode shapes and frequencies of each order

汽車受到路面和發動機的激勵頻率在20 Hz以下，由表4 可知，白車身6 個模態頻率大致在22～50 Hz，汽車在行駛中能夠避免共振現象。扭轉振型頻率與相近的彎曲振型的頻率差較大，可避免彎曲與扭轉振型耦合，白車身模態仿真結果良好。

4 結語

本文根據汽車三維數據建立了有限元模型，并對白車身進行了靜態剛度和自由模態仿真。仿真結果表明，白車身剛度值及變形均滿足企業剛度標準，白車身模態頻率與振型分布合理，該款汽車的白車身性能滿足設計要求。通過仿真分析形成了一套科學嚴謹的車身校核理念和方法，對其他類型的汽車研發同樣具有重要參考價值。