基于多體模型載荷分解的物流車骨架強度分析

摘 "要：車身骨架作為整車承載系統，其強度對整車性能及乘員安全有重要的影響，鑒于車輛運行狀態的復雜性，工程師很難準確地獲取車身骨架的受載和邊界約束。本文以某新開發的物流車為例，使用MotionView軟件建立多體模型，對八種典型極限工況進行準靜態分析，獲取了車身接附點的載荷，利用有限元模擬出車身骨架在各工況下的應力狀態，并優化了薄弱環節的結構。通過載荷分解與強度分析，為物流車設計過程中的強度校核提供了一套完整的解決方案。

關鍵詞：車身骨架;多體模型;載荷分解;極限工況;強度分析

中圖分類號：U463.82+2 " "文獻標識碼：A " "文章編號：1005-2550（2022）06-0068-06

The Strength Analysis for Logistics Car Frame Based on The Load Decomposition of Multi-body Model

JING Zhen-yang， HU Liang-wen

（ Zhuhai Guangtong Automobile Co.， Ltd.， Zhuhai 519090， China ）

Abstract： It is important to vehicle performance and occupant safty for the loading system of the car frame， Because of the boundary condition of load and state of motion is very complex， it is very hard to get the accurately loading and boundary constraint. Taking a new logistics car as an example in this paper， the logistics car model is established by using MotionView software， there are eight typical limit loadcase for strength analysis in order to get the force on the contact point. According to finite element method， the stress about car frame is calculated and the struct weakness is also optimized. For the load decomposition and strength analysis of the car frame， a complete set of solutions is established in order to check strength in the whole logistics car design.

Key Words： Body Frame; Multi-body Model; Load Decomposition; Limit Loadcase; Strength Analysis

引 " "言

當車輛受到較大載荷時，全承載式車身能夠迅速擴散力流，使車身的骨架結構達到一種平衡狀態，提高了整車的安全性能。全承載式車身技術已在國內外客車領域廣泛應用，同時也引領著物流車的結構設計開發[1]。車身骨架作為主要的承載部件，其強度校核尤其重要。在車輛行駛過程中，車身受到的載荷和邊界條件均來自于懸架。懸架是一套復雜的多體系統，且實際運動狀態多變，手工計算或簡單試驗的方法很難準確地獲取車身骨架的受載和邊界約束。通過調研相關文獻[2-4]，汽車行業先進的解決方案如下：建立懸架的多體動力學模型和典型的極限工況，進行準靜態仿真分析，提取出各工況的車身各個接附點載荷，利用慣性釋放算法，進行車身強度仿真分析和評估。

目前國內公開發表的物流車強度分析工況及其載荷介紹較少。本文利用HyperWorks平臺的HyperMesh模塊建立車身有限元模型，MotionView/MotionSolve模塊建立懸架多體模型和分解載荷，OptiStruct模塊進行靜力學分析求解，對某新開發的純電動全承載式物流車車身骨架進行強度分析和結構優化。

1 " "仿真模型的建立

1.1 " 車身有限元模型

將車身模型適度簡化，移除不必要的非承載件，忽略車身蒙皮和玻璃對車身結構強度的影響，注意保證簡化前后結構的傳力路徑、剛度、質量、質心位置等特征信息基本一致。該車骨架模型包含鈑金梁、埋件等焊接件以及底架的矩形管梁;結構件采用SHELL單元模擬，基本尺寸為10mm;焊縫采用Rigid、seam模擬;座椅、乘客、裝飾件及非金屬件采用RBE3+MASS單元模擬;金屬件及結構安裝件采用RBE2+MASS單元模擬;按滿載狀態下，通過RBE3+MASS單元將載貨質量均布在貨箱骨架上表面節點上;加上司乘人員2人，白車身有限元模型如圖1所示，單元數622897個，節點數648300個，總質量2.7t。

1.2 " 前懸多體模型

該車前懸為雙橫臂式獨立懸架，可借用Motion View模板庫中的Front Multi-link模型，在此基礎上結合實際結構改進模型body與joint，硬點坐標及各懸架部件質量、慣量可直接在數模中進行量取，保證襯套、彈簧以及限位緩沖塊等彈性元件參數設置與實測值相同，部分剛度值見表1。用梁單元參數化建模工具NLFEstabar，創建橫向穩定桿子系統，本質是將一個構件分成多段梁ploybeam連接，各梁間能很好地傳遞軸向力、剪切力、彎矩和扭矩[5]。最后，調整懸架初始平衡狀態，使之與實車一致，如圖2所示：

1.3 " 后懸多體模型

該車后懸為板簧非獨立懸架，建模方法與前懸基本一致。其中后懸多體模型的建立重點在于襯套、緩沖塊和板簧剛度參數獲取。通過板簧襯套剛度實驗后，得到如表2所示的三個平動方向、三個轉動方向剛度。

因限位緩沖塊主要受到垂向作用力，故僅做垂向的剛度實驗，獲得其剛度曲線如圖3所示：

鋼板彈簧是后懸傳遞縱向力和側向力的重要傳力元件，它是由4片兩端薄中間厚、等寬不等長的合金鋼片疊加而成。車輛實際運行時，鋼板彈簧同時存在著大變形、高預應力和各片間復雜的接觸摩擦，因此，鋼板彈簧的精確建模是比較困難的。MotionView 中鋼板彈簧建模采用的方案是離散梁法，應用有限元法的思想，將每段鋼板彈簧都離散成若干段的剛體，且在每段離散的剛體之間都用BEAM梁連接，梁參數根據鋼板彈簧截面形狀與材質得出，各片之間的接觸利用MotionView 中的接觸力Force定義，該法可以建立與實際鋼板彈簧性能和形狀接近的模型。本文使用基于MotionView開發的板簧工具箱Leaf Spring，通過輸入參數，生成所需類型的板簧模型，大大提升了建模效率和精度。具體流程如下：

1）確認板簧幾何數據的狀態，一般為設計狀態建模;

2）定義主副板簧、層級、材料及其離散梁單元，如圖4所示;

3）創建簧片之間的接觸力。若板簧間存在墊片，則按實際尺寸定義tip contacts;

4）按實際結構定義板簧端部吊耳、卷耳類型，中部的板簧夾，板簧座類型、騎馬螺栓間距、初始狀態預載和安裝點坐標;

5）輸入材料、襯套剛度、接觸等參數后，完成板簧子系統輸出。

建立如圖5所示板簧測試模型，并將載荷、鉸接邊界等參數設置與圖6的板簧剛度實驗加載狀態一致，提交MotionSolve計算，在HyperGraph中生成該板簧的仿真剛度曲線，如圖7所示。

通過板簧的實驗與仿真的剛度曲線對比可以發現：采用多段梁來模擬板簧能夠真實反映板簧的力學特性，實測的加載、卸載剛度曲線與仿真模擬曲線的吻合度較高，可以較為準確地模擬部件之間的載荷傳遞情況，同時也為強度分析提供相對精準的載荷輸入。

借用MotionView模板庫中的Front Multi-link模型，然后根據實際結構增減相關Body及其連接，調整好硬點坐標、質量、慣量等參數，分別導入左、右側板簧子系統，連接好其通訊器接口后，即完成了如圖8所示后懸多體模型。

2 " "強度分析

2.1 " 分析工況

該款物流車的最高時速為100Km/h，主要行駛在城郊路面，但銷售區域較廣，實際路況較為復雜。當進行強度校核時，為了最大程度地保證駕乘人員的安全，不僅要考慮常規行駛工況，還要考慮到車輛偶然遭遇的極端工況，各零部件需能承受極限運動狀態下的偶然載荷。從載荷類型上來看，主要是路面不平引起沖擊載荷，緊急制動或加速引起的縱向載荷，轉向引起的橫向載荷，以及遇坑或凸包引起的扭轉載荷。

本文參考相關文獻[6-9]，結合該車型實際運行狀態，以及企業內部類似車型設計過程中經可靠性試驗后積累、修正的數據，制定了對車身骨架強度影響較大的8種極限工況，如表3所示：

其中，工況2涉及到軸荷向前轉移，工況3涉及到軸荷向后轉移，工況4涉及到輪荷向左輪轉移，工況5、6則同時存在軸荷和輪荷轉移。按力和力矩平衡可以列出兩個方程，容易得到軸荷轉移質量和輪荷轉移質量[9];確定好每個輪Z向輪荷后，乘以表3中相應的慣性載荷系數，即得到X、Y向外載荷。

2.2 " 載荷分解

在Motionview靜力分析子系統的loadcases模板中，能較便捷完成上述工況設置，將相關外載荷施加到輪胎接地點，同時在車身質心處設置固定約束。提交至MotionSolve進行準靜態分析，即可得到懸架與車身接附點處的約束反力。本文僅以后懸板簧和緩沖塊處載荷為例，其接附點的力和扭矩詳見圖9、10所示。因其求解算法原理，外載荷是根據設置的求解步長逐步加載的，每個工況前一秒加載該工況的所有載荷，后一秒逐步卸載所有載荷。因此，載荷曲線上1s、3s、5s等奇數時刻對應地載荷即為所求極限工況載荷。使用 Load Export 工具可實現車身載荷直接轉化為有限元分析卡片。

2.3 " 分析結果與優化

將前、后懸的各車身接附點載荷導入車身有限元模型，利用慣性釋放原理，提交到OptiStruct求解，各工況車身骨架最大應力值詳見表4。該車骨架材料為T700，屈服強度為620Mpa左右，取15%的安全余量。故工況1存在應力超標，位置分布在底架后懸前側R柱截面的中間梁處，本文只貼出異常工況1應力云圖，如圖11所示。該工況為3G垂向沖擊，局部結構未形成良好的封閉環，且骨架交匯處存在變截面臺階，使力流傳導不暢。考慮到實際附件安裝、走線等空間因素，此節點處不能直接增加豎梁和豎直面斜撐，故在水平面內增加斜撐，來優化力流傳導路徑，引導至附近豎梁，形成局部封閉環結構。優化方案強度結果見表4和圖12，優化方案有效，車身強度均已滿足要求。

3 " "總結

1）通過鋼板彈簧仿真分析與試驗的剛度曲線對比可以看出，采用多段梁能夠較為準確地模擬鋼板彈簧的力學特性，為準確把握部件之間的載荷傳遞提供依據，為車身骨架的強度分析提供相對精準的載荷輸入。

2）根據經驗累積、修正的物流車極限工況和多體模型，可獲得合理的車身接附點載荷。通過強度分析，暴露出結構可能存在的薄弱環節，為設計師提供有效、便捷的評估依據。同時，為進一步的車身結構性能改善和輕量化設計提供有力數據支持。

參考文獻：

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[5]李修峰.MotionView amp; MotionSlove應用技巧與實例分析[M].北京：機械工業出版社，2013.

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[8]王志政.基于多體動力學與有限元的某微車懸架強度分析與優化[D].長沙：湖南大學，2012.

[9]余禎琦.電動汽車車架結構性能與多目標協同優化研究[D].南昌：南昌大學，2020.

荊振洋

畢業于鄭州輕工業學院，現就職于珠海廣通汽車有限公司，任仿真所所長，主要研究方向：整車結構強度、疲勞耐久分析。

專家推薦語

屈新田

東風汽車集團有限公司

CAE專業副總師 "高級工程師

本論文通過多體動力學模型進行極限工況分析，獲取車身接附點載荷，模擬車身骨架在各工況下的應力狀態，優化并解決了設計的薄弱結構，為物流車的強度校核提供了一套完整、解決方案。本論文實用價值較高，對實際工程開發具有較大的指導意義，建議發表。