白車身彎扭剛度試驗與仿真對比

王多華，周 力，周 洋

白車身彎扭剛度試驗與仿真對比

王多華，周 力，周 洋

（招商局檢測車輛技術研究院有限公司，重慶 401329）

汽車白車身剛度同時影響著駕乘人員的乘坐舒適性和安全性，論文以某乘用車白車身為研究對象，分別使用試驗方法和計算機數值模擬仿真方法獲取了該白車身的彎曲靜剛度和扭轉靜剛度。通過對結果進行對比分析，發現兩種方法所得白車身剛度值均達到設計要求，且兩種方式得到的剛度曲線均很平滑，說明該白車身的整體剛度設計合理。該結果相互驗證了兩種方法的可靠性，為白車身的設計提供了數據參考。

白車身；彎曲靜剛度；扭曲靜剛度；仿真方法

白車身靜剛度是評價汽車安全性和舒適性的重要指標之一，車身剛度不足，會導致汽車抵抗路面載荷以及空氣阻力的能力不足，汽車行駛時會由于車身變形過大，出現異響、車窗門縫漏風等情況，同時在碰撞過程中也會由于門框變形過大，車門卡死的情況[1-2]。因此在汽車整車開發階段，獲取合理的白車身彎扭剛度值是非常重要，不少研究者對車身薄壁結構都進行了比較深的理論研究[3-4]，通常獲取白車身彎扭剛度值得方式有兩種，即試驗方法和計算機數值模擬仿真方法[5-7]。試驗方法通過給生產出來的實際的白車身進行加載，同時測量變形量，通過數學計算獲取剛度值；仿真方法為通過計算機軟件構建三維數字模型，然后進行模擬試驗狀態進行加載，從而獲取剛度值；仿真方法在縮短設計周期和降低研發成本方面有明顯優勢[2]，本文以某白車身為研究對象，通過試驗與仿真兩種方法分別獲取了該白車身的彎扭靜剛度，并對結果進行了對比分析。

1 白車身靜剛度評價方法

白車身靜剛度一般為白車身彎曲剛度和扭轉剛度，即白車身在受到彎曲載荷或者扭轉載荷下抵抗變形的能力。扭轉剛度計算公式為

式中，M為扭轉力矩；θ為相對扭轉角，如圖1所示，加載點一般為白車身左右兩側前懸支撐點位置。

彎曲剛度計算公式為

式中，F為施加的垂直載荷，加載點通常為前后；Z為在載荷下垂直最大撓度，如圖2所示。

2 試驗方法獲取白車身彎扭剛度值

試驗方法獲取白車身彎扭剛度值主要用到的設備有加載系統、數據采集儀、位移傳感器、白車身安裝平臺。試驗時，先將白車身按照試驗規范安裝在試驗平臺上，調整好試驗所需約束的自由度，布置好位移傳感器，然后按照試驗方案在準確的位置施加對應的載荷，同時使用數據采集儀記錄車身各個相關位置的變形量，最后根據公式計算出相應的剛度值試驗，試驗現場如圖3、圖4所示。

圖3 扭轉剛度試驗現場照片

圖4 彎曲剛度試驗現場照片

試驗正式開始前，為消除安裝間隙，需先對白車身緩慢施加試驗載荷，然后緩慢卸載到0，重復此過程2至3次，彎曲試驗、扭轉試驗都需進行此操作。扭轉剛度測試時，一般還需記錄門框在載荷作用下的變形量，傳感器一般布置在門框對角最大長度方向，門框變形量的記錄為后續車身結構優化提供參考。

3 計算機數值模擬方法獲取白車身彎扭剛度值

計算機數值模擬仿真方法獲取白車身彎扭剛度值主要流程：（1）按照實際車輛尺寸構建三維模型；（2）對模型進行簡化和清理，簡化和清理對整車彎曲扭轉剛度影響極小部位有利于減少仿真結果計算時間；（3）對簡化后的模型進行網格劃分，不同的車身結構選擇不同的單元尺寸，網格質量對計算速度和計算精度有重要影響[8]，本文設置的基本網格尺寸為10 mm，對于較小的部件選用的網格基本尺寸為5 mm，最小網格尺寸不小于2 mm；（4）設置單元屬性，包括單元材料屬性和單元厚度等，本文中所用鋼材的楊氏模量為2.1×105MPa，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3；（5）按照試驗方案在準確的位置施加約束及對應的載荷；第六步是求解，根據求解得到的變形量計算出對應的剛度值。有限元模型的約束方式及加載方式如圖5、圖6所示。

圖5 扭轉剛度試驗有限元模型

圖6 彎曲剛度試驗有限元模型

4 試驗與仿真結果對比

4.1 扭轉剛度試驗與仿真對比

扭轉試驗照片如圖3所示，約束方式為前懸通過球鉸連接到加載立柱上，后懸利用球鉸約束、、三個方向的移動自由度，仿真約束方式如圖5所示，扭轉所施加扭矩為2 000 N.m，試驗所得剛度曲線與仿真曲線對比如圖7所示。

圖7 仿真與試驗扭轉角曲線對比圖

由圖7曲線可以看出，仿真結果與試驗結果一致性較高，同時發現該試驗車型扭轉角沿車身縱向的分布曲線較為平滑，說明車身整體結構剛度分配較合理。評價車身的剛度好壞，除了要看總體剛度值是否滿足設計目標值外，還應考慮白車身各開口（左右門、風窗等）的變形量，如表1所示。

表1 白車身各開口變形量試驗與仿真對比

在2 000 N.m的扭矩條件下，要求各開口變形量小于5 mm，由表1可知，該車型的開口變形量全部滿足要求。

4.2 彎曲剛度試驗與仿真對比

彎曲試驗照片如圖4所示，約束方式為前后懸四個位置均用球鉸連接，即約束均、、三個方向的移動自由度，加載位置前后懸中間位置，加載力分別加載在車輛左右兩側縱梁上，兩側力大小均為1 500 N，仿真模型如圖6所示。

4.3 彎扭剛度試驗與仿真試驗結果對比

由圖8曲線可以看出，該試驗車型扭轉角沿車身縱向的分布曲線較為平滑，說明車身整體結構剛度分配較合理。本文研究車型對應白車身的扭轉剛度設計目標值要求不小于10 000 N·m/°，彎曲剛度設計目標值要求不小于8 000 N/mm，由表2試驗結果與仿真試驗可看出該白車身靜剛度滿足設計要求，且仿真結果結果與試驗結果相差很小，相互驗證了結果的準確性。

圖8 仿真與試驗Z向變形量對比曲線

表2 彎扭剛度試驗與仿真結果

5 結論

獲取準確白車身彎扭剛度值的目的是為了指導汽車車身設計，本文在相同加載條件和相同約束條件下通過試驗方法與數值模擬仿真的方法獲取了同一車型的彎扭剛度值及各開口變形量值，兩種方法獲取的剛度值相差較小，相互驗證了兩種方法所得結果的準確性，為白車身的設計提供了數據參考。

[1] 于國江.汽車白車身剛度仿真分析與檢測技術研究[D].長沙:湖南大學,2014.

[2] 李金龍.某轎車白車身剛度、強度及模態有限元分析[D].重慶:重慶大學,2015.

[3] 鐘巧波,朱永萍,肖春燕.車身薄壁結構的剛度理論研究及應用[J].時代汽車,2018(8):139-141.

[4] 邢子敬,侯文彬,劉斌,等.概念設計中梁截面對車身剛度影響的研究[J].汽車技術,2009(10):21-24.

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Comparison of Bending and Torsional Stiffness Test and Simulation for Body in White

WANG Duohua, ZHOU Li, ZHOU Yang

( China Merchants Testing Vehicle Technology Research Institute Company Limited, Chongqing 401329, China )

The stiffness of car body in white affects the riding comfort and safety of drivers and passengers at the same time. Taking a passenger car body in white as the research object, this paper obtains the bending static stiffness and torsional static stiffness of the body in white by using the test method and computer numerical simulation method respectively. Through the comparative analysis of the results, it is found that the stiffness values of the body in white obtained by the two methods meet the design requirements, and the stiffness curves obtained by the two methods are very smooth, indicating that the overall stiffness design of the body in white is reasonable. The results verify the reliability of the two methods and provide data reference for the design of the body in white.

Body in white;Bending static stiffness;Torsional static stiffness; Simulation method

U461.99

A

1671-7988(2023)03-118-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.022

王多華（1990—），男，碩士，工程師，研究方向為汽車車身及零部件，E-mail:wdhhhxx@163.com。