1 引言
車(chē)身剛度不合理，將直接影響轎車(chē)的可靠性、安全性、NVH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)?，F(xiàn)代轎車(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，轎車(chē)車(chē)身的剛度特性則尤顯重要。
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模型前處理方法，通過(guò)將計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明了前處理方法的合理性。
2 白車(chē)身結(jié)構(gòu)剛度分析的前處理
2.1 白車(chē)身結(jié)構(gòu)的有限元建模
根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，首先利用HyperMesh對(duì)白車(chē)身各部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到白車(chē)身的有限元模型，如圖1所示。該模型主要由四節(jié)點(diǎn)和三節(jié)點(diǎn)的殼單元構(gòu)成，焊點(diǎn)采用ACM方式，部分結(jié)構(gòu)涂膠采用膠粘單元模擬。該模型共有438145個(gè)節(jié)點(diǎn)，432051個(gè)單元。
圖1 白車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模型
2.2 邊界條件與載荷的處理
在白車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)中，后軸固定夾具通過(guò)球鉸作用于后減震塔上。前軸扭轉(zhuǎn)夾具通過(guò)球鉸作用于前減震塔處，此處球鉸的作用是為了保證載荷作用在垂直方向上，在試驗(yàn)過(guò)程中，該機(jī)構(gòu)在y方向會(huì)產(chǎn)生微小的位移。同時(shí)，前軸扭轉(zhuǎn)夾具對(duì)車(chē)身前部起到了支撐作用，扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)如圖2所示。故有限元模型中，扭轉(zhuǎn)工況的邊界條件為：后減震塔約束X，Y，Z，3個(gè)方向的自由度，前減震塔約束X方向的自由度。
扭轉(zhuǎn)工況的載荷施加在前減震塔中心點(diǎn)上，在垂向施加大小相等方向相反的載荷。載荷的大小通過(guò)公式F=M/L求得，其中M為試驗(yàn)要求的扭矩值，L為左右減震塔中心之間的距離。在線性分析中，施加扭矩的大小和最后計(jì)算得到的剛度值無(wú)關(guān)，但是為了和試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)的位移作對(duì)比，分析中施加的扭矩大小應(yīng)該和試驗(yàn)的相同，故分析中施加的扭矩為4080Nm，如圖3所示。
圖2 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)裝置圖
圖3 扭轉(zhuǎn)工況示意圖
彎曲剛度試驗(yàn)中，固定夾具通過(guò)球鉸作用于前后減震塔上，試驗(yàn)過(guò)程中前部機(jī)構(gòu)在X方向會(huì)產(chǎn)生微小的位移，故有限元模型中，彎曲工況的邊界條件為：前減震塔約束Y,Z 2個(gè)方向的自由度，后減震塔約束X，Y，Z，3個(gè)方向的自由度。
根據(jù)試驗(yàn)要求，彎曲剛度的分析，包括中部加載工況和后部中間加載工況兩種工況。
中部加載工況：在前排座椅安裝點(diǎn)處共施加6670N載荷。試驗(yàn)時(shí)將木塊置于前排座椅安裝點(diǎn)上，然后在木塊上進(jìn)行加載，如圖4所示；在有限元模型中，將6670N均布在前排座椅安裝點(diǎn)處，如圖5所示。
圖4 彎曲剛度試驗(yàn)中部加載方式
圖5 彎曲工況示意圖
后部中間加載工況：在行李箱中部加載3335N。試驗(yàn)時(shí)將木板橫放在行李箱中部地板上，木板邊緣與車(chē)身內(nèi)壁的距離為70mm，木板的寬度為400mm，然后在木板上進(jìn)行加載，如圖6所示；有限元模型中的實(shí)現(xiàn)方式為，將載荷3335N均布在圖7所示的矩形區(qū)域內(nèi)（不包括模型中下凹部分），矩形的尺寸和位置按照試驗(yàn)中木板的尺寸和位置來(lái)確定。
圖6 彎曲剛度試驗(yàn)后部加載方式
圖7 彎曲工況后部加載示意圖
2.3 輸出點(diǎn)的選取
試驗(yàn)中在車(chē)身底部布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的布置方式如圖8所示。為了考察車(chē)身的總體剛度情況，并能更準(zhǔn)確地與試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比，在白車(chē)身上共選取320個(gè)點(diǎn)，作為Z向相對(duì)位移的結(jié)果輸出，然后求得剛度值。車(chē)身各部件上選取的輸出點(diǎn)按特定的節(jié)點(diǎn)號(hào)排列。為了方便觀察選取點(diǎn)的位移情況，在選取點(diǎn)之間創(chuàng)建PLOTEL單元，如圖9、圖10所示，圖中方框中的數(shù)字代表兩節(jié)點(diǎn)之間均布的節(jié)點(diǎn)數(shù)。
圖8 車(chē)身底部測(cè)點(diǎn)布置示意圖
圖9 車(chē)身底部PLOTEL單元示意圖
圖10 頂部和側(cè)圍PLOTEL單元示意圖
3 白車(chē)身剛度分析及數(shù)據(jù)處理
利用OptiStruct求解器，對(duì)白車(chē)身在上述載荷工況下進(jìn)行靜態(tài)分析，得到扭轉(zhuǎn)工況和彎曲工況下的Z向位移分布，如圖11、圖12、圖13所示。
圖11 扭轉(zhuǎn)工況下白車(chē)身Z向位移分布圖
圖12 彎曲工況下白車(chē)身Z向位移分布圖（工況一）
圖13 彎曲工況下白車(chē)身Z向位移分布圖（工況二）
在HyperView中，將上述定義的輸出點(diǎn)的坐標(biāo)值和位移值輸出到Excel表中，根據(jù)門(mén)窗輸出點(diǎn)分析前后的坐標(biāo)值，計(jì)算出各工況下門(mén)窗對(duì)角線的位移變化量，計(jì)算結(jié)果均小于2mm，滿足要求。
扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算，選取前左右減震塔3、15點(diǎn)的Z向位移輸出，按下式計(jì)算：
M為施加的扭矩；和為ΔZ3和ΔZ15的Z向位移值；L為點(diǎn)3與點(diǎn)15之間的距離。其它輸出點(diǎn)作為參考點(diǎn)，以便于和試驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比。
彎曲剛度的計(jì)算，選取所有輸出點(diǎn)中的最大位移值，按下式計(jì)算：
F為彎曲工況中總的加載力；Dmax為選取點(diǎn)中Z向最大位移值。
白車(chē)身扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表1所示。
表1 彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算值
4 結(jié)論
有限元模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合，誤差不超過(guò)15%，說(shuō)明有限元建模、邊界條件和載荷的處理，以及后處理中數(shù)據(jù)處理的合理性。
（轉(zhuǎn)載）
