李勝琴 劉軒齡 馮新園

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院 哈爾濱 150040)

0 引 言

承載式車身承載了轎車的大部分載荷，其結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能很大程度上左右著整車的品質(zhì)，對車身結(jié)構(gòu)的可靠性、行駛安全性、燃油經(jīng)濟性、乘坐舒適性等性能均有很大影響[1].車身剛度如果不足，會引起門框、窗框、發(fā)動機罩等處開口變形量加大，從而導(dǎo)致車門密封不嚴、卡死以及漏風(fēng)、滲雨等情況的發(fā)生.此外，車身剛度不足還會導(dǎo)致車身振動頻率降低、容易產(chǎn)生共振，從而削弱車身結(jié)構(gòu)強度，降低車輛使用耐久性、操縱穩(wěn)定性等.

Srinivasan等[2]建立了白車身有限元模型，把車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及自由模態(tài)下的固有頻率作為約束條件，以車身質(zhì)量最小為目標函數(shù)來進行車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，改變車身相關(guān)部件的材料，使車身結(jié)構(gòu)性能滿足要求的同時，降低車身質(zhì)量.Kiani等[3]提出了材料更換以及多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計策略，開發(fā)輕量級車身結(jié)構(gòu)，以滿足碰撞和振動為標準，以質(zhì)量最小化為目標函數(shù).唐志堅[4]針對一款SUV汽車進行建模，然后對白車身的靜態(tài)和動態(tài)性能進行研究.在模型分析的基礎(chǔ)上，對一些關(guān)鍵零件進行靈敏度分析，研究了板件厚度對車身性能的影響，最后依據(jù)靈敏度分析數(shù)據(jù)對白車身靜態(tài)和動態(tài)性能進行優(yōu)化.何慧敏[5]建立某電動車的有限元模型，分析其靜態(tài)和動態(tài)性能，并針對其靜態(tài)和動態(tài)性能分析中的薄弱環(huán)節(jié)，改進白車身局部模態(tài)，提高車身的靜態(tài)剛度.Zhang等[6]分析了白車身的結(jié)構(gòu)模態(tài)，然后通過與試驗結(jié)果比較分析，驗證了有限元仿真結(jié)果的精確性，并提出一種能夠有效提高白車身的局部剛度的方法，有針對性地加強車身的局部剛度.

文中建立白車身有限元模型，對車身結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)和動態(tài)性能分析，分析車身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及模態(tài)特性，分別評價其性能指標.最后對車身結(jié)構(gòu)件進行靈敏度分析，根據(jù)分析結(jié)果提出優(yōu)化方案，改進車身結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)車身輕量化.

1 白車身有限元模型的建立

借助有限元前處理軟件ANSA，在CATIA數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，選取Mixed單元，以車身剛度、整車一階彎曲模態(tài)和整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為約束，建立某款轎車白車身的有限元模型.在建立離散模型時主要采用殼單元Quard4和Tria3，除了部分螺栓連接和鉚接，焊接點類型以CWELD單元進行模擬.最終完成的車身有限元模型見圖1，共包含870 916個殼單元，1 951個焊接單元，白車身初始質(zhì)量為305 kg.

圖1 白車身有限元模型

白車身相關(guān)材料特性參數(shù)見表1.車身的主要構(gòu)件是厚度為0.5～4.5 mm的鋁質(zhì)材料，少量低碳鋼用于A、C柱的加強，碳纖維彈性模量高，用于車身的頂蓋.

表1 車身主要材料參數(shù)

2 車身靜態(tài)性能分析

在轎車的實際使用過程中，對轎車使用壽命影響較大的典型工況是靜態(tài)扭轉(zhuǎn)和靜態(tài)彎曲工況，所以這兩種工況的車身剛度是車身靜態(tài)特性分析考慮的主要內(nèi)容[7].

2.1 彎曲剛度計算

模擬實際工況并參考相關(guān)行業(yè)標準對有限元模型施加載荷，對于轎車白車身考慮受到垂直靜載荷以及慣性載荷，因此在前、后螺旋彈簧與車身連接處，施加x，y，z三個方向的移動自由度約束，車身前后排座椅施加垂直向下的分散載荷分別為250和2 000 N，白車身約束及加載情況見圖2.

圖2 白車身約束加載圖

在受到彎曲載荷作用時，白車身的各個開口處會產(chǎn)生變形，容易使各個零件之間產(chǎn)生干涉，對門窗的密封性也會產(chǎn)生很大影響.所以，一般選用白車身開口對角線的變形量來考察白車身彎曲剛度，根據(jù)文中所選車身，有前、后風(fēng)窗和左右兩個車門，即共有8條對角線作為分析對象，具體測量結(jié)果見表2.由表2可知，白車身前后風(fēng)窗和車門的對角線變形量很小，滿足設(shè)計要求.

表2 彎曲工況下白車身主要開口變形量

2.2 扭轉(zhuǎn)剛度的計算

車輛行駛時左右車輪受到z向不同大小的載荷時，容易產(chǎn)生車身扭轉(zhuǎn)變形.模擬實際工況并參考相關(guān)行業(yè)標準對有限元模型施加約束及扭轉(zhuǎn)力矩.

白車身前后扭轉(zhuǎn)工況下施加的約束及載荷情況見圖3，約束為前后螺旋彈簧與車身連接處的三個方向的移動及旋轉(zhuǎn)約束.白車身前扭轉(zhuǎn)工況下載荷為在左前孔主節(jié)點處施加z向2 507.1 N的力，右前孔主節(jié)點處施加-z向2 507.1 N的力，形成繞x軸的3 000 N·m的轉(zhuǎn)矩.白車身后扭轉(zhuǎn)工況下載荷為在左后孔主節(jié)點處施加z向2 507.1 N的力，右后孔主節(jié)點處施加-z向2 507.1 N的力，形成繞x軸的3 000 N·m的轉(zhuǎn)矩.

圖3 白車身前后扭轉(zhuǎn)約束設(shè)置

白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析主要考察車身結(jié)構(gòu)件的承載能力及抗扭轉(zhuǎn)變形能力.在扭轉(zhuǎn)剛度的評價方法中，常用的方法之一是用車身的扭轉(zhuǎn)角變化來評價見圖4，橫坐標x為從車身測量點前部到后部的相對位置，縱坐標為扭轉(zhuǎn)角度值.除了用車身扭轉(zhuǎn)角來評價車身扭轉(zhuǎn)剛度之外，還可以用車身對角線的開口變形量來評價.采用的車身有4個開口，主要包括，前、后風(fēng)擋和左右二個車門，即共有8條測量線，測量結(jié)果見表3.

圖4 前后扭工況下扭轉(zhuǎn)角度曲線

部位編號不同工況下的變形量/mm前扭后扭前風(fēng)窗框A1-0.468 0.428A2-0.560-0.389左門框 BL1 0.696-1.092BL2-0.9071.034右門框 CR1-0.698 1.091CR20.911-1.039后風(fēng)窗框D1-0.237 0.278D20.239-0.269

由圖4a)可知，白車身左右側(cè)角度曲線基本一致，前部載荷加載點附近，扭轉(zhuǎn)角度最大.在車身后部約束處扭轉(zhuǎn)角度很小，從車身前部到后部，扭轉(zhuǎn)角度變化值不斷減小.由表3可知，右門框的變形量最大，為0.911 mm，變形率為0.047%，通過計算可知白車身前扭轉(zhuǎn)剛度為12 557.5 N·m·(°)-1，低于目標參考值(13 000 N·m·(°)-1)，前扭轉(zhuǎn)剛度需要優(yōu)化.

由圖4b)可知，白車身左右側(cè)角度曲線基本一致，在車身前部約束點附近角度變化很小，從車身前部到后部，扭轉(zhuǎn)角度逐漸增大，在載荷加載點附近，扭轉(zhuǎn)角度達到最大.開口變形量最大在左門框處，為1.092 mm，變形率為0.067%，變形極小，通過計算可知白車身后扭轉(zhuǎn)剛度為11 123.5 N·m·(°)-1，低于目標參考值(13 000 N·m·(°)-1)，后扭轉(zhuǎn)剛度需要優(yōu)化.

3 白車身模態(tài)分析

將汽車視為一個多自由度的振動系統(tǒng)，當(dāng)外界對其有激勵作用時就會產(chǎn)生振動容易引發(fā)共振現(xiàn)象.汽車共振將導(dǎo)致一些不良后果，如結(jié)構(gòu)件可能過早發(fā)生疲勞損壞、車內(nèi)噪音變大、NVH性能降低、整車保護層被破壞、門窗的密封性降低、整車結(jié)構(gòu)性能不足等.模態(tài)分析即對車身固有頻率及振型向量進行分析，從而了解車身剛度特性，避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象.

假定車身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處于無阻尼且不施加外界載荷的情況，求解前20階自由振動模態(tài)，進行車身結(jié)構(gòu)的自由振動分析.白車身的前6階模態(tài)振型表現(xiàn)為剛體模態(tài)，所以其模態(tài)頻率為零.在工程應(yīng)用研究當(dāng)中，一般把第7階模態(tài)稱為白車身模態(tài)的一階模態(tài).在不考慮剛體模態(tài)的情況下，求出車身的靜剛度以及車身的7階～20階，共14階模態(tài)結(jié)果，并結(jié)合各工況下主要開口變形情況對車身進行評價，前14階的模態(tài)頻率值見表4.

表4 白車身前14階模態(tài)頻率

對于白車身的研究，低階模態(tài)對車輛性能影響較大，故一般重點研究其低階模態(tài)振型，即整車的一階彎曲模態(tài)和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài).圖5a)為頻率為27.99 Hz下的整車一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型.車身前后繞x軸扭轉(zhuǎn)，前后振動幅度較大，圖5為z向位移，需經(jīng)過計算轉(zhuǎn)化為扭轉(zhuǎn)角，計算后可得最大扭轉(zhuǎn)角為0.073 5，發(fā)生在該模態(tài)振型的腹部.當(dāng)汽車遇到急速轉(zhuǎn)彎時，由于左右車輪受到載荷不同，容易產(chǎn)生車身前后扭轉(zhuǎn)模態(tài).這樣容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，破壞汽車的行駛安全性，造成車身結(jié)構(gòu)的破壞.圖5b)為頻率為28.26 Hz下整車一階彎曲模態(tài)振型.彎曲振動沿著車身的z軸方向，彎曲振動的振幅主要集中在車身的頂部和前部，最大位移達到7.882 mm.當(dāng)車輛在凹凸的道路上行駛時，容易發(fā)生白車身的彎曲模態(tài)振型.當(dāng)這一階模態(tài)振型出現(xiàn)時，產(chǎn)生的車身共振現(xiàn)象，破壞車身結(jié)構(gòu)性能，影響整車的NVH性能.在正常路面上行駛時，路面對汽車的激勵頻率低于20 Hz，所以設(shè)置車身的一階模態(tài)頻率要高于20 Hz，不低于23 Hz為宜，求解的白車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為27.99 Hz，一階彎曲模態(tài)頻率為28.26 Hz，在正常路面上行駛時，達到設(shè)計要求.

圖5 車身各階模態(tài)振型圖

4 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 靈敏度分析

車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計前通常要先進行靈敏度分析，然后依據(jù)分析結(jié)果來進行優(yōu)化設(shè)計[8].

1) 一階模態(tài)靈敏度分析 在車身靜動態(tài)特性影響的因素中，零件材料，厚度以及橫截面抗彎慣量是進行車身零件結(jié)構(gòu)研究的主要參數(shù)，其中車身厚度對車身性能以及輕量化影響較大，因此，確定以板殼單元厚度為設(shè)計變量，以車身質(zhì)量、靜剛度特性以及整車低階模態(tài)頻率為性能約束條件，以車身輕量化為目標的靈敏度優(yōu)化函數(shù)，從而進行車身各個性能參數(shù)的優(yōu)化.從車身265個零件中，分別選取靈敏度最大和最小的前10個進行分析.利用靈敏度分析分別得到目標函數(shù)及約束變量對設(shè)計變量的靈敏度，進行一階扭轉(zhuǎn)和一階彎曲模態(tài)靈敏度分析，通過分析可以得到對整車一階模態(tài)固有頻率影響較大的零件PID號，通過PID號查到對應(yīng)零件，A柱與縱梁連接處，車身座椅后橫梁部位對一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)靈敏度影響大，影響一階彎曲模態(tài)頻率的主要是地板、車身頂蓋處零件.

2) 剛度靈敏度分析 保持車身靜態(tài)性能分析時的實驗條件不變，對白車身進行剛度靈敏度分析，得到對車身前后扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度靈敏度影響最大的零件PID號.計算得到的靈敏度數(shù)值既有正值也有負值.當(dāng)數(shù)值為正值時，且相對靈敏度的絕對數(shù)值越大，表明增加相同單位質(zhì)量，提高的靜剛度或模態(tài)值越大，性能指標與質(zhì)量關(guān)系呈現(xiàn)正相關(guān)；若靈敏度數(shù)值為負值時，絕對值越大，減少相同單位質(zhì)量，反而會使車身剛度或模態(tài)頻率提升越多，性能指標與質(zhì)量關(guān)系呈現(xiàn)負相關(guān).如果相對靈敏度的絕對值越小，說明該零件質(zhì)量的靈敏度與車身結(jié)構(gòu)性能的相關(guān)性很低.

4.2 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

靈敏度分析的過程主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)響應(yīng)值對設(shè)計變量進行求導(dǎo)，從而確定結(jié)構(gòu)響應(yīng)中敏感系數(shù)最高的零件.采用優(yōu)化相關(guān)零件厚度的方法.選取對目標函數(shù)影響較大的20個零件厚度優(yōu)化值結(jié)果見表5，結(jié)果精確到0.1 mm.

表5 設(shè)計變量厚度優(yōu)化結(jié)果 mm

通過厚度優(yōu)化雖然可以達到性能要求，但是增加了質(zhì)量.因此，為了達到輕量化目的，在對車身厚度進行優(yōu)化的同時還需對基礎(chǔ)模型進行結(jié)構(gòu)改進.根據(jù)基礎(chǔ)模型車身的結(jié)構(gòu)做如下改進：①車身后縱梁接頭鑄件沿x方向延長50 mm；②車身后座椅靠背處增加倒八字橫梁，見圖6.

圖6 結(jié)構(gòu)改進圖

經(jīng)過迭代運算，得到優(yōu)化后白車身模型質(zhì)量為277 kg，較初始模型質(zhì)量減輕9.2%，達到了輕量化的要求.優(yōu)化后的靈敏度對比見圖7，左側(cè)為優(yōu)化后的白車身模型，右側(cè)為新的基礎(chǔ)模型.由圖7可知，車身A柱與前艙連接處、頂蓋邊緣外板、前風(fēng)擋橫梁、C柱等處進行了厚度的加強，減厚的主要在車身前防撞梁處、車身地板、車身后橫梁等處.

圖7 白車身結(jié)構(gòu)件靈敏度優(yōu)化對比圖

根據(jù)表5中零件板厚的變化值，對相關(guān)零件進行厚度優(yōu)化，計算優(yōu)化后的有限元車身的靜剛度和模態(tài)參數(shù).結(jié)構(gòu)改進的基礎(chǔ)模型在靈敏度優(yōu)化前后的白車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，見表6.由表6可知，結(jié)構(gòu)改進的基礎(chǔ)模型在進行靈敏度優(yōu)化后的彎曲剛度比優(yōu)化前降低了2.1%，但是仍然遠高于目標參考值(12 200 N·mm-1).同時，優(yōu)化后的白車身前扭剛度提升了11.1%.扭轉(zhuǎn)剛度不足的車身后部經(jīng)過優(yōu)化后高于目標參考值(13 000 N·m·(°)-1)，扭轉(zhuǎn)剛度提升17.8%.并且，經(jīng)過靈敏度優(yōu)化，車身質(zhì)量降低9.2%，達到輕量化目標，白車身整車性能得到提升.

表6 白車身優(yōu)化前后性能參數(shù)變化

5 結(jié) 論

1) 以某全鋁車身為例，將白車身焊點的位置、數(shù)量和間距布置等進行簡化，建立白車身有限元模型.

2) 計算并分析車身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及模態(tài)特性并進行優(yōu)化.優(yōu)化后白車身的剛度特性與模態(tài)特性均達到要求.

3) 根據(jù)靈敏度分析的結(jié)果對車身進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化，質(zhì)量降低9.2%，達到輕量化目標.