楊甄鑫 廖抒華 石登仁 李云 廖禮平

摘? 要：針對某車型彎扭剛度不足的問題，基于白車身模型截取接頭12個，截面16個，引入PALS（product? ? ? attribute leadership strategy）策略對其進行評價。針對競爭力不佳的接頭及截面進行靈敏度分析，對比競品車型截面結(jié)構(gòu)，對其提出改進方案。研究結(jié)果表明，白車身質(zhì)量增加1.10%，彎曲剛度提升15.77%，扭轉(zhuǎn)剛度提升8.35%，其他性能基本不變，白車身性能改善效果顯著。

關(guān)鍵詞：彎扭剛度;車身接頭;截面性能;靈敏度分析

中圖分類號：U463.8? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.002

0? ? 引言

20世紀80年代以來，汽車技術(shù)快速發(fā)展。車身作為汽車的重要組成之一，在汽車行駛和停放狀態(tài)下都會受到不同工況力的作用。結(jié)構(gòu)強度及剛度是判斷車身結(jié)構(gòu)是否合理的重要指標[1]，接頭連接較弱，會降低車身的扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)，且對車身的彎曲剛度也有一定影響。鑒于此，國內(nèi)外學者對車身接頭展開研究。宋凱等[2]在車身概念設(shè)計階段，建立由隱式參數(shù)驅(qū)動T型接頭更新的全參數(shù)化模型，并建立了自動化的多目標優(yōu)化流程。姚再起等[3]建立SFE參數(shù)化模型，基于接頭的靈敏度分析結(jié)果，對截面形狀、部件厚度、工藝進行優(yōu)化，改善了車身性能。胡望岳等[4]通過對關(guān)鍵位置接頭進行剛度優(yōu)化，實現(xiàn)了白車身一階彎曲、扭轉(zhuǎn)模態(tài)的提升。毛征宇等[5]對車身模型進行簡化，篩選出了關(guān)鍵接頭位置，采用試驗設(shè)計的方法和近似模型對接頭結(jié)構(gòu)進行多目標優(yōu)化。林圣存[6]對某承載式客車車身接頭結(jié)構(gòu)進行改進，仿真結(jié)果表明，改進后的客車側(cè)翻安全性能明顯提升。林輝等[7]對某MPV車型白車身主要接頭的連接關(guān)系、截面形狀及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的厚度參數(shù)進行修改，以滿足車身性能要求。龐博[8]深入研究了循環(huán)溫度場對T型搭接膠接接頭強度的影響，膠接接頭在汽車行業(yè)應用廣泛，具有應力分布均勻、輕量化、密封性好等特點。Kanani等[9]為了改善鋁和聚鄰苯二甲酰胺（PPA）之間單搭接接頭的性能，開發(fā)出一種具有界面剛度改進結(jié)構(gòu)的新設(shè)計。Bylund[10]對一款名為ADRIAN的汽車接頭剛度計算軟件及其在產(chǎn)品開發(fā)過程中的應用進行了介紹。Banea等[11]對相似材料和多材料膠接接頭進行了實驗和數(shù)值研究。Mundo等[12-13]在車身概念設(shè)計階段提出了一種基于簡化梁和接頭的建模方法，以實現(xiàn)在白車身早期設(shè)計階段的NVH和其他性能優(yōu)化。

本文基于某車型白車身模型，通過仿真分析計算出接頭剛度和截面性能，采用PALS（product? ? attribute leadership strategy）策略對接頭及截面的性能進行初步評價。對不滿足要求的接頭及截面進行靈敏度分析，以分析結(jié)果為依據(jù)，對比競品車型截面，對車身結(jié)構(gòu)提出改進方案。

1? ? 白車身接頭剛度與截面性能分析

1.1? ?接頭剛度分析

基于白車身模型，以外板焊接邊邊緣線的交點為起點，沿各梁方向伸出250 mm進行截取。接頭的截取需保證結(jié)構(gòu)、連接的完整性，加強板和減重孔應盡量保留，接頭截面與yoz、xoz、xoy平面平行。白車身結(jié)構(gòu)左右對稱，只對一側(cè)進行截取，共12個接頭，如圖1所示，其中up為上接頭，ctr為中接頭，low為下接頭，F(xiàn)-sus為后懸彈簧座接頭。

接頭性能的優(yōu)劣對車身的各項性能有直接影響，通過剛度來表征接頭特性。約束非加載斷面處6個方向自由度，在加載截面的形心處建立局部坐標系，分別在接頭每個分支的x、y、z向加載力? ? 1 000 N，如圖2所示。使用Nastrain求解器進行線性求解，接頭剛度計算式為：

[Kx=Fδ] ，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[Kx]為接頭剛度，單位為N/m;[F]為施加載荷，單位為N;[δ]為位移量，單位為m。

采用PALS策略對產(chǎn)品屬性競爭力進行分析。其通過與競品車型的性能對比來衡量產(chǎn)品的競爭力，分為4個定位，分別為L（Leader，性能市場領(lǐng)導地位，處于前10%）、A（Advantage，性能處于領(lǐng)先地位，處于上游20%）、C（Competitive，產(chǎn)品具有一定競爭力，處于中游40%）、U（Uncompetitive，產(chǎn)品不具有競爭力，處于下游30%）[14]。接頭剛度PALS描述如表1所示，可知B柱下接頭、D柱中接頭、D柱下接頭產(chǎn)品性能較差。

1.2? ?截面性能分析

根據(jù)接頭模型的截取，對車身截面進行定義，共計16個截面，如圖3所示。

截面的特性參數(shù)為截面慣性矩[Iy]、[Iz]及截面扭轉(zhuǎn)常數(shù)[Tc]。[Iy]、[Iz]主要反映截面的抗彎性能，[Iy]、[Iz]越大，截面的抗彎性能越好;扭轉(zhuǎn)常數(shù)[Tc]為扭轉(zhuǎn)慣性矩，即單位長度扭轉(zhuǎn)角，其主要反映截面的抗扭性能，扭轉(zhuǎn)常數(shù)越大，抗扭性能越好[15]。其計算式為：

[Iy]=[Az2dA]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

[Iz]=[Ay2dA]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

[Tc]=[4A2d（s/t）]，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：[Iy]為截面對[y]軸的慣性矩，[Iz]為截面對z軸的慣性矩，單位為[mm4];[A]為零件斷面面積，單位為[mm2];[t]為薄壁桿厚度，單位為mm;[s]為截面中線周長，單位為mm。

白車身截面性能PALS描述如表2所示，可知前門檻、后輪眉包絡(luò)腔體、后門檻、后門上鉸鏈這4處截面性能較差，不滿足要求。

2? ? 白車身接頭和截面靈敏度分析

對白車身而言，接頭結(jié)構(gòu)數(shù)量較多，如果對所有接頭結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，工作量將十分龐大。通過靈敏度分析獲得對整車剛度及模態(tài)性能影響較大的截面方向剛度，可以大大減少工作量，提高優(yōu)化效率。

基于白車身模型，以接頭剛度參數(shù)描述接頭，局部替換純參接頭，避免了實際接頭無法識別接頭剛度方向的問題。以B柱下接頭靈敏度分析為例，使用HyperWorks軟件搭建模型。采用彈簧單元代替白車身兩側(cè)的B柱下接頭殼單元，設(shè)計變量為各分支截面的三向剛度[K1]、[K2]、[K3]，如圖4所示。分別計算白車身彎曲、扭轉(zhuǎn)、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)3種工況下的接頭各分支貢獻量，計算結(jié)果如圖5—圖7所示。

綜合接頭剛度與模態(tài)靈敏度分析，識別出一個關(guān)鍵剛度：B柱下接頭上分支的x向剛度。對截面性能進行靈敏度分析，以找出關(guān)鍵截面參數(shù)。采用梁單元簡化車身接頭，其示意圖如圖8所示，設(shè)計變量為各分支截面的[Iy]、[Iz]、[Tc]，分析工況為上分支x向剛度。靈敏度計算結(jié)果如圖9所示，上接頭的z向截面慣性矩對其剛度性能影響較大，可以通過增大上分支截面慣性矩[Iz]來提高車身性能。

3? ? 接頭與截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

3.1? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方法

采用靈敏度分析與競品分析相結(jié)合的方法對車身結(jié)構(gòu)進行改進。以B柱截面為例，靈敏度分析結(jié)果顯示，慣性矩[Iy]對扭轉(zhuǎn)剛度影響較大;慣性矩[Iz]對側(cè)碰、頂壓、扭轉(zhuǎn)剛度影響較大;扭轉(zhuǎn)常數(shù)[Tc]對扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)模態(tài)影響較大。對比原車型與競品車型B柱截面性能參數(shù)，如表3所示。

由表3可知，原車型B柱截面y向尺寸較小，加強板厚度較薄，截面性能較低，可以通過增加截面y向尺寸來提高性能。將B柱截面y向尺寸增加? ?20 mm，其截面對比如圖10所示。改進后的B柱截面，Iy增加為1 140 466 [mm4]，提高6%;Iz增加為274 608 [mm4]，提高127%;[Tc]增加為529 330，提高102%。

3.2? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案匯總

單個結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案對白車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、一階彎曲、扭轉(zhuǎn)模態(tài)及質(zhì)量的影響以及結(jié)構(gòu)改進的綜合效果如表4所示，表明了靈敏度分析和競品分析相結(jié)合對車身結(jié)構(gòu)改進的有效性，其中對門檻梁的z向增加及對彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻最突出。

4? ? 結(jié)論

1）接頭及截面結(jié)構(gòu)對車身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及模態(tài)有很大影響，合理的接頭及截面結(jié)構(gòu)能夠有效改善車身性能。

2）通過靈敏度分析得到對車身性能貢獻較大的接頭、截面性能分支，與競品車型結(jié)構(gòu)對比分析，綜合提出接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案。研究結(jié)果顯示，白車身質(zhì)量增加1.10%，彎曲剛度提升15.77%，扭轉(zhuǎn)剛度提升8.35%，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)提升4.70%，一階彎曲模態(tài)提升1.60%。

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Improvement of body-in-white structure based on sensitivity analysis

of joints and cross-sections

YANG Zhenxin1， LIAO Shuhua*1， SHI Dengren2， LI Yun2， LIAO Liping2

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China; 2. Dongfeng Liuzhou Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou 545005， China）

Abstract： PALS （Product Attribute Leadership Strategy） was used to evaluate 12 joints and 16 cross-

sections from the body-in-white model aimed at the insufficient bending-torsional stiffness of a certain vehicle. The sensitivity analysis was made for the joints and sections with poor competitiveness. And the improvement scheme was proposed by comparing the section structure of competing models. The results show that the performance of body-in-white has been improved significantly with its mass? ? ? ? increased by 1.10%， the bending stiffness by 15.77%， the torsional stiffness by 8.35%， and the other properties basically unchanged.

Key words： bending-torsional stiffness;body joint; property of cross-sections; sensitivity analysis

（責任編輯：黎? ?婭）