基于ANSYS Workbench的某轎車車身剛度研究

鄧曉龍，　馮國勝，　李鵬飛，　馬俊長

(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊　050043;2.河北御捷車業(yè)有限公司，河北 邢臺　054800)

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基于ANSYS Workbench的某轎車車身剛度研究

鄧曉龍1，馮國勝1，李鵬飛1，馬俊長2

(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊050043;2.河北御捷車業(yè)有限公司，河北 邢臺054800)

摘要：利用Catia軟件對某轎車車身的三維模型進行簡化，導入到ANSYS Workbench中，對車身進行前置處理并檢查有限元網格劃分質量。模擬仿真車身彎曲和扭轉工況，計算車身相應剛度值、應力分布和車身開口處對角線變化值。分析仿真結果表明該車車身的彎曲剛度和扭轉剛度都有一定的不足，但車身開口對角線變形量在標準范圍內，為整車的改進設計提供了參考。

關鍵詞：CATIA ；Workbench；彎曲剛度；扭轉剛度；變形量

0引言

車身剛度是汽車性能的重要評價指標之一，直接或間接地影響車輛的密封性、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性等[1]。現代的轎車多采用承載式車身，它具有質量小、高度低、裝配容易等優(yōu)點，滿足整車輕量化的要求[2]。承載式車身沒有剛性的整體車架，只是加強了車頭、側圍、車尾、底板等部位，車身所受的外界負載通過懸架裝置傳遞給車輪，車身承擔了所有的扭轉和彎曲載荷，因此，研究承載式車身的剛度特性具有非常重要的意義。

1車身三維模型簡化

Catia V5軟件是一款功能強大應用范圍廣泛的CAD/CAE/CAM集成化三維軟件，可以對產品整個開發(fā)過程的各個方面進行仿真[3]。且Catia 的曲面造型功能相當突出，已經在汽車行業(yè)得到了廣泛應用。車身結構非常復雜,對原有的車身結構進行有限元求解會很困難，甚至無解，因此要對其進行簡化。在保留車身結構特點和主要力學特性的前提下簡化車身，忽略半徑較小的孔洞、圓角及非承載用的小零件等。某企業(yè)正在研發(fā)的車身三維模型如圖1所示，簡化后的三維模型如圖2所示。

圖1　車身三維模型　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2　筒化后車身三維模型

2車身剛度仿真過程中網格質量的檢查

Workbench是ANSYS公司開發(fā)的新一代協同仿真環(huán)境，善于對復雜模型進行高質量的網格劃分，人機界面好，便于操作，支持幾乎所有的有限元分析功能[4]。將簡化好的三維模型導入到 Workbench中，進行前置處理，求解和后置處理即完成有限元分析過程[5]。

圖3　車身網格

整個流程中控制好網格的數量和形狀，檢查網格質量至關重要。劃分網格時，因三角形單元為常應變單元，應避免或少選用三角形單元，其只能反應出簡單的應變狀態(tài)；而四邊形單元內部應變分布狀態(tài)是線性變化的，精度比三角形單元的要高很多，即四邊形單元越多計算越精確，且四邊形單元的形狀越接近正方形越好[6]。網格劃分的越小計算精度越高，但會延長計算時間，計算時間取決于模型中最小單元的尺寸[7]，因此要控制好單元的尺寸大小。本車身共劃分為71 044個單元，70 939個節(jié)點，如圖3車身網格所示。

在 Workbench中網格質量檢查有8個項目，其中最為基礎和重要的是單元質量檢查和單元畸變度檢查。

單元質量檢查是基于一個給定單元的體積與邊長間的比率。其值處于0～1之間，0為最差，1為最好。如圖4質量評估單元數柱狀圖所示：為1的單元有44 689個占了總體單元的一半以上，且小于0.5的幾乎為零。

單元畸變度是最基本的網格質量檢測項。其值處于0～1之間，0為最好，1為最差。一般超過0.95的網格數量要極少，最好沒有。如圖5畸變度評估單元數柱狀圖所示：為0的單元有45 744個占了總體單元的一半以上，且小于0.75的幾乎為零。

由圖4、圖5可知，車身劃分的單元由3節(jié)點三角形單元和4節(jié)點四邊形單元組成，并且4節(jié)點四邊形遠遠多于3節(jié)點三角形單元。綜合考慮，則車身網格劃分合格，且是比較優(yōu)秀的。

圖4　質量評估單元數柱狀圖

圖5　畸變度評估單元數柱狀圖

3車身剛度仿真計算

與汽車車身的剛度相關的工況有多種,最主要的是車身彎曲工況和扭轉工況[8]。汽車在良好的路面上勻速行駛時的彎曲剛度，可以用汽車靜止時加載的彎曲剛度來衡量。汽車在很壞的路上行駛速度很慢，因而動態(tài)扭轉的極限工況與靜態(tài)扭轉相差不多，可以將車身靜態(tài)扭轉的剛度值來替代車身動態(tài)扭轉的剛度值。

3.1彎曲剛度計算

在滿載情況下，固定支撐車身前、后4個懸置處，得到地板的最大彎曲位移量umax(撓度)，車身彎曲受力簡圖如圖6所示。車身所受的所有載荷力∑F與車身的最大彎曲位移量umax的比值為車身的彎曲剛度

(1)

圖6　車身彎曲受力簡圖

汽車的設計要求是最多乘坐5個成人(前面2個，后面3個)，每個成人按65 kg計算，駕駛員和副駕駛座椅的質量為10 kg，后座椅的質量為20 kg。則F1和F2都為735N,F3為2 107 N。在Workbench中施加相應的約束和外力，得到車身變形圖，如圖7所示，車身的最大彎曲位移量為1.150 2 mm，則車身彎曲剛度為3 109.89 N/mm。車身的應力云圖，如圖8所示，最大應力為119.6 MPa。

圖7　車身的位移變形云圖　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　車身的應力云圖

3.2扭轉剛度計算

圖9　車身扭轉簡圖

當車前輪遇到突起物抬起時發(fā)生的扭轉變形最為嚴重，模擬此工況則限制車身左后和右后2個懸置處的3個平動自由度，在左右前懸置處施加扭矩M,扭矩M可轉化為兩個大小相等、方向相反的力F分別作用左前和右前懸置處。車身扭轉簡圖如圖9所示。

圖9中的力F可由公式(2)求得

(2)

式中，L為左右兩懸置處的距離。

圖9中的u,h則為左右懸置處豎直方向的位移量，則車身相對于水平面的最大轉角θmax可由公式(3)求得

(3)

則扭轉剛度由公式(4)求得

(4)

對于輕、微型轎車計算扭轉剛度一般施加3 000 N·m的扭矩[9]，左右前懸置處的距離為985 mm，則應施加3 045.7 N的力。由Workbench分析得到車身扭轉工況豎直方向變形圖，如圖10所示，底板和發(fā)動機支架左右位置處在豎直方向的最大位移量約為-3.3 mm和3.3 mm，最大變形量處的水平距離約為1 030 mm，則車身相對水平面的最大轉角為0.367°，車身的扭轉剛度則為8 174.4 N·m/(°)。在此工況下，再進行滿載分析得出車身的應力云圖如圖11所示，最大應力為253.42 MPa。

圖10　車身扭轉工況豎直方向變形圖　　　　　　　　　　圖11　車身扭轉工況滿載下應力云圖

3.3車身開口對角線變化量計算

圖12　車身開口部分對角線位置圖

在分析車身扭轉剛度過程中，車身開口處對角線的變形量是非常大的，也是衡量車身扭轉剛度的一個重要標準。則在本文扭轉工況下，分析計算車身前、后風窗，右側兩車門處對角線的長度變化情況，如圖12所示。將Workbench中分析好的數據導入到ANSYS中，分析求解得出車身開口對角線變形量，如表1所示。

表1　扭轉工況車身開口對角線變形量　mm

4結論

(1) 在彎曲工況時，車身彎曲剛度為3 109.89 N/mm，而國外同種類型的車設計參考值為12 200 N/mm，通過比較，認為該車身的彎曲剛度較低，應加以改進提高。滿載工況下，車身最大應力為136.29 MPa，車身材料為Q235，最大應力遠遠小于材料的屈服強度，則車身發(fā)生破壞的可能性較小。

(2)在扭轉工況時，車身扭轉剛度為8 174.4 N·m/(°)，而國外同種類型的車設計參考值為13 000 N·m/(°)，通過比較，認為該車身的扭轉剛度偏低，應加以改進提高。滿載工況下，車身最大應力為253.42 MPa， 車身材料為Q235，最大應力值偏高，車身后地板支架處發(fā)生破壞的可能性較大。

(3)表1中車身開口對角線變形量‘+’為對角線增長，‘-’為對角線減短。變形量的絕對值都在參考值范圍內，則車身開口處的結構設計合理性較高。

(4)由于是對簡化的模型進行分析，存在一定的誤差。但在汽車的前期設計階段，為車身的結構設計和改進提供了一定的參考，可避免車身設計的前期試驗，為廠家節(jié)約成本，縮短開發(fā)周期，具有一定的可參考性。

參考文獻

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Study on Stiffness of Car Body Based on ANSYS Workbench

Deng Xiaolong1,Feng Guosheng1,Li Pengfei1,Ma Junchang2

(1.School of Mechanical Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China;2.Hebei YOGOMO Special Vehicle Manufacturing Co.,Ltd.,Xingtai 054800, China)

Abstract:By simplifying the 3D model of a car body by using Catia software, importing it to ANSYS Workbench, the body finite element meshing quality is checked in pre-processing. Through simulation of the working condition of body bending and torsion, the corresponding body stiffness is calculated as well as the stress distribution and the car body openings change of the diagonal. Analyses of the simulation results conclude that the car body bending stiffness and torsional rigidity have some shortcomings, but body openings diagonal deformation is within the scope of the standard,and this provides a reference for the design and optimization of vehicle structure.

Key words:CATIA; Workbench; bending stiffness; torsional rigidity; deformation

中圖分類號：U463.82

文獻標志碼：A

文章編號：2095-0373(2016)01-0064-05

作者簡介：鄧曉龍(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為車輛現代設計方法。E-mail:1055290716@qq.com

基金項目：國家自然科學基金項目(11272220)；河北省科技項目(14C1303193005)；河北省“2011”協同創(chuàng)新計劃資助項目(2013-37)

收稿日期：2015-01-17責任編輯:劉憲福

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.12

鄧曉龍，馮國勝，李鵬飛，等.基于ANSYS Workbench的某轎車車身剛度研究[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2016,29(1):64-68.