客車車身靜剛度計(jì)算及測(cè)試方法研究

趙振壘，洪金杯，吳道俊

（1.廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門(mén) 361024；2.廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門(mén) 361023）

客車車身靜剛度計(jì)算及測(cè)試方法研究

趙振壘1,2，洪金杯2，吳道俊2

（1.廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門(mén) 361024；2.廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建廈門(mén) 361023）

結(jié)合有限元和試驗(yàn)技術(shù)，研究客車車身剛度獲取方法，獲得扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度結(jié)果以及縱梁變形等剛度特性。兩種方法有較好的一致性結(jié)果，為車身骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和后續(xù)NVH研究提供重要依據(jù)。

客車車身；靜剛度；試驗(yàn)；有限元

車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度是汽車設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，也是保證汽車性能的重要指標(biāo)。車身剛度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]。國(guó)內(nèi)在客車剛度有限元分析方面做了較多的研究[2-5]，在汽車靜態(tài)剛度試驗(yàn)方面，對(duì)轎車的靜態(tài)剛度已有一定的研究[6-8]，然而，國(guó)內(nèi)對(duì)大客車車身剛度測(cè)試方法研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。本文結(jié)合有限元手段，對(duì)大客車車身扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度進(jìn)行試驗(yàn)與分析，形成了相應(yīng)的試驗(yàn)方法與流程。

1 車身靜剛度的有限元分析

1.1 有限元模型的建立

在建模時(shí)需要對(duì)模型作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理[9-10]，如：省略某些非承載件；忽略構(gòu)件表面半徑小于5 mm的孔、圓角及倒圓角；凸臺(tái)和翻邊盡量予以圓整光滑處理。

利用四邊形和三角形殼單元對(duì)模型進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?。車身骨架結(jié)構(gòu)的縱橫梁焊接采用合并節(jié)點(diǎn)的方式，對(duì)于無(wú)法共節(jié)點(diǎn)的焊接處采用剛性單元連接模擬。圖1為客車骨架有限元模型，模型單元總數(shù)為1 477 109個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 197 810個(gè)。網(wǎng)格劃分以四邊形殼單元為主，單元大小為10 mm，方鋼厚度與實(shí)車一致[11]。

圖1 客車結(jié)構(gòu)有限元模型

1.2 扭轉(zhuǎn)剛度分析

車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度Kt為單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力矩，即：

式中：F為加載載荷；L為前端左右氣囊支架橫向間距；θ為前后軸相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。S1、S2為右前、左前氣囊支架正上方測(cè)點(diǎn)的位移。

扭轉(zhuǎn)剛度分析時(shí)，約束車身左前氣囊支架和4個(gè)后懸氣囊支架X、Y、Z 3個(gè)方向平動(dòng)自由度，在前懸架右側(cè)與車身連接處施加方向垂直向上的力，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為避免出現(xiàn)塑性變形，故選擇試驗(yàn)第二次加載測(cè)得的力，大小為7 550 N。扭轉(zhuǎn)剛度分析示意圖如圖2所示。經(jīng)有限元計(jì)算，右前氣囊支架上方測(cè)量點(diǎn)的Z向位移為3.636 mm，左前氣囊支架上方測(cè)量點(diǎn)Z向位移為0.198 mm。由式（1）算得扭轉(zhuǎn)剛度為64 322 Nm/（°）。

圖2 扭轉(zhuǎn)剛度分析示意圖

1.3 彎曲剛度分析

車身上作用有對(duì)稱垂直載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彎曲工況，其整體的彎曲剛度由車身底架的最大垂直撓度來(lái)評(píng)價(jià)。此時(shí)的彎曲剛度Kb為：

式中：F為加載載荷；Z為縱梁下表面最大垂直撓度。

彎曲剛度分析時(shí)，約束車身兩個(gè)前懸氣囊支架和4個(gè)后懸氣囊支架的X、Y、Z 3個(gè)方向平動(dòng)自由度；在車架左右縱梁上圖示位置施加作用力，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中并未現(xiàn)塑性變形，故大小定為試驗(yàn)最大加載20 000 N，方向垂直向下。彎曲剛度分析示意圖如圖3所示。經(jīng)有限元計(jì)算，測(cè)點(diǎn)的Z向最大位移為1.769 mm。彎曲剛度11 305 N/mm。

圖3 彎曲剛度分析及加載示意圖

2 車身靜剛度的試驗(yàn)分析

行業(yè)內(nèi)大客車剛度試驗(yàn)成型臺(tái)架較少。試驗(yàn)時(shí)需預(yù)先制定試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)、制作試驗(yàn)工裝。為了模擬實(shí)車受力情況，選取車身氣囊支架作為約束點(diǎn)或施力點(diǎn)。結(jié)合前后氣囊支架設(shè)計(jì)高度與試驗(yàn)固定方式，設(shè)計(jì)合理工裝固定車身氣囊支架?？紤]到工裝加工和車身焊接時(shí)可能存在一定的誤差，設(shè)計(jì)可調(diào)螺栓以減小誤差，確保車身處于水平狀態(tài)。設(shè)計(jì)、制作安裝百分表的支架，以保證百分表固定且指針與測(cè)點(diǎn)垂直。分析和試驗(yàn)的固定及加載位置應(yīng)一致。

2.1 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)及分析

試驗(yàn)樣品如圖4所示。通過(guò)專用工裝底座、地腳螺栓將車身后橋前后的4個(gè)氣囊上支架、前橋左側(cè)氣囊支架與鐵地板固定連接成一體。將力傳感器與前橋右側(cè)氣囊支架固定連接，通過(guò)專用工裝底座、地腳螺栓將傳感器與鐵地板固定連接成一體。將千斤頂放置于工裝底座上。將百分表安裝固定在表1指定的試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)處。

圖4 試驗(yàn)樣品

表1 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

調(diào)節(jié)前橋左右兩邊力傳感器上可調(diào)螺栓使車身整體處于水平狀態(tài)，將力傳感器接入到數(shù)據(jù)采集器e-DAQ的HLS端口。試驗(yàn)開(kāi)始前，須對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行多次預(yù)加載，盡可能地消除安裝間隙。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)PC端TCE文件控制e-DAQ采集數(shù)據(jù)，通過(guò)千斤頂抬高右前氣囊支架處，監(jiān)測(cè)1號(hào)測(cè)點(diǎn)百分表，依次抬高3 mm、5 mm、7 mm，記錄力傳感器數(shù)據(jù)和各測(cè)點(diǎn)變形量。扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)重復(fù)3次，且須保證3組數(shù)據(jù)具有較好的一致性。

前后軸相對(duì)扭轉(zhuǎn)角θ與測(cè)點(diǎn)的撓度之間的關(guān)系為：

式中：U1、U2為 3、4 號(hào)測(cè)點(diǎn)的撓度；L1為 3 號(hào)、4 號(hào)測(cè)點(diǎn)橫向間距；U3、U4為 15、16 號(hào)測(cè)點(diǎn)的撓度；L2為 15 號(hào)、16號(hào)測(cè)點(diǎn)橫向間距。

3次加載位移百分表、傳感器數(shù)據(jù)如表2所示。試驗(yàn)測(cè)得L1為1 040 mm，L2為1 980 mm，通過(guò)表2中測(cè)點(diǎn)位移與式（3）計(jì)算，3 次加載扭轉(zhuǎn)角分別為 0.10°、0.15°、0.20°。扭轉(zhuǎn)力臂長(zhǎng)為1 250 mm，通過(guò)式（1）計(jì)算出3次加載扭轉(zhuǎn)剛度分別為60 370 Nm/（°）、62 913 Nm/（°）、63 750 Nm/（°），求得扭轉(zhuǎn)剛度平均值為62 344 Nm/（°），而有限元分析中車身扭轉(zhuǎn)剛度為64 322 Nm/（°），誤差僅為3.17%，吻合較好。

表2 加載后位移百分表讀數(shù) mm

圖5 不同加載下的縱梁扭轉(zhuǎn)角

圖6 7 550 kN加載試驗(yàn)與仿真的縱梁扭轉(zhuǎn)角分布對(duì)比

車身縱梁上各對(duì)測(cè)點(diǎn)扭轉(zhuǎn)角分布情況如圖5所示，從左至右依次為 5和 6、7和 8、9和 10、11和 12、13和14共5對(duì)測(cè)點(diǎn)相對(duì)15和16號(hào)測(cè)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角。7 550 N加載下，車身縱梁扭轉(zhuǎn)角仿真與試驗(yàn)對(duì)比如圖6所示，從左至右依次為 5和 6、7和 8、9和 10、11和 12、13和14共5對(duì)測(cè)點(diǎn)相對(duì)15和16號(hào)測(cè)點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角。可以看出，車身縱梁各測(cè)點(diǎn)扭轉(zhuǎn)角變化曲線比較平緩且光滑，接近線性，說(shuō)明車身整體剛度比較均勻，車身整體結(jié)構(gòu)較為合理；3種載荷工況下，車身扭轉(zhuǎn)角變化與位置變化基本成比例，在許可的扭轉(zhuǎn)力矩下，車身整體特性符合材料的力學(xué)理論；白車身縱梁扭轉(zhuǎn)角仿真與試驗(yàn)值較為接近，說(shuō)明兩種分析手段具有良好的關(guān)聯(lián)性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的有效性。

2.2 彎曲剛度試驗(yàn)及分析

約束前后6個(gè)氣囊支架平動(dòng)自由度，且保證車身前后高度一致。在左側(cè)行李艙上方的車架縱梁下表面安裝位移百分表1～位移百分表5，在右側(cè)行李艙上方的車架縱梁下表面安裝位移百分表6～位移百分表10。在前橋左右側(cè)氣囊支架上方內(nèi)側(cè)縱梁中點(diǎn)處安裝位移百分表11和位移百分表12，在后橋左右側(cè)前減振器上固定支架外側(cè)安裝機(jī)械式位移百分表13和位移百分表14。

在白車身地板指定的加載區(qū)域處安裝鐵塊承載木板（重量為40 kg）。按每400 kg鐵塊逐步遞增至2 000 kg鐵塊時(shí)停止加載。記錄各加載工況下測(cè)點(diǎn)的位移。試驗(yàn)重復(fù)3次，且需保證3次試驗(yàn)具有較好的一致性。

不同加載下縱梁底架最大撓度及彎曲剛度如表3所示。6組數(shù)據(jù)求平均值，得出彎曲剛度為11857N/mm，而有限元分析中計(jì)算出的車身彎曲剛度為11305N/m，誤差僅為4.7%，吻合較好。

表3 不同加載下縱梁底架最大撓度

以左側(cè)縱梁各測(cè)點(diǎn)彎曲撓度為例，各次加載下左側(cè)縱梁各測(cè)點(diǎn)撓度如圖7所示，由左至右依次為5、4、3、2、1號(hào)測(cè)點(diǎn)；2 040 kg加載下，車身左側(cè)縱梁撓度試驗(yàn)與仿真對(duì)比如圖8所示，由左至右依次為5、4、3、2、1號(hào)測(cè)點(diǎn)?？梢缘贸觯赫麠l縱梁位移變化曲線比較光滑，說(shuō)明車身Z向剛度較為線性，結(jié)構(gòu)較為合理；車身左側(cè)縱梁撓度仿真與試驗(yàn)較為接近，關(guān)聯(lián)性較好，再次驗(yàn)證了模型的有效性。

圖7 不同加載下的左側(cè)縱梁各測(cè)點(diǎn)撓度

圖8 加載試驗(yàn)與仿真對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了大客車剛度試驗(yàn)測(cè)試方法，包含工裝設(shè)計(jì)和試驗(yàn)實(shí)施方案，測(cè)試方法對(duì)同類車型的剛度試驗(yàn)具有參考意義。大客車白車身剛度測(cè)試與有限元分析方法相結(jié)合，分析了白車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度，以及車身縱梁變形的剛度特性；兩種手段分析結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)，具有良好的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)驗(yàn)證了有限元模型的有效性。試驗(yàn)和分析結(jié)果為客車車身的優(yōu)化設(shè)計(jì)和后續(xù)NVH研究提供依據(jù)，并為開(kāi)發(fā)新車型積累了數(shù)據(jù)。

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Research on Method of Calculation and Test for Coach Body Static Stiffness

ZhaoZhenlei1，2，HongJinbei2，Wu Daojun2
（1.School ofMechanicalamp;Automotive Engineering，Xiamen UniversityofTechnology，Xiamen 361024，China;2.Xiamen King-longUnited Automotive IndustryCo.，Ltd，Xiamen 361023，China）

Combiningthe finite element with the experiment technologies,the authors studythe coach bodystiffness,and get the stiffness results of the torsion and the bending and the stiffness characteristics of longitudinal deformation.The two methods have good consistency results and provide important basis for optimal design of body frame structure and follow-up NVH research.

coach body;static stiffness;test;finite element

U462

B

1006-3331（2017）06-0048-04

趙振壘(1990-)，男，在讀研究生；研究方向?yàn)榭蛙嚱Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安全。

修改稿日期：2017-08-07