全景天窗汽車車身剛度分析及優(yōu)化設(shè)計

彭立強(qiáng)　孫靜瑤　王立新

摘 要：為了提高全景天窗汽車的車身剛度，滿足汽車車身設(shè)計要求，利用yperWorks軟件建立了全景天窗車型（A型車）白車身有限元模型，分析其車身扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)工況下的開口變形量，并與無天窗原型車進(jìn)行對比研究。對A型車和原型車車身扭轉(zhuǎn)剛度及開口變形量進(jìn)行試驗(yàn)測量，并將仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析;對全景天窗的A型車車身剛度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如增大頂蓋前后橫梁截面積、改進(jìn)水箱上橫梁斷面及截面形式、減少前后橫梁孔洞及增加連接點(diǎn)等。結(jié)果顯示，增加汽車天窗會使汽車的扭轉(zhuǎn)剛度下降52%，同時車身在扭轉(zhuǎn)工況下的開口變形量也會大幅增加，而對A型車進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后滿足了設(shè)計要求。研究結(jié)果為全景天窗車身的剛度設(shè)計提供了一定的理論支持和設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械強(qiáng)度; 全景天窗;車身剛度;扭轉(zhuǎn)剛度;變形量;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U46383?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：In order to improve the body stiffness of panoramic sunroof cars and meet the requirements of automobile body design， the finite element model of panoramic sunroof car （A-type） white body is established by using yperWorks software， the torsional stiffness of the body and the opening deformation under torsional conditions are analyzed， and the A-type car is compared with the prototype car without sunroof. The body stiffness and opening deformation of A-type car and the prototype car are measured， and the simulation results are compared. The stiffness of A-type car body with panoramic sunroof is optimized by enlarging cross-section area of front and rear roof， improving cross-section and cross-section form of water tank， reducing cross-beam holes and increasing connection points， and so on. The results show that panoramic sunroof body will make the torsional stiffness decrease by 52%， and the opening deformation of the body will increase greatly under the torsional condition， so that the structural optimization of the A-type car can meet the design requirements. The study provides theoretical support and design reference for stiffness design of panoramic sunroof car body.

Keywords：mechanical strength; panoramic sunroof; body stiffness; torsional stiffness; deformation; optimal design

現(xiàn)代轎車車身的剛度分析已經(jīng)貫穿于車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的全過程，是現(xiàn)代轎車車身設(shè)計開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，對轎車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計意義重大。汽車車身設(shè)計對車身剛度具有較高的強(qiáng)度要求，尤其是車身扭轉(zhuǎn)剛度，它是車身抵抗較惡劣的扭轉(zhuǎn)工況載荷的關(guān)鍵保證指標(biāo)。汽車白車身剛度主要包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。彎曲剛度可用車身在鉛垂載荷作用下產(chǎn)生的撓度大小來描述，或者用單位軸距長度最大撓度量評價。扭轉(zhuǎn)剛度可以用車身在扭轉(zhuǎn)載荷作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角大小來描述，或用單位軸距長度軸間相對扭轉(zhuǎn)角評價[1]。

目前，國外對車身剛度的分析成果主要有：OWARD等[2]利用有限元方法對某轎車車身扭轉(zhuǎn)剛度和車身輕量化靈敏度進(jìn)行了研究;COI等[3]分析了T型接頭對整車剛度的影響;NIMA等[4]研究了轎車車身剛度對車身振動及汽車噪聲的影響。目前國內(nèi)對轎車車身剛度的分析有：馬迅等[5]分析車身常用薄壁構(gòu)件的剛度;胡寧[6]采用有限元方法研究了某轎車的車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對車身剛度做了大量研究分析[7-16]，但很少見到有關(guān)對全景天窗車身的研究報道。天窗對其車身剛度的影響至關(guān)重要，因此分析全景車窗車身剛度具有重要的工程價值。

2.2 邊界及載荷條件

本文對某全景天窗轎車白車身進(jìn)行車身剛度分析，首先確定剛度分析的邊界條件。車身剛度分析的邊界條件包括扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件和彎曲剛度邊界條件，其約束如下。

1）扭轉(zhuǎn)剛度約束

前端約[WTBX]束Z向移動，左后減震器位置約束X，Y，Z向移動，右后減震器位置約束X，Z向移動;左右前減震器位置分別施加2 604.6 N的力，其約束如圖1 a）所示。

2）彎曲剛度約束

左前減震器位[WTBX]置約束Y，Z向移動，右前減震器位置約束Z向移動，左后減震器位置約束X，Y，Z向移動，右后減震器位置約束X，Z向移動;載荷：左右門檻梁位置分別施加1 500 N的力，其彎扭剛度分析邊界條件如圖1 b）所示。

2.3 白車身有限元模型劃分

采用有限元分析軟件對白車身（BIW）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過網(wǎng)格處理，得到了該SUV白車身有限元模型如圖2所示，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)（nodes）782 095，2D單元中（Tria3）41 582個，焊接單元5 036個，白車身單元劃分信息如表2所示。

2.4 扭轉(zhuǎn)剛度計算結(jié)果分析

在建立車身有限元模型的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置車身扭轉(zhuǎn)剛度的約束邊界條件，計算得到該車身的扭轉(zhuǎn)剛度變形圖，如圖3所示。

從圖3白車身彎曲變形圖可看出，在載荷的作用下該車身總體彎曲變形平順，沒有出現(xiàn)非常明顯的變形突變，因此該車身彎曲剛度分配較合理。

2.5 車身剛度試驗(yàn)與仿真比較分析

A車型是指在原參考車型的基礎(chǔ)上增加全景天窗的車型，參考車型是原型車，沒有天窗的成熟車型。A車型在參考車型的基礎(chǔ)上改造了頂蓋，對頂蓋、頂蓋前后橫梁進(jìn)行了初步改造，增加了全景天窗，機(jī)艙、側(cè)圍、地板均為參考車型結(jié)構(gòu)。

本文對A車型和無天窗參考車型分別進(jìn)行了仿真及試驗(yàn)分析（見圖4），其仿真與試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知，對于A型車扭轉(zhuǎn)剛度仿真值與試驗(yàn)值分別為7 676，8 235 N·m/（°），試驗(yàn)與仿真誤差為926%;對于無天窗參考車型扭轉(zhuǎn)剛度仿真值與實(shí)驗(yàn)值分別是15 834，17 450 N·m/（°），試驗(yàn)與仿真誤差為679%;A型車與參考車型的仿真與試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)剛度比值分別為0.485，0.472，扭轉(zhuǎn)剛度比值基本一致，A型車扭轉(zhuǎn)剛度是參考車型扭轉(zhuǎn)剛度的48%左右，試驗(yàn)結(jié)果略大于仿真值。由此可見，增加汽車天窗會使汽車的車身剛度大大降低。

要通過仿真和試驗(yàn)分析該全景天窗白車身開口的變形量，必須對車身前風(fēng)擋及天窗開口處進(jìn)行標(biāo)記編號。

車身開口編號如圖5所示。前風(fēng)擋兩對角線方向的變形量分別定義為A1，A2，車身頂蓋天窗對角線方向變形量定義為E1，E2。在扭轉(zhuǎn)工況下，對A車型前風(fēng)擋及頂蓋開口的變形量進(jìn)行仿真與試驗(yàn)分析，并與無天窗的參考車型相比較，分析試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知，增加天窗后汽車車身扭轉(zhuǎn)工況下的開口變形量明顯變大，A車型相比參考車型，前風(fēng)擋變形量A1，A2分別增加了3.23，3.92（試驗(yàn)值），頂蓋開變形量E1，E2分別增加了12.42，8.18（試驗(yàn)值）。增加全景天窗使汽車扭轉(zhuǎn)剛度大幅下降，開口變形量大幅上升，特別是頂蓋開口處的變形量。為滿足全景天窗車身設(shè)計的要求，必須對全景天窗汽車車身進(jìn)行剛度優(yōu)化，以滿足設(shè)計要求。

3 全景天窗白車身剛度結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對車身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化：1） AB柱采用熱成型材料;2）地板側(cè)圍縱梁采用高強(qiáng)度滾壓型材;3） 優(yōu)化頂蓋前后橫梁，增大截面;4） 優(yōu)化前后橫梁接角，減少孔洞，增加連接點(diǎn);5） 改進(jìn)水箱上橫梁斷面及截面形式。

優(yōu)化后分析結(jié)果如下：彎曲剛度為12 959 N/mm;扭轉(zhuǎn)剛度為19 757.5 N·m/（°）;因天窗版采用全景天窗， BIP車身（注：BIP 車身包括白車身、前風(fēng)擋、頂蓋玻璃、管梁、前后副車架，前后防撞梁）扭轉(zhuǎn)剛度要求達(dá)到25 000 N·m/（°），對BIP車身進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果為26 448.4 N·m/（°），可以滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

本文建立了某全景天窗A型車的有限元仿真模型，對該車剛度進(jìn)行仿真分析，同時利用試驗(yàn)條件，對該A型車及同類型無天窗參考車型進(jìn)行剛度和開口處變形量試驗(yàn)測量，得到如下結(jié)論。

1）在載荷的作用下A型車車身總體彎曲變形平順，沒有出現(xiàn)非常明顯的變形突變，因此該車身彎曲剛度分配較合理。

2）增加天窗后使汽車車身扭轉(zhuǎn)剛度下降了52%，扭轉(zhuǎn)剛度的試驗(yàn)和仿真結(jié)果基本一致。

3） A型車與參考車型比較，在頂蓋開口與不開口兩種狀態(tài)下，前風(fēng)擋與頂蓋開口的變形量變化均很大，天窗對車身扭轉(zhuǎn)剛度下的開口變形量影響很大。

本文沒有考慮剛度性能更好的材料，未來可以采用性能更好的車身材料或一體沖焊的車身結(jié)構(gòu)來提高全景天窗車身剛度。

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