基于應(yīng)變能的乘用車白車身彎曲剛度優(yōu)化方法

萬守臣

（暉馬中歐汽車科技成都有限公司，成都 610101）

主題詞：乘用車 白車身 彎曲剛度 優(yōu)化 應(yīng)變能

1 引言

在汽車行業(yè)整車開發(fā)過程中，白車身彎曲剛度是影響整車性能的重要參數(shù)之一。白車身彎曲剛度不足，會造成整車性能惡化，包括：

（1）在行車過程中引起車身的門框、窗框、發(fā)動機艙口以及行李箱口的變形，并引發(fā)異響；

（2）低剛度必然伴有低的固有振動頻率，易發(fā)生結(jié)構(gòu)共振及聲響；

（3）降低白車身結(jié)構(gòu)接頭的連接強度；

（4）影響安裝在底架上總成的相對位置；

（5）直接影響或間接影響汽車行駛的平穩(wěn)性、舒適性和操縱性能。

因此，為了避免上述問題，對于研發(fā)車型，必須合理定義白車身彎曲剛度目標(biāo)值，并在項目前期就開展白車身彎曲剛度CAE分析及優(yōu)化工作，以便于及時發(fā)現(xiàn)問題并對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

本文提出了一種快速精確找出影響乘用車白車身彎曲剛度性能關(guān)鍵位置的方法，減少對白車身設(shè)計師的設(shè)計經(jīng)驗要求。這種方法極大的提高了白車身彎曲剛度優(yōu)化效率，有效保證整車開發(fā)目標(biāo)和開發(fā)節(jié)點的達(dá)成。

2 傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE分析優(yōu)化流程

2.1 傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE分析流程

2.1.1 網(wǎng)格劃分及建立連接關(guān)系

將白車身總成CAD數(shù)據(jù)（圖1）導(dǎo)入到CAE軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并建立粘膠、焊接、螺接的連接關(guān)系,得到白車身總成CAE模型（圖2），白車身總成CAE模型中含有白車身總成各鈑金零件的外形、材料、厚度和連接關(guān)系信息。

圖1 白車身總成CAD模型

圖2 白車身總成CAE模型

2.1.2 建立約束關(guān)系

約束右后減振器座沿軸、軸和軸平動自由度，約束左前減振器座、左后減振器座和右前減振器座沿軸和軸平動自由度，如圖3所示。

圖3 白車身彎曲剛度CAE模型約束

2.1.3 建立載荷

在白車身近B柱位置左右兩側(cè)前門檻梁位置沿-方向分別對稱施加2 224 N集中載荷，如圖4所示。

2.1.4 CAE模型提交計算

以上CAE模型完成后，提交CAE線性求解器軟件（例如NASTRAN軟件）進(jìn)行計算。

圖4 施加集中載荷

2.1.5 白車身彎曲剛度計算

（1）測試點選取

CAE模型計算完成后，打開計算結(jié)果文件（例如op2結(jié)果文件）分別在左側(cè)門檻梁和右側(cè)門檻梁中線位置（圖5）提取向位移絕對值最大點，其向位移分別記為和，如圖6所示。

圖5 門檻梁中線位置

圖6 測試點選取

（2）彎曲剛度計算

彎曲剛度計算值：

式中，為彎曲剛度

工程實際中乘用車白車身左右結(jié)構(gòu)并非完全對稱，雖然會導(dǎo)致和對應(yīng)點不處于同一軸坐標(biāo)。但是由于白車身左右結(jié)構(gòu)差別一般不大，因此左右軸坐標(biāo)差異一般較小，以上彎曲剛度計算公式仍然適用。

2.1.6 將彎曲剛度計算值與目標(biāo)值對比

（1）若白車身彎曲剛度計算值大于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能達(dá)標(biāo)，不需要進(jìn)行優(yōu)化；

（2）若白車身彎曲剛度計算值低于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能不達(dá)標(biāo)，則需要執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化流程。

以上即為傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE分析流程。

2.2 傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化流程

2.2.1 依靠經(jīng)驗找出白車身薄弱點

若白車身彎曲剛度不達(dá)標(biāo)，則需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其滿足目標(biāo)要求。白車身設(shè)計師根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗來判斷影響白車身彎曲剛度性能的薄弱點，并針對這些薄弱點進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化（例如增加零部件壁厚、增設(shè)加強筋、增加結(jié)構(gòu)膠）。

2.2.2 重新驗算優(yōu)化方案下的白車身彎曲剛度

將優(yōu)化后的白車身CAD數(shù)據(jù)重新執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE分析流程，計算結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的白車身彎曲剛度。

2.2.3 結(jié)果對比

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的白車身彎曲剛度值與目標(biāo)值對比:

（1）若白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的彎曲剛度值大于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能達(dá)標(biāo)，優(yōu)化完成；

（2）若白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的彎曲剛度值仍然低于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能不達(dá)標(biāo)，需要重新執(zhí)行步驟2.2.1~2.2.3。

由于白車身總成包含的零部件數(shù)量很大，要精確選取影響白車身彎曲剛度性能的薄弱點難度非常大。若白車身設(shè)計師經(jīng)驗不足，則難以抓住真正的白車身彎曲剛度薄弱點進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)往往仍然難以滿足目標(biāo)值，必須重新優(yōu)化，導(dǎo)致以上2.2.1~2.2.3步驟需要反復(fù)進(jìn)行，整車開發(fā)目標(biāo)和開發(fā)時間節(jié)點難以保證。

2.3 基于ESE的白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化流程

2.3.1 ESE結(jié)果輸出

ESE結(jié)果可以顯示結(jié)構(gòu)中吸收能量最集中的部位和該工況下能量的分布。ESE集中的區(qū)域，表示在該工況下此位置變形大、能量集中、剛度不足，是優(yōu)化關(guān)注的重點。在傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE分析流程的基礎(chǔ)上，在步驟2.1.4中，對完成的CAE模型增加ESE結(jié)果輸出，如圖7所示，其它保持不變，提交CAE線性求解器軟件（例如NASTRAN軟件）進(jìn)行計算。

圖7 增加ESE輸出

2.3.2 查看ESE結(jié)果

在后處理軟件中（例如HyperView中），查看白車

身彎曲剛度計算結(jié)果中的ESE結(jié)果，并選取某個ESE閾值以上的區(qū)域作為優(yōu)化備選區(qū)域。ESE閾值過小，則優(yōu)化備選區(qū)域過大，優(yōu)化效率較低；反之，則優(yōu)化備選區(qū)域過小，同時由于白車身生產(chǎn)工藝及成本的限制，優(yōu)化空間較小。根據(jù)工作過程中大量車型的經(jīng)驗總結(jié)，針對乘用車白車身彎曲剛度性能優(yōu)化而言，一般篩選出ESE計算值大于0.2的區(qū)域，這些區(qū)域視為白車身彎曲剛度性能的薄弱點，可以同時兼顧較高的優(yōu)化效率和優(yōu)化空間，如圖8所示。

圖8 應(yīng)變能大于0.2的區(qū)域

2.3.3 對照ESE結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合白車身的生產(chǎn)工藝（包括鈑金沖壓工藝、白車身焊裝、涂裝、總裝工藝）要求，針對2.3.2中ESE大于0.2的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化（例如增加零部件壁厚、增設(shè)加強筋、增加結(jié)構(gòu)膠等）；

2.3.4 執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE分析

將優(yōu)化后的CAE模型重新執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE分析流程；

2.3.5 結(jié)果對比

將白車身優(yōu)化后的彎曲剛度與目標(biāo)值對比：

（1）若白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的彎曲剛度大于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能達(dá)標(biāo)，優(yōu)化完成；

（2）若白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的彎曲剛度仍然低于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能不達(dá)標(biāo)，需要重新執(zhí)行步驟2.3.3~2.3.4。

以上這種基于ESE的白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化方法，通過首先篩選出白車身結(jié)構(gòu)中ESE大于0.2的區(qū)域,將這些區(qū)域視為白車身彎曲剛度性能的關(guān)鍵薄弱點并進(jìn)行著重優(yōu)化，大幅度降低了對白車身設(shè)計師的設(shè)計經(jīng)驗的要求，提高了優(yōu)化效率，有效保證了白車身彎曲剛度性能目標(biāo)的實現(xiàn)。

3 傳統(tǒng)優(yōu)化方法和基于ESE優(yōu)化方法比較

3.1 背景說明

圖9為某款車型的白車身CAE模型，白車身彎曲剛度CAE計算值為13 779 N/mm,而目標(biāo)值定義為14 000 N/mm，不滿足目標(biāo)要求，因此需要針對白車身現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（例如增加零部件壁厚、增設(shè)加強筋、增加結(jié)構(gòu)膠），使白車身彎曲剛度達(dá)到目標(biāo)值。

圖9 某款車型的白車身CAE模型

3.2 傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化方案

3.2.1 白車身結(jié)構(gòu)薄弱位置選取

白車身設(shè)計師根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗認(rèn)為，零部件A和零部件B（圖10、圖11）是影響白車身彎曲剛度的薄弱部件，結(jié)合白車身的生產(chǎn)工藝要求，白車身設(shè)計師將零部件A由壁厚0.7 mm增加至1.0 mm，將零部件B由壁厚0.7 mm增加至1.0 mm，作為優(yōu)化后的白車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

圖10 零部件A和零部件B

圖11 零部件A和零部件B結(jié)構(gòu)

3.2.2 白車身彎曲剛度計算

對3.2.1中優(yōu)化后的白車身數(shù)據(jù)重新執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE分析流程2.1.1~2.1.6，計算優(yōu)化后的白車身彎曲剛度值，其結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

3.3 基于ESE的白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化方案

3.3.1 增加ESE結(jié)果輸出

在白車身彎曲剛度CAE分析流程階段，就增加ESE結(jié)果輸出（圖7）。

3.3.2 基于ESE結(jié)果查找白車身結(jié)構(gòu)薄弱點

在后處理軟件中（例如HyperView中），查看白車身彎曲剛度計算結(jié)果中的ESE結(jié)果，篩選出ESE計算值≥0.2的區(qū)域，這些區(qū)域視為影響白車身彎曲剛度性能的關(guān)鍵薄弱區(qū)域，如圖12所示。

圖12 某車型車身ESE≥0.2的區(qū)域

3.3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將分別屬于3.3.2中ESE≥0.2區(qū)域1和區(qū)域2的零部件C（圖13）和零部件D（圖14）作為優(yōu)化對象，并結(jié)合白車身的生產(chǎn)工藝要求，將其壁厚由1.0 mm增加至1.2 mm，作為優(yōu)化后的白車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

圖13 零部件C

圖14 零部件D

3.3.4 優(yōu)化效果對比

對3.3.3中優(yōu)化后的白車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE分析流程，計算優(yōu)化后的白車身彎曲剛度值，其結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化方法結(jié)果匯總

從表1可見，基于應(yīng)變能的白車身彎曲剛度優(yōu)化方法在優(yōu)化效率和優(yōu)化效果方面均優(yōu)于傳統(tǒng)優(yōu)化方法。

4 結(jié)束語

從表1結(jié)果對比可見，基于應(yīng)變能的白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化方法，可以快速識別現(xiàn)有白車身結(jié)構(gòu)中彎曲剛度性能的關(guān)鍵薄區(qū)域，并結(jié)合白車身的生產(chǎn)工藝要求針對薄弱點進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大幅度降低了對白車身設(shè)計師的設(shè)計經(jīng)驗要求，提高了優(yōu)化效率，有效保證了白車身彎曲剛度性能目標(biāo)的實現(xiàn)。