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SUV白车身扭转刚度的分析与优化

2016-08-20熊辉方军袁堂福肖锋

汽车工程师 2016年2期
关键词:约束有限元车身

熊辉 方军 袁堂福 肖锋

(奇瑞汽车股份有限公司)

承载式车身几乎承受了轿车所有工况的载荷,包含扭转、弯曲、振动以及碰撞等,因此其必须拥有足够的刚度和强度来保证整车的使用需求和动态性能需求。而白车身扭转刚度是整车性能重要的指标之一,合理的扭转刚度设计可以避免车身在很多工况下发生的可靠性、耐久性、疲劳强度、振动及噪声等相关问题。文章以某款SUV为研究对象,对其白车身扭转刚度进行了优化设计。

1 SUV白车身结构及扭转试验工况

白车身按承载形式的区别,可分为非承载式、半承载式和承载式三大类。承载式车身无车架,整车车身的强度和刚度主要由白车身骨架予以保证,多数中低档轿车和SUV车身属于承载式车身。

文章研究对象为某款SUV白车身骨架系统,如图1所示。SUV白车身骨架系统相对于轿车更多行驶在乡村道路,更容易受到扭转工况的冲击;而且相对于三厢轿车,其骨架系统无包裹架结构,后背门处开口较大,因此其设计的优化提升挑战性更大。

图1 承载式SUV白车身骨架系统图

弯曲刚度可用车身在铅垂载荷作用下产生的挠度大小来描述,或者用单位轴距长度最大挠度量评价。扭转刚度可以用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大小来描述,或用单位轴距长度轴间相对扭转角评价[1]。

白车身扭转刚度试验约束方法:约束白车身前保险杠中间处,保证约束点Y坐标的值为0,约束该点Z向的平动自由度(ΔZ)。约束白车身后左右弹簧座X,Y,Z 3个方向的平动自由度(ΔX,ΔY,ΔZ),如图2所示。

图2 白车身扭转刚度约束和加载示意图

注意:若白车身的后悬架采用钢板弹簧结构,则约束点为每侧钢板弹簧2个安装点中间位置X坐标对应的后纵梁处;在试验中如果已通过专用加载设施实现,就不必再使用额外约束装置。

白车身扭转刚度试验加载方法:在白车身前左右减振器座上施加一大小为2 000 N·m的力矩,力的方向沿正负Z向。

白车身扭转刚度理论计算公式为:

式中:KT——白车身整体扭转刚度,N·m/(°);

T——加载时的扭矩,N·m;

φF,φR——前后部扭转角,(°)。

考虑到设备加载零飘带来的影响,通常采用式(2)进行计算更为准确。

式中:KT'——考虑零飘之后的修正的白车身整体扭转刚度,N·m/(°);

ΔT——加载时从1 600~2 000 N·m的变化扭矩,ΔT=400 N·m;

ΔφF,ΔφR——加载时从1 600~2 000 N·m的前后部扭转角变化量,(°)。

限于篇幅,扭转角的获取、插值与计算此处不再详细叙述。通过式(2)可以准确计算出白车身的扭转刚度。

2 白车身扭转刚度有限元分析

白车身的设计开发中,针对白车身结构进行有限元分析可有效缩短产品开发周期、节约开发费用,并能极大提高产品可靠性。因此针对车身的扭转刚度对白车身进行准确的有限元建模分析成为设计开发中一项不可缺少的重要内容。

某款SUV车型扭转刚度分析思路,如图3所示[2],首先把工程设计CATIA数模导入有限元分析软件HyperMesh,然后进行单个零件网格建模、连接、支撑、约束、求解以及后处理分析。

图3 某款SUV扭转刚度HyperMesh建模求解思路

考虑到白车身的受力传力复杂性,本次采用的是详细有限元模型。建模重点过程分为结构优化、单元选取、单元数量和质量控制、网格布局及连接方式模拟5个步骤。结构简化工作首先保证结构力学性能,对重点关心部件尽量少简化和不简化,不影响性能的部位可以加大简化。考虑到白车身的力学特性,本次采用离散板壳单元的组集,对车身结构的分析相对比较准确。门槛加强板模型,如图4所示。

图4 门槛加强板模型图

将各个零件建模并通过连接和装配获得整个白车身有限元模型。其中部件连接主要采用焊接方式,建模模拟采用全耦合方式。按照设计装配顺序表进行组装,建立整个白车身的模型,如图5所示。

图5 白车身有限元模型图

在上述白车身模型的基础上,进行模型边界的定义和添加支撑,文章中支撑单元选用多点约束MPC184单元模拟力和力矩。然后整个白车身模型按照上述扭转试验工况进行约束加载,进而后处理得到白车身的扭转变形云图和扭转角度。扭转变形云图,如图6所示。经过计算,其KT=13 849 N·m/(°),不满足项目设定目标(≥17 000 N·m/(°))。

图6 白车身扭转变形云图

3 白车身刚度灵敏度分析和设计优化

根据前期工程设计分析,车身环状结构对车身刚度影响较大。对车身结构性能影响较大的总共有16个环形结构,因此首先按照环状结构进行白车身结构初步分析,分析各个环的截面和连续性等;然后挑选出各个环中的关键件并进行简化建模和灵敏度分析,白车身简化模型图,如图7所示。灵敏度分析可以迅速找出对白车身扭转刚度影响的关键部件并分析出贡献量,为后期设计优化提供重要的支持。

图7 白车身简化模型图

通过简化模型灵敏度分析找出对白车身扭转刚度影响的关键部件并分析出贡献量,具体的分析结果,如表1所示。表1中各处零件皆为贡献量较大,需要重点考虑进行优化设计的部件。

表1 白车身灵敏度分析结果

针对以上部位进行工程分析,主要从4个方面进行结构优化设计:

1)顶盖上横梁和侧围的搭接接头加大封闭截面面积,并增加接头搭接长度,增加焊点。根据质量控制情况可以适当增加搭接板的料厚。

2)后背门处D环截面增加隔板、优化封闭截面、在轮罩上增加Z方向梁,与地板进行搭接、增加上接头连接零件料厚。

3)前轮罩处增加接头布置,形成完整的环状路径,增大环状结构截面面积,加大结构加强件料厚。

4)关键接头部位增加结构胶和焊点,提升车身扭转刚度。

通过灵敏度分析以及车身结构优化设计,最终计算得到白车身扭转刚度是17 870 N·m/(°),提升量为4 021 N·m/(°),提升率为22.5%,满足项目设定目标。同时白车身弯曲刚度提升了16.7%,弯曲和扭转模态也得到了有效的提升。

4 结论

对SUV白车身扭转刚度进行从白车身有限元模型建立到扭转刚度工况分析、灵敏度分析和优化设计,最终白车身扭转刚度提升了22.5%,满足设定目标要求。后期实车工况试验与有限元分析结果一致,满足目标要求。通过有限元分析可以大大缩短项目开发周期和降低成本。

另外白车身扭转刚度是车身结构设计的一个维度,以上方案仍需兼顾白车身质量目标和成本目标,需均衡提升才能达到目标要求。文章的研究对于白车身结构优化设计具有一定的参考价值。

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