杨甄鑫 廖抒华 石登仁 李云 廖礼平

摘  要：针对某车型弯扭刚度不足的问题，基于白车身模型截取接头12个，截面16个，引入PALS（product      attribute leadership strategy）策略对其进行评价。针对竞争力不佳的接头及截面进行灵敏度分析，对比竞品车型截面结构，对其提出改进方案。研究结果表明，白车身质量增加1.10%，弯曲刚度提升15.77%，扭转刚度提升8.35%，其他性能基本不变，白车身性能改善效果显著。

关键词：弯扭刚度;车身接头;截面性能;灵敏度分析

中图分类号：U463.8         DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.01.002

0    引言

20世纪80年代以来，汽车技术快速发展。车身作为汽车的重要组成之一，在汽车行驶和停放状态下都会受到不同工况力的作用。结构强度及刚度是判断车身结构是否合理的重要指标[1]，接头连接较弱，会降低车身的扭转刚度和模态，且对车身的弯曲刚度也有一定影响。鉴于此，国内外学者对车身接头展开研究。宋凯等[2]在车身概念设计阶段，建立由隐式参数驱动T型接头更新的全参数化模型，并建立了自动化的多目标优化流程。姚再起等[3]建立SFE参数化模型，基于接头的灵敏度分析结果，对截面形状、部件厚度、工艺进行优化，改善了车身性能。胡望岳等[4]通过对关键位置接头进行刚度优化，实现了白车身一阶弯曲、扭转模态的提升。毛征宇等[5]对车身模型进行简化，筛选出了关键接头位置，采用试验设计的方法和近似模型对接头结构进行多目标优化。林圣存[6]对某承载式客车车身接头结构进行改进，仿真结果表明，改进后的客车侧翻安全性能明显提升。林辉等[7]对某MPV车型白车身主要接头的连接关系、截面形状及关键结构件的厚度参数进行修改，以满足车身性能要求。庞博[8]深入研究了循环温度场对T型搭接胶接接头强度的影响，胶接接头在汽车行业应用广泛，具有应力分布均匀、轻量化、密封性好等特点。Kanani等[9]为了改善铝和聚邻苯二甲酰胺（PPA）之间单搭接接头的性能，开发出一种具有界面刚度改进结构的新设计。Bylund[10]对一款名为ADRIAN的汽车接头刚度计算软件及其在产品开发过程中的应用进行了介绍。Banea等[11]对相似材料和多材料胶接接头进行了实验和数值研究。Mundo等[12-13]在车身概念设计阶段提出了一种基于简化梁和接头的建模方法，以实现在白车身早期设计阶段的NVH和其他性能优化。

本文基于某车型白车身模型，通过仿真分析计算出接头刚度和截面性能，采用PALS（product    attribute leadership strategy）策略对接头及截面的性能进行初步评价。对不满足要求的接头及截面进行灵敏度分析，以分析结果为依据，对比竞品车型截面，对车身结构提出改进方案。

1    白车身接头刚度与截面性能分析

1.1   接头刚度分析

基于白车身模型，以外板焊接边边缘线的交点为起点，沿各梁方向伸出250 mm进行截取。接头的截取需保证结构、连接的完整性，加强板和减重孔应尽量保留，接头截面与yoz、xoz、xoy平面平行。白车身结构左右对称，只对一侧进行截取，共12個接头，如图1所示，其中up为上接头，ctr为中接头，low为下接头，F-sus为后悬弹簧座接头。

接头性能的优劣对车身的各项性能有直接影响，通过刚度来表征接头特性。约束非加载断面处6个方向自由度，在加载截面的形心处建立局部坐标系，分别在接头每个分支的x、y、z向加载力    1 000 N，如图2所示。使用Nastrain求解器进行线性求解，接头刚度计算式为：

[Kx=Fδ] ，                         （1）

式中：[Kx]为接头刚度，单位为N/m;[F]为施加载荷，单位为N;[δ]为位移量，单位为m。

采用PALS策略对产品属性竞争力进行分析。其通过与竞品车型的性能对比来衡量产品的竞争力，分为4个定位，分别为L（Leader，性能市场领导地位，处于前10%）、A（Advantage，性能处于领先地位，处于上游20%）、C（Competitive，产品具有一定竞争力，处于中游40%）、U（Uncompetitive，产品不具有竞争力，处于下游30%）[14]。接头刚度PALS描述如表1所示，可知B柱下接头、D柱中接头、D柱下接头产品性能较差。

1.2   截面性能分析

根据接头模型的截取，对车身截面进行定义，共计16个截面，如图3所示。

截面的特性参数为截面惯性矩[Iy]、[Iz]及截面扭转常数[Tc]。[Iy]、[Iz]主要反映截面的抗弯性能，[Iy]、[Iz]越大，截面的抗弯性能越好;扭转常数[Tc]为扭转惯性矩，即单位长度扭转角，其主要反映截面的抗扭性能，扭转常数越大，抗扭性能越好[15]。其计算式为：

[Iy]=[Az2dA]，                               （2）

[Iz]=[Ay2dA]，                               （3）

[Tc]=[4A2d（s/t）]，                             （4）

式中：[Iy]為截面对[y]轴的惯性矩，[Iz]为截面对z轴的惯性矩，单位为[mm4];[A]为零件断面面积，单位为[mm2];[t]为薄壁杆厚度，单位为mm;[s]为截面中线周长，单位为mm。

白车身截面性能PALS描述如表2所示，可知前门槛、后轮眉包络腔体、后门槛、后门上铰链这4处截面性能较差，不满足要求。

2    白车身接头和截面灵敏度分析

对白车身而言，接头结构数量较多，如果对所有接头结构进行优化分析，工作量将十分庞大。通过灵敏度分析获得对整车刚度及模态性能影响较大的截面方向刚度，可以大大减少工作量，提高优化效率。

基于白车身模型，以接头刚度参数描述接头，局部替换纯参接头，避免了实际接头无法识别接头刚度方向的问题。以B柱下接头灵敏度分析为例，使用HyperWorks软件搭建模型。采用弹簧单元代替白车身两侧的B柱下接头壳单元，设计变量为各分支截面的三向刚度[K1]、[K2]、[K3]，如图4所示。分别计算白车身弯曲、扭转、一阶扭转模态3种工况下的接头各分支贡献量，计算结果如图5—图7所示。

综合接头刚度与模态灵敏度分析，识别出一个关键刚度：B柱下接头上分支的x向刚度。对截面性能进行灵敏度分析，以找出关键截面参数。采用梁单元简化车身接头，其示意图如图8所示，设计变量为各分支截面的[Iy]、[Iz]、[Tc]，分析工况为上分支x向刚度。灵敏度计算结果如图9所示，上接头的z向截面惯性矩对其刚度性能影响较大，可以通过增大上分支截面惯性矩[Iz]来提高车身性能。

3    接头与截面结构优化改进

3.1   结构优化改进方法

采用灵敏度分析与竞品分析相结合的方法对车身结构进行改进。以B柱截面为例，灵敏度分析结果显示，惯性矩[Iy]对扭转刚度影响较大;惯性矩[Iz]对侧碰、顶压、扭转刚度影响较大;扭转常数[Tc]对扭转刚度、扭转模态影响较大。对比原车型与竞品车型B柱截面性能参数，如表3所示。

由表3可知，原车型B柱截面y向尺寸较小，加强板厚度较薄，截面性能较低，可以通过增加截面y向尺寸来提高性能。将B柱截面y向尺寸增加   20 mm，其截面对比如图10所示。改进后的B柱截面，Iy增加为1 140 466 [mm4]，提高6%;Iz增加为274 608 [mm4]，提高127%;[Tc]增加为529 330，提高102%。

3.2   结构优化改进方案汇总

单个结构优化改进方案对白车身弯曲刚度、扭转刚度、一阶弯曲、扭转模态及质量的影响以及结构改进的综合效果如表4所示，表明了灵敏度分析和竞品分析相结合对车身结构改进的有效性，其中对门槛梁的z向增加及对弯曲刚度、扭转刚度的贡献最突出。

4    结论

1）接头及截面结构对车身的弯曲刚度、扭转刚度及模态有很大影响，合理的接头及截面结构能够有效改善车身性能。

2）通过灵敏度分析得到对车身性能贡献较大的接头、截面性能分支，与竞品车型结构对比分析，综合提出接头结构优化改进方案。研究结果显示，白车身质量增加1.10%，弯曲刚度提升15.77%，扭转刚度提升8.35%，一阶扭转模态提升4.70%，一阶弯曲模态提升1.60%。

参考文献

[1]     廖金深，沈光烈，林圣存.对某微型客车车身结构的有限元分析[J].广西科技大学学报，2016，27（1）：58-61.

[2]     宋凯，成艾国，胡朝辉，等.基于真实接头车身概念模型的结构优化[J].中国机械工程，2010，21（22）：2764-2770.

[3]     姚再起，门永新，李落星，等.基于梁与接头灵敏度分析的白车身刚度模态优化[J].湖南大学学报（自然科学版），2017，44（4）：9-15.

[4]     胡望岳，梁伟强，孔祥帧，等.基于接头刚度优化的白车身模态优化[J].内燃机与动力装置，2017，34（5）：35-39.

[5]     毛征宇，朱俊屹，李落星，等.基于简化车身的接头灵敏度分析及多目标优化[J].农业装备与车辆工程，2018，56（5）：20-24.

[6]     林圣存.接头设计对客车侧翻仿真的影响[J].广西科技大学学报，2017，28（3）：72-76.

[7]     林辉，陈吉清，谢然.汽车车身结构刚度与模态分析及结构改进方法研究[J].现代制造工程，2011（6）：58-63.

[8]     庞博.T型搭接胶接接头循环温度场对其强度的影响[D].大连：大连理工大学，2014.

[9]     KANANI A Y，HOU X N，YE J Q.A novel dissimilar single-lap joint with interfacial stiffness improvement[J].Composite Structures，2020，252：112741.

[10]   BYLUND N. ADRIAN：a software for computing the stiffness of automotive joints and its application in the product development process[J].Journal of Computing and Information Science in Engineering，2005，5（4）：388-393.

[11]   BANEA M D，ROSIOARA M，CARBAS R J C，et al.Multi-material adhesive joints for automotive industry[J].Composites Part B：Engineering，2018，151：71-77.

[12]   MUNDO D，HADJIT R，DONDERS S，et al.Simplified modelling of joints and beam-like structures for BIW optimization in a concept phase of the vehicle design process[J]. Finite Elements in Analysis and Design，2009，45（6-7）：456-462.

[13]   DONDERS S，TAKAHASHI Y，HADJIT R，et al. A reduced beam and joint concept modeling approach to  optimize global vehicle body dynamics[J].Finite Elements in Analysis and Design，2009，45（6-7）：439-455.

[14]   呂奉阳，罗培锋，杨万庆，等.基于PALS策略的车身轻量化等级评价[J].汽车实用技术，2020，45（23）：224-226.

[15]   王超，于万元，梁名佳，等.基于HyperWorks的白车身关键截面分析方法[C]//2019Altair技术大会论文集，2019：129-136.

Improvement of body-in-white structure based on sensitivity analysis

of joints and cross-sections

YANG Zhenxin1， LIAO Shuhua*1， SHI Dengren2， LI Yun2， LIAO Liping2

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China; 2. Dongfeng Liuzhou Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou 545005， China）

Abstract： PALS （Product Attribute Leadership Strategy） was used to evaluate 12 joints and 16 cross-

sections from the body-in-white model aimed at the insufficient bending-torsional stiffness of a certain vehicle. The sensitivity analysis was made for the joints and sections with poor competitiveness. And the improvement scheme was proposed by comparing the section structure of competing models. The results show that the performance of body-in-white has been improved significantly with its mass        increased by 1.10%， the bending stiffness by 15.77%， the torsional stiffness by 8.35%， and the other properties basically unchanged.

Key words： bending-torsional stiffness;body joint; property of cross-sections; sensitivity analysis

（责任编辑：黎   娅）