轿车白车身静刚度分析_夏国林
轿车白车身静刚度分析／夏国林
设计・研究
夏国林
（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，苏州２１５０２６）
摘要：采用ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ和ＡＮＳＹＳ软件建立了某国产中高级轿车白车身的有限元模型。通过对其进行刚度分析和对国内外同级别的车型进行比较来判断该轿车的刚度情况，针对分析结果和相关车型的比较后对该车刚度情况做了一定的分析，通过相关试验进行验证，为后续相关的优化和改进提供了依据。关键词：轿车；白车身；ＡＮＳＹＳ；刚度分析中图分类号：Ｕ４６３．８２１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５－２５５０（２００８）０３－００２５－０４
现代轿车大多数采用全承载结构，由于承载式车身几乎承担了所有的扭转和弯曲载荷，其结构刚度特性具有举足轻重的作用。车身刚度分布设计是否合理，会直接或间接地影响整车的性能，轿车车身的轻量化是轿车提高动力性、降低油耗、节约材料、降低成本的关键，所以在满足车身结构强度及刚度的前提下，实现车身轻量化是汽车设计的重要目标之一。利用国际先进的分析软件对汽车产品进行强度计算分析，从理论上找出改进的依据，并指导开发与生产，这对缩短产品开发周期、降低产品开发成本能起到一定的作用［１］。
两种。车身的弯曲刚度可由车身的前后部分变形来衡量，车身扭转刚度可由前后窗和侧窗的对角线的变化量、车身锁位及车身扭转角等指标来衡量。
１．１扭转刚度
当车身上作用有反对称垂直载荷时，结构处于
扭转工况，将使车身产生扭转变形，图１为轴间相对扭转角示意图。
!
Ｕ１
Ｂ／２
Ｕ２
１白车身静刚度
车身的静刚度一般包括弯曲刚度和扭转刚度
图１轴间相对扭转角示意图
收稿日期：２００７－０８－０１
结构的变形程度与结构上所受到的力及结构的
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手减少实际参与排序的节点数、消除初始装配信息模型图中的有向环的途径来建立车身装配体的
ＡＯＶ模型。装配体中一些典型子装配的识别与装配
顺序规划是在推理规则集的支持下由机器自动推理完成，但是推理规则集的设计很难做到面面俱到，对于一些复杂产品装配体，其初始装配信息模型图中某些有向环的消除并无现成规则可供遵循，需要装配工艺人员的介入或者对装配顺序推理规则集进行扩展，从而满足对复杂产品的装配顺序规划的需求。参考文献：
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ＢａｓｅｄｏｎＴｏｐｏｌｏｇｉｃａｌＳｏｒｔｉｎ
ＤｉｒｅｃｔｅｄＧｒａｐｈ
ＦＥＮＧＹｕ，ＳＵＮＹｕｅ－ｄｏｎｇ，ＷＵＫｕｎ（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｏｒｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓａｋｉｎｄｏｆｉｍｐｏｒｔａｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｘｐａｔｉａｔｅｔｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆＡＯＶ（ＡｃｔｉｖｉｔｙＯｎＶｅｒｔｉｃｅｓ）ｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｔｈｅｉｄｅａｏｆｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｏｒｔａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｓｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆａｐｐｌｙｉｎｇｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｏｒｔｉｎｄｉｒｅｃｔｅｄｇｒａｐｈｔｏａｐｒｏｄｕｃｔ＇ｓａｓｓｅｍｂｌｙｓｅｑｕｅｎｃｅｐｌａｎＢａｓｅｄｏｎｒｅａｓｏｎｉｎｇｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｗｉｔｈａｎｅｘａｍｐｌｅｏｆａｕｔｏ－ｂｏｄｙａｓｓｅｍｂｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔｅｄｇｒａｐｈ；ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｏｒｔ；ａｓｓｅｍｂｌｙｓｅｑｕｅｎｃｅｐｌａｎ；ａｕｔｏ－ｂｏｄｙ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎａｓｓｅｍｂｌｙｐｌａｎｎｉｎｇ［Ｊ］．ＡｎｎａｌｓｏｆｔｈｅＣＩＲＰ，１９９２，４１（１）：１～４．
・２５・
设计・研究
扭转刚度有关。车身结构的扭转刚度（ＧＪ）为单位扭转角所受到的力，即：
ＧＪ＝ＴＬ／!
（１）
式中，Ｌ为轴距；Ｔ为扭矩；! 为轴间相对扭转角。
车身扭转角! 与梁的挠度之间的关系为：
! ＝ａｒｃｔｇ
Ｕ１
－Ｕ２
"
（２）
式中，! 为车身扭转角；Ｕ１为左侧纵梁测点的挠度；Ｕ２为右侧纵梁测点的挠度；Ｂ为底架宽。
一般白车身扭转刚度（ＧＪ）Ｂ和成品车的扭转刚度（ＧＪ）Ｐ的关系为：
（ＧＪ）Ｐ
＝１．２￣２．０（３）
Ｂ
１．２弯曲刚度
当车身上作用有对称垂直载荷时，结构处于弯
曲工况，其整体的弯曲刚度由车身底架的最大垂直挠度来评价。此时的弯曲刚度ＥＩ为［２］：
ＥＩ＝
∑Ｆ
（４）
ｚｍａｘ
一般白车身弯曲车身刚度（ＥＩ）Ｂ和成品车弯曲刚度（ＥＩ）Ｐ的关系为：
（ＥＩ）Ｂ
＝１．３￣１．７（５）
Ｐ
２建立车身结构有限元模型
建立模型的过程中通常都要对结构进行简化。
结构简化的原则是：在保证充分反映实际结构力学性能的前提下，做必要的简化。
本课题对车身部件做了以下简化：①省略非承载件；②构件表面光顺化；
③对翻边的简化；④载荷分配合理。
轿车车身包括以下总成：车身地板总成、前围总成、后围总成、侧围总成、顶盖总成、车门总成、发动机舱总成、发动机罩总成、翼子板总成、仪表台骨架总成共１０个总成，近２３０零部件。在建立有限元模型的时候，考虑到焊点处理的方便和以后修改的方便，对不同的总成和焊点我们建立了不同的组件，当某处需要修改的时候，只需对该处对应的组件进行相关修改即可。对每个ＣＡＤ模型按照绝对坐标用Ｈｙ－
ｐｅｒＭｅｓｈ进行有限元网格划分，进行统一的网格质量
检查。把各个总成装配在一起，然后在焊点的位置处进行焊接处理，最后组成白车身有限元模型，在进行总体质量检查的基础上得到用于计算模拟的白车身有限元模型。最后建立的有限元模型见图２，建立的有限的有限元模型包括１９４０００个单元、１９６０００个节点、６１００个连接点。本文选用ＡＮＳＹＳ提供的板单元Ｓｈｅｌｌ６３。・２６・
汽车科技第３期２００８年５月
图２轿车白车身有限元模型
３
白车身刚度计算
３．１
扭转刚度计算
有限元模型建立之后，计算车身的扭转刚度的
关键问题是边界条件的处理。本文通过在车身的前、后悬架安装处利用ＭＰＣ１８４单元建立塔形支撑，约束后塔形塔尖处的６个自由度及前塔形两塔尖中点处的
６个自由度，在前塔形两塔尖处施加大小相等方向相反的竖直方向的集中力，如图３所示。白车身的扭转变形图如图４所示。由图可以得到前部两塔尖处的变形分别为±３．９７６６ｍｍ，由式（２）可以求出车身的扭转角
度为０．３６７°，其中Ｕ１＝３．９７６ｍｍ，Ｕ２＝－３．９７６ｍｍ，Ｂ＝６２０×２ｍｍ。由式（１）可以求出在５４００Ｎ・ｍ的扭转工况下，该模型的扭转刚度为１４７１４．３Ｎ・ｍ／ｄｅｇ。
图３扭转刚度分析模型的边界条件
（ａ）（ｂ）
图４
白车身扭转刚度变形图
最大扭转载荷根据下式确定［５］：
Ｍ＝０．５×
前轴最大负荷×轮距本文所研究的样车前轴最大负荷为１０２５
ｋｇ，轮距为１．２５ｍ，所以该车的最大扭转载荷Ｍ＝
０．５×１０２５×９．８×１．５６５＝７８３５Ｎ・ｍ。
采取逐步加载的方式进行加载，得到相应转矩下该车的转角和扭转刚度见表１。
表１
各载荷工况下轴间扭转角和扭转刚度
转矩／Ｎ・ｍ
转角／′
扭转刚度／（Ｎ・ｍ）・ｄｅｇ－１
１５００６．１２５１４６９４３０００１２．１４９１４６９６７８３５
３１．９９
１２８３１
３．２扭转刚度分析
车身结构的扭转刚度可以通过以下部位的变形
轿车白车身静刚度分析／夏国林
情况进行评价，即：①车身地板一侧在长度方向上扭转角变化曲线；②窗口及洞口对角线尺寸变化；
③门锁锁扣位置变化；④前后轴间的扭转角；⑤扭
转变形曲线应连续变化无明显突变。
扭转变形曲线的测量点分布于白车身前后纵梁下部、门坎梁下部、前围下部，间距为３００ｍｍ。在轿车白车身上从前往后取若干组左右对称的点，根据式（２）分别求出扭转角，求得的各对称点的扭转角的平均值见表２。
轿车白车身关键部位的扭转角沿纵坐标的变化情况见图５。本研究样车的扭转刚度符合设计要求。
表２
轿车白车身扭转角
测量点
１
２
３
４
５
６
７
８
９
１０
１１
１２
扭转角／＇２２．５２１１５１１．５８．７７．８６．５６．２４．４２．５－０．５－０．８５
图５轿车白车身扭转刚度扭转角计算值结果图
３．３弯曲刚度计算
车身结构的弯曲刚度计算模型的边界条件处理
是约束前、后悬架固定座支撑点的所有自由度，如图６所示。
本文采取在有效尺寸上施加均布载荷的方式进行加载，即在乘客舱内加均布载荷。
弯曲载荷：Ｆ＝１．８×乘客室负荷，该车乘客室负荷为４０１８Ｎ，所以该车的弯曲载荷Ｆ＝７３２３．４Ｎ，该车分析模型的约束情况见图７。
图６
弯曲边界条件模型
图７弯曲载荷条件模型设计・研究
弯曲工况下门槛最大垂直变形为－０．５３ｍｍ，该车门坎处的弯曲变形如图８所示。相对弯曲刚度为１３６４６．０３Ｎ／ｍｍ，国际一般使用的设计参考值为
１２２００Ｎ／ｍｍ，因此该样车的扭转刚度可以满足设
计要求。
图８弯曲工况下门槛垂直变形
３．４
弯曲刚度分析
车身结构的扭转刚度可以通过以下部位的变
形情况进行评价，即：①底板在车身长度方向上的垂直挠度变化曲线；②前排座椅处底板的最大变形；③前围板的最大垂直变形；④底板在车身长度方向上的垂直挠度变化曲线应连续无明显突变。
本样车的底部变形测量点分布在车身前后纵梁下方、门槛下方、前排座椅处底板下部、前围板下部，间距为３００ｍｍ。整车从前至后的ｚ方向上的挠度计算结果见表３。本研究样车的弯曲刚度符合设计要求。
表３
ｚ方向上的挠度计算结果
ｍｍ
测点１２
３４５６变形量－０．０５４－０．００１－０．１０７－０．２１３－０．３７２－０．４７６测点７８９１０１１１２变形量
－０．５２１
－０．２７２
－０．２１３
－０．１０７
－０．００２
－０．１６
４
刚度试验
４．１
测试系统与试验方法
扭转刚度和弯曲刚度试验仪器主要包括：扭
转／弯曲刚度试验台、ＤＨ静态应变测试系统、位移传感器、千分表及表架、千斤顶、力传感器、变形测规、配制专用夹具、前轴固定支架、标准加载配重块。
扭转工况的约束及加载原理见图９，弯曲工况约
束及加载原理见图１０。
轿车白车身
Ｔ型试验支架
Ｍ
加力杆
Ｆ
释放Ｒｘ，其
他方向约束
图９扭转工况约束及加载原理图
・２７・
设计・研究
图１０
弯曲工况约束及加载原理图
４．２扭转刚度试验
扭转刚度试验测量点布置原则是：将测点选在
车架上能体现总体刚度的部位。本次试验将测点位置选在以下部位：门槛梁、纵梁、前后轴（悬置）支撑部件等位置。为了计算扭转刚度的前轴相对后轴的轴间扭角，前后轴（悬置）位置必须布点，选择门槛梁和纵梁，共四条线，按车身ｘ方向间隔３００～４００ｍｍ左右相对布置传感器。
标记左右每对传感器在车身ｙ方向的距离，以及每对传感器相对转动横梁在ｘ方向的距离（在转动横梁以前的记为负数）。利用白车身后纵梁悬置点附近两螺栓孔，通过连接件将其刚性固定在支架上，利用前纵梁悬置点附近两螺栓孔，通过连接件将其刚性固定在转动横梁上。将车身前后左右水平调正，中心线和扭转横梁的中心线调整到一致，布置所需传感器。测试步骤如下：
①以１００Ｎ・ｍ／ｓ的速度顺时针、逆时针各施加一次３０００Ｎ・ｍ预载荷；
②从１０００Ｎ
・ｍ逐级加载到１００００Ｎ・ｍ，每级１０００Ｎ・ｍ；左右加载各重复三次；
③检查所得到的数据，取两次数据较好者，进行线性处理并计算扭转刚度。
在５４００Ｎ・ｍ的扭转工况下，该模型的扭转刚度为１４４４８．７Ｎ・ｍ／ｄｅｇ，与计算的扭转刚度１４７１４．３Ｎ・ｍ／
ｄｅｇ很接近，误差为１．８％，考虑到试验的测量点与计算
的测点不能精确统一，可以认为计算是比较正确的。
４．３弯曲刚度试验
在每个座椅位置上施加１８０ｋｇ的垂直载荷，从
５０ｋｇ到１８０ｋｇ逐级加载，每级５０ｋｇ，重复３次。测量
门槛梁和纵梁处最大变形量，绘制变形曲线。
试验样车的弯曲刚度为１４０８９Ｎ／ｍｍ，高出理论计算的１３６４６．０３Ｎ／ｍｍ，理论与试验的误差为－３．２％，基本接近试验值，考虑到试验的测量点与计算的测点不能精确的统一，只能粗略地得到比较结果，因此可以认为计算是比较准确的。
５结论
试验结果与计算结果基本吻合，计算结果与试・２８・
汽车科技第３期２００８年５月
验结果偏差在３．３％以内，因此可以认为模拟计算的模型是准确的。将计算结果和同等车型的刚度值进行比较可以看出该车型静刚度合理。一般认为如果轿车白车身的扭转刚度值达到较好水平，可以认为该轿车的弯曲刚度也达到较好的水平。因此为了提
高车身的刚度，可以根据其扭转刚度特性进行优化设计。
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒ；ｂｏｄｙ－ｉｎ－ｗｈｉｔｅ；ＡＮＳＹＳｒｉｇｉｄｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓ
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