车身主断面几何特性对白车身刚度影响的研究

1 前言

作为白车身骨架的地板纵梁，侧围前、中、后柱，上边梁，门槛梁和顶盖前后横梁等构成一个个闭合型腔，支撑起整个车身。白车身刚度是评价车辆设计可靠性和整车安全性能的重要指标，白车身扭转刚度和弯曲刚度分析是整车开发设计过程中必不可少的环节。白车身刚度主要由这些闭合型腔的断面即车身结构主断面的几何特性所决定。因此，研究车身结构主断面几何特性对白车身刚度的影响，

对于改进车身结构，改善车辆强度刚度状况，提高车辆安全性和可靠性具有重要的实际工程意义。

2 白车身有限元模型

轿车白车身刚度分析有限元模型一般有两种：即板壳单元模型和组合单元模型。本文采用了板壳单元模型，其优点是对车身的结构分析计算精确度高。

利用某参考样车白车身的几何模型，建立了白车身有限元模型。根据白车身的结构形式，对模型进行了以下处理。

a.几何清理清除白车身几何模型中的细微特征，例如半径小于15mm的过渡圆角、高度小于2mm的凸台、直径小于10mm的孔等；

b.单元质量控制高质量的网格是计算准确的基础，在建模过程中，对单元的尺寸、翘曲、长宽比、偏斜、单元最小内角和最大内角、雅克比等参数进行严格控制；

c.三角形单元百分比控制三角形单元数量的百分比会直接影响计算结果的准确性，一般三角形单元控制在10%以内不会影响计算准确性，在建模过程中，需要严格控制白车身模型中三角形单元的比例，本文白车身模型中的三角形单元比例为7.2%；

d.焊点模拟采用REB2方式建模时，严格控制REB2单元和网格垂直，进一步保证模型计算准确性。

整个白车身单元总数为186981个，节点总数为192208个，焊点总数为4070个。

白车身扭转刚度台架试验方法：将白车身放置在试验台架上，约束后悬架支撑固定点处的所有自由度，通过加力装置在前悬架支撑点处施加扭矩。

白车身弯曲刚度台架试验方法：将白车身放置在试验台架上，约束前、后悬架支撑固定点处的所有自由度，在车身纵向对称面、前后坐椅R点x坐标的中点处施加作用力。

白车身刚度计算有限元模型、边界约束和载荷施加方法与台架试验约束及加载保持一致。

计算扭转刚度时，采用以下约束和加载：

a.约束在车身后悬架安装点处约束6个方向的自由度，在前悬架的左右支承连线中点处约束除X向转动之外的所有其他自由度；

b.载荷载荷为3000N·m扭矩，作用位置为前悬架安装支座。

计算弯曲刚度时，采用以下约束和加载：

a.约束在车身前、后悬架安装点处约束6个方向的自由度，在载荷施加处约束除Z向之外的所有其他5个方向的自由度；

b.载荷载荷为5000N；在整车坐标系xyz中，载荷作用位置的x坐标为前座椅H点x坐标和后座椅H点x坐标的中点；y坐标为0；z坐标与门槛梁上平面相同。

白车身扭转变形和弯曲变形进一步计算得到参考样车的扭转刚度为18237N·m/（°），弯曲刚度为7227N/mm。

3 灵度分析

白车身主断面数量较多，不同位置的主断面对白车身刚度影响的程度不同。为了更有针对性地研究主断面几何特性与白车身刚度的定量化关系，需要找出对白车身刚度影响较为显著的主断面，排除对白车身刚度影响不明显的断面，因此必须进行主断面对刚度影响的灵敏度分析。

国内外研究资料表明，以往对主断面敏感度的分析主要是把承载梁结构用空间薄壁梁单元简化，通过建立车身结构的简化有限元模型进行分析。

由于梁单元都是规则几何体，其几何特性可参数化，所以可以方便地以梁单元几何特性为变量对模型进行修改，研究断面几何特性对白车身刚度影响的程度。但这种模型与用板壳单元组成的有限元模型相比，失真的程度很大。考虑到每个主断面都由几个相关的车身零件构成，相关零件的修改对白车身刚度的影响同时也反映了该位置主断面对白车身刚度的影响。因此，通过考察构成主断面的部分零件厚度的改变对白车身刚度的敏感程度，可代替直接研究断面几何特性的敏感度。这样，就可以利用板壳单元有限元模型进行主断面灵敏度分析。

选取车身不同位置的14个主断面，即A柱断面S1、B柱上部断面S2、B柱下部断面S3、C柱断面S4、后风窗立柱断面S5、前门铰链立柱断面S6、侧围上边梁断面S7、门槛断面S8、前纵梁断面S9、后纵梁断面S10、前围中横梁断面S11、顶盖前横梁断面S12、顶盖后横梁断面S13以及后风窗下横梁断面S14。

分别使S1～S8 内板以及S9～S14板件的厚度在0.4～4.0mm范围内变化，以白车身弯曲挠度和扭转角度为目标函数，弯曲工况的控制是使门槛底部位移保持在1mm以内。扭转角度转换为前悬位移参数，扭转工况的控制是使左前悬支座中心垂直位移在2.5mm以内。分析求得的各主断面相关板件厚度对白车身扭转刚度和弯曲刚度影响的敏感程度。

由分析结果可知，前围中横梁、门槛内板、上边梁内板厚度和B 柱内板厚度对扭转刚度的影响显著，主断面S3、S7、S8、S11对扭转刚度的影响比较敏感，其中，主断面S11对扭转刚度的影响最显著，即灵敏度最高。门槛内板、顶盖后横梁、顶盖前横梁、后风窗下横梁对弯曲刚度的影响显著，主断面S8、S12、S13、S14对弯曲刚度的影响较为敏感，其中主断面S8对弯曲刚度影响最显著，即灵敏度最高。

4 主断面几何特性和车身刚度的关系

车身主断面的几何性质包括截面形状和大小，与之相关的物理量是截面面积S和截面主惯性矩Ixx、Iyy。截面面积和截面主惯性矩是计算截面刚度的主要参数，是影响白车身刚度特性的重要因素。进一步分析对白车身刚度影响显著的几何特性和白车身刚度的关系，对于改进车身结构、改善车身刚度特性具有重要意义。

4.1扭转刚度分析

由主断面灵敏度分析可知，主断面S3、S7、S8、S11对扭转刚度的影响灵敏度较高。改变原车S3、S7、S8、S11主断面的几何形状，获得具有不同几何特性的主断面，分别计算不同几何形状时的车身扭转刚度，可求得断面几何特性和扭转刚度的关系。这里仅给出S8主断面几何特性表及其几何特性与扭转刚度的关系曲线。

由以上分析可知，白车身扭转刚度的变化趋势是： 随S3S7断面S和Ixx、Iyy的增加单调递增；随S8断面S和Iyy的增加而略微有所减小，随Ixx增大其值有所波动，总体有增大趋势；随S11断面Ixx的增加而略微有所减小，随S和Iyy的变化扭转刚度值有所波动，总体有增大趋势；随各断面几何特性的变化，其变化呈现一定的非线性特性，且在特定范围内变化显著。

4.2 弯曲度分析

由主断面灵敏度分析可知，主断面S8、S12、S13、S14对白车身弯曲刚度的影响灵敏度较高。改变原车S8、S12、S13、S14主断面的几何形状，可获得具有不同几何特性的主断面，分别计算不同几何形状时的车身弯曲刚度，可求得断面几何特性和弯曲刚度的关系。这里仅给出S8主断面几何特性和弯曲刚度的关系。

由以上分析可知，白车身弯曲刚度的变化趋势是：随S8断面Ixx的增加而单调递增，随S和Iyy变化其值有所波动，总体有增大趋势；随S12、S13断面S和Ixx、Iyy的增加而单调递增；随S14断面S和Ixx、Iyy的增加而略微有所减小；随各断面几何特性的变化，其变化呈现一定的非线性特性，且在特定范围内变化显著。

5 结束语

a.随断面几何特性的变化，白车身刚度值变化呈现较强的非线性特性，且在特定区间变化显著。因此，在修改断面几何特性时，应该尽量使断面几何特性位于这些特定的区间上限处。

b.通常认为主断面的截面面积或主惯性矩越大对白车身刚度越有利，但分析数据表明，刚度值可能随断面几何特性的变化反向变化，即刚度与断面主惯性矩或面积可能成反比，例如前围中横梁断面对白车身扭转刚度的影响和后风窗下横梁断面对白车身弯曲刚度的影响。因此，主断面主惯性矩或面积的增大是否有利于白车身刚度，要视该断面的具体位置而定。