白车身扭转刚度仿真分析及轻量化-赵世宇（修改）.docVIP

白车身扭转刚度仿真分析及轻量化 赵世宇 (江淮汽车集团股份有限公司) 1 前言 白车身刚度是指车辆在使用过程中受到不至于损坏车身的一般外力时车身抵抗变形的能力，现代乘用车车身大都采用承载式车身设计，车身几乎承受了车辆使用过程中的所有载荷，包括扭转、弯曲、模态以及碰撞等，因此为了保证车辆的使用需求，白车身的整体刚度始终是重点关注的性能之一。 白车身扭转刚度是扭矩对白车身单位长度扭转角之比，即在白车身单位长度内产生单位扭转角所需施加的扭矩。白车身的扭转刚度既是NVH性能的关键指标之一，也是保证整车操控性能的指标之一，本文对某乘用车白车身进行刚度有限元分析，了解设计车白车身扭转变形情况，并评价其轻量化水平。 2 白车身扭转刚度有限元模型建立 本文对乘用车白车身进行有限元网格划分，在HYPERMESH中采用4节点或3节点壳单元Shell63对白车身钣金件进行有限元网格划分，将车身结构离散成808085个单元，811292个节点。钣金件采用SHELL单元离散，缝焊采用RBE2单元模拟，如图1所示。 图1 白车身扭转刚度有限元模型 边界条件：分别约束白车身左右后悬置安装点处X、Y、Z向平动自由度，在白车身左右前悬置安装点处施加大小相等、方向相反的两个集中力，分别形成绕轴2000N?m的扭矩，并约束Z方向平动自由度，左右前悬置安装点间距离为1179mm。 是否有限元模型处理 是 否 有限元模型处理 载荷集创建 Force创建 创建载荷步 控制卡片创建 SPC创建 计算结果是否满意 扭转工况边界条件编辑 后处理 MPC创建 开始 结束 提交计算 图2 白车身扭转刚度分析流程 如图2所示，设计完边界条件后添加控制卡片，再利用OptiStruct求解器进行白车身扭转刚度有限元模型计算，即可得到在该工况下白车身结构的变形分布。 3 白车身扭转刚度分析 白车身扭转刚度仿真分析工况为线弹性分析。白车身的扭转刚度计算公式： （1） 其中，为扭转刚度，为扭矩，为转动角度。 对于扭矩，在理论上应该是定值2000N?m，实际可能存在细微偏差。 （2） 其中，为施加在塔包安装点上的Z向集中力，为塔包安装点之间的初始y向距离。 对于转动角度，有 （3） 其中，和分别为前悬角度和后悬角度，和分别为前测量点之间和后测量点之间的初始y向距离，、、、分别为前测量点1、2以及后测量点1、2的z向位移，前测量点的位置在x坐标与塔包安装点相同的前纵梁中间位置，而后测量点的位置在x坐标与后弹簧座安装点相差100mm的后纵梁中间位置（在后弹簧座安装点前面），如图3所示。 图3 白车身扭转刚度测量点 最后，通过在后处理中统计出4个测量点的位移值、前测量点间的距离、后测量点间的y向距离及塔包安装点间的y向距离，将测量数据代入公式（1）~（3），即得到白车身扭转刚度，如表1所示。 表1 测量结果 加载力 F 1695.7000 N 前悬中心距离 L0 1.1795 m 左前悬对应梁测点Z向位移 d1 1.0270 mm 右前悬对应梁测点Z向位移 d2 -1.0450 mm 左右前悬对应梁测点距离 L1 956.1150 mm 左后悬对应梁测点Z向位移 d3 0.0380 mm 右后悬对应梁测点Z向位移 d4 -0.0470 mm 左右后悬对应梁测点距离 L2 984.2630 mm 加载扭矩 M 2000.0782 N·m 前悬角度 θ1 0.1243 ° 后悬角度 θ2 0.0050 ° 转动角度 θ 0.1193 ° 扭转刚度 K 16768.1868 N·m/° 4 白车身轻量化水平 车身扭转刚度与评估车身轻量化水平的车身“轻量化系数 L”密切相关，其公式为： （4） 其中，为白车身重量，为白车身扭转刚度，为平均轮距×轴距。 在白车身重量不变的情况下，扭转刚度越大，车身轻量化系数L越低，表示白车身轻量化水平越高，这也是汽车行业被普遍接受的汽车车身轻量化技术水平评价指标。 同时，车身面密度ρ及整车轻量化系数LV也是车身轻量化水平的评价指标，车身面密度的公式为： （5） 其中，M为白车身重量，L为整车长度，W为整车宽度。 整车轻量化系数的公式为： （6） 其中，M为汽车整备质量，V为名义体积，P为发动机最大功率，Q为百公里综合燃油消耗值，A为平均轮距×轴距。 如图4所示，该车型代表了江淮某乘用车的轻量化水平。 图4 本车型轻量化指标 本车型采用结构-性能-轻量化一体化设计方法，精准设定车身指标，注重概念结构性能成本一体化设计，将传统车身设计性能重量达标大大提前，其轻量化系数为3.22、轻量面密度为46.89、整车轻量化系数为2831.8，在行业内处于有利竞争地位。 5 结