某汽车白车身有限元分析与校核

张晓晨，李迪

（1.255049 山东省 淄博市 山东理工大学 交通与车辆工程学院；2.山东金麒麟股份有限公司）

0 引言

有限元仿真分析技术是一种高效、先进的仿真模拟技术，可利用仿真模拟实际工况得出仿真结果，通过对标等手段解决复杂的工程问题[1]。本文运用HyperMesh 软件对某款汽车的白车身进行刚度和自由模态仿真，校核白车身的静态结构性能是否符合企业设计要求。

1 白车身有限元模型建立

在HyperMesh 中对白车身三维模型进行前处理工作。修缮白车身三维模型中的一些破面、错位与重叠等问题，对于小于4 mm 的倒角和凸台等特征进行简化处理。由于白车身含有大量的钣金件，因此本文选用壳单元网格进行离散化并划分尺寸为8 mm，企业的网格具体标准见表1。

表1 网格单元标准Tab.1 Grid cell standard

白车身的网格划分主要有3 种：一维单元主要模拟焊点与螺栓连接；二维单元主要是选择Quad4 和Tria3 单元，多用于白车身钣金件中面的网格划分；三维单元主要是选择四面体单元和六面体单元，多用于无法抽中面的实体部件。在HyperMesh 中选用rigid 类型的单元模拟焊点和螺栓，完成该款汽车白车身的装配工作，白车身有限元模型如图1 所示。

图1 白车身有限元模型Fig.1 Finite element model of body in white

2 白车身有限元仿真

2.1 刚度仿真

汽车在行驶过程中受到垂向载荷时，车身会产生弯曲变形，弯曲刚度是体现车身抵抗弯曲变形能力的重要指标[2]。白车身弯曲刚度值在数学表达式中采用载荷与监测点弯曲挠度值比值表示

在HyperMesh 中设置白车身弯曲刚度求解的有限元模型。在地板座椅安装的4 个位置按照每个1 000 N 加载，约束前减振位置Z 向自由度和后减震位置XYZ 三个方向自由度。在OptiStruct中提交运算得到弯曲刚度结果文件。弯曲刚度仿真变形云图如图2 所示。在HyperView 中提取门槛梁监测点的弯曲挠度值，最大为-0.35 mm，计算可得白车身弯曲刚度为11 429 N/mm。

图2 弯曲刚度变形云图Fig.2 Bending stiffness deformation cloud

汽车在行驶过程中，由于受力不均会导致车身扭转变形，从而产生相对扭转角，白车身扭转刚度是体现整车抵抗扭转变形的一个重要指标。扭转刚度数学计算表达式通常可简化为

按照真实工况在HyperMesh 中设置求解模型：前减振器塔位置施加2 000 N·m 的扭矩，前部和后悬减震位置分别约束Z 向和XYZ 向自由度。通过仿真得到扭转工况变形云图如图3 所示。前减振器塔处的位移量分别是-1.42，1.38 mm，可求得白车身扭转刚度为12 500 N·m/rad。

图3 扭转刚度变形云图Fig.3 Torsional stiffness deformation cloud

2.2 模态仿真

当汽车的固有频率与外界的激励频率相近时会造成汽车共振现象[3]。在汽车设计阶段就需要考虑汽车的振动频率和振型等，以便避开外界激励频率并进行相应的优化。模态仿真理论基础

为了避免发生共振现象，保证汽车的NVH性能，需要对设计初始阶段的白车身进行模态仿真。通过仿真得到前12 阶模态频率与振型，去除结构刚体模态后剩余的模态仿真结果如图4—图9 所示。

图4 1 阶模态频率与振型Fig.4 First-order modal frequency and mode shape

图5 2 阶模态频率与振型Fig.5 Second-order mode frequency and mode shape

图6 3 阶模态频率与振型Fig.6 Third-order mode frequency and mode shape

图7 4 阶模态频率与振型Fig.7 Fourth-order mode frequency and mode shape

图8 5 阶模态频率与振型Fig.8 Fifth-order modal frequency and mode shape

图9 6 阶模态频率与振型Fig.9 Sixth-order modal frequency and mode shape

3 白车身性能校核

3.1 白车身刚度校核

按企业要求，白车身刚度值及开口变形量必须满足设定的刚度标准，否则需要对设计初始阶段的车型进行重新设计。企业刚度标准见表2。仿真结果与企业刚度标准对比可知白车身刚度性能符合刚度标准。

表2 车身刚度对比表Tab.2 Body stiffness simulation results

白车身受到载荷时极易导致车身上的开口处变形，白车身开口处变形量是体现整车刚度的指标之一[4]。选取该款汽车白车身上的车门及风窗等6 个开口处的12 个对角线进行刚度工况变形量的校核。由表3 可知，弯曲和扭转工况开口处对角线变形低于目标值，满足企业设计要求，验证了该款汽车车身刚度良好。

表3 刚度工况开口处变形量对比Tab.3 Comparison of deformation at opening under stiffness condition

3.2 白车身模态校核

按企业要求校核设计初始阶段的白车身模态是否符合设计要求。根据仿真结果，前6 阶模态振型和频率见表4。

表4 各阶模态振型与频率Tab.4 Mode shapes and frequencies of each order

汽车受到路面和发动机的激励频率在20 Hz以下，由表4 可知，白车身6 个模态频率大致在22～50 Hz，汽车在行驶中能够避免共振现象。扭转振型频率与相近的弯曲振型的频率差较大，可避免弯曲与扭转振型耦合，白车身模态仿真结果良好。

4 结语

本文根据汽车三维数据建立了有限元模型，并对白车身进行了静态刚度和自由模态仿真。仿真结果表明，白车身刚度值及变形均满足企业刚度标准，白车身模态频率与振型分布合理，该款汽车的白车身性能满足设计要求。通过仿真分析形成了一套科学严谨的车身校核理念和方法，对其他类型的汽车研发同样具有重要参考价值。