某SUV白车身静态扭转刚度分析

蒋兵，夏琼，王克飞，罗明军

(1.奇瑞商用车(安徽)有限公司工程研究院，安徽芜湖 241006；2.奇瑞汽车股份有限公司汽车工程院，安徽芜湖 241006)

0 引言

车身静态扭转刚度是衡量车身结构静态特性的重要参数，在整车NVH(Noise Vibration Harshness)开发中，常将车身扭转刚度作为目标来导向车身结构的NVH开发[1]。目前汽车多采用承载式车身，它直接承受路面冲击载荷及支撑车身负载，扭转刚度能否满足要求至关重要[2]。

车身扭转刚度的计算，前人做了比较多的研究，孙卓等人[3]开发出一种车身刚度测量系统，填补了全自动车身静态刚度测试的空白；高云凯等[4]通过有限元分析和试验相结合的方法，验证了某车身扭转刚度；郑孟等人[5]根据车身件料厚灵敏度分析结果，提出了相应的优化策略，对车身扭转刚度进行了优化；梅玉林等[6]采用经典的静刚度试验方法对某SUV车身静刚度进行了测试，根据测试结果将车身刚度等效为变截面梁的刚度。可以看出，车身扭转刚度的研究方法多采用有限元分析和试验相结合的方法。

作者采用上述方法，首先提出了基于扭转角插值的车身扭转刚度计算方法；然后以某白车身为研究对象，运用有限元方法计算了车身扭转变形曲线，并采用扭转角插值计算方法得到车身扭转刚度；最后通过试验进行了验证。采用文中扭转刚度计算方法，可以获得更为符合工程实际的车身扭转刚度。

1 车身扭转刚度计算方法

1.1 整体扭转刚度计算方法

车身整体扭转刚度需要消除约束点处局部刚度对整体刚度的影响，在计算时需要对扭转角进行插值处理。单侧整体刚度计算公式为

(1)

为消除左右对称差异，以两侧整体刚度的平均值作为车身整体刚度值，即

(2)

式中：KTG为最终车身整体扭转刚度；KL、KR分别为左右两侧采用插值方法计算出的整体扭转刚度。

1.2 扭转角计算方法

取值点扭转角可采用位移间接计算法获取，是通过取值点的Z向变形位移与Y向坐标来计算的，即

φXL=arctan|LX/YX|

(3)

φXR=arctan|RX/YX|

(4)

式中：φXL、φXR分别为左右取值点扭转角；LX、RX分别为左、右取值点的Z向变形；YX为取值点Y向坐标。

获取取值点扭转角后，需要通过插值得到约束点和加载点的扭转角。加载点和约束点扭转角插值公式为

(5)

(6)

式中：φFS-1、φRS-1分别为前加载点、后约束点纵向坐标前一取值点未调整扭转角；φFS+1、φRS+1分别为前加载点、后约束点纵向坐标后一取值点未调整扭转角；XFS-1、XRS-1、XFS+1、XRS+1分别为获得φFS-1、φRS-1、φFS+1、φRS+1取值点的纵向坐标。

2 车身有限元模型的建立

2.1 网格划分及模型连接

将白车身几何模型导入HyperMesh通用前处理软件，对导入的几何模型进行清理，并对螺栓孔进行washer处理，以保证模型计算的可靠性。通常对薄壁钣金件进行抽取中面处理，网格采用8 mm×8 mm单元划分，将关键连接件尺寸进行细化，网格划分需满足：(1)有限元模型要尽可能与几何模型相似，以保证有限元分析的可靠性；(2)避免单排网格及单边连接网格，增强模型计算的可行性；(3)网格划分中单元的雅克比、翘曲度、最小边及最大、最小角度应满足网格质量要求[7]。

网格划分完成以后，采用相应的单元模拟白车身的连接。点焊采用acm模拟，缝焊采用RBE2模拟，粘胶采用adhesives模拟，螺栓采用BAR2模拟。最终白车身离散为985 191个节点，969 103个单元，其中点焊单元3 981个，粘胶单元42个。

2.2 材料参数设置

材料参数对有限元分析结果有重要影响。根据材料性能试验获取的材料参数，建立了仿真材料数据库，将相应的材料参数赋予对应的零部件。某材料塑性阶段的应力应变曲线如图1所示。

图1 某材料应力应变曲线

2.3 边界条件

约束方法：约束白车身前保险杠中间点Z向平动自由度及后左右弹簧座X、Y、Z3个方向的平动自由度。

加载方法：在白车身前左右减震器座上施加一大小为2 000 N·m的力矩，力的方向沿正、负Z向。白车身扭转刚度分析边界条件如图2所示。

3 车身扭转刚度仿真分析结果

将有限元模型提交计算，从左右纵梁处各取332个测量点，得出各测量点Z向位移随X向坐标值变化的曲线，如图3所示。

图3 纵梁测量点Z向位移随X向坐标值变化曲线

由图3可知:左右纵梁Z向位移均在车身前端最大，在后弹簧座处最小，且从车身前端至后弹簧座，左右纵梁Z向位移均减小；从后弹簧座到车身后端，左右纵梁Z向位移均增大，符合理论变形曲线[8]。另外，在前减振器及后弹簧座处位移变化幅度有微小突变，这与车身结构及约束、加载有关。

根据各测量点Z向位移，通过文中式(3)—式(4)扭转角计算方法，得到左右纵梁扭转变形曲线，如图4所示。可知:左右纵梁扭转角基本相同，均在车身前端最大，在后弹簧座处最小，扭转角变化趋势与Z向位移变化趋势基本一致;从车身前端至后弹簧座，扭转角均减小；从后弹簧座到车身后端，扭转角均增大；在后弹簧座处扭转角有微小突变，原因同前。

取左右纵梁上距加载点或约束点前后X坐标值各100 mm的测量点进行线性插值，可以得到加载点和约束点的扭转角。

利用MATLAB软件，对式(1)—式(6)计算公式进行编程，求解出车身整体扭转刚度，如表1所示。

图4 扭转变形曲线

φFS-1φFS+1φ'FSφRS-1φRS+1φ'RS左纵梁0.145 6°0.143 5°0.144 5°0.011 4°0.014 2°0.012 8°右纵梁0.142 7°0.141 7°0.141 9°0.010 9°0.013 4°0.012 1°刚度KL=15 190.79 [N·m/(°)]KR=15 408.29 [N·m/(°)]KTG=15 299.54 [N·m/(°)]

由表1可知，左右前加载点插值扭转角分别为0.011 4°和0.010 9°，左右后约束点插值扭转角分别为0.012 8°和0.012 1°。计算得到的左右两侧插值车身扭转刚度及整体扭转刚度分别为15 190.79、15 408.29、15 299.54 N·m/(°)。

4 试验验证

车身扭转刚度试验设备及仪器包括约束装置、加载装置和测量系统。其中：约束装置由扭转刚度试验台、活动铰链和固定铰链等组成;加载装置由两个液压加载装置等组成;测量系统由位移传感器、位移显示仪和百分表等组成。

试验时将白车身固定在试验台上，前保险杠中间点采用活动铰链支撑，后左、后右弹簧座采用固定铰链支撑。采用两个液压加载装置对前左、前右减震器座加载，因两加载点距离为1.21 m，所以试验载荷为P1=-P2=1 653 N(即力矩为2 000 N·m),载荷施加方式采用逐步加载。试验测量点的选取应能充分反映车身扭转特性。试验中选取车身前后部、纵梁处、保险杠处及减振器座共32个位移测量点，利用百分表测量及通过位移显示仪读取测量点的垂向位移。扭转刚度试验如图5所示。

图5 车身扭转刚度试验

采用上述试验方法进行车身扭转刚度试验，车身扭转刚度有限元计算结果与试验结果对比如表2所示。可知：左右两侧车身扭转刚度及整体扭转刚度有限元计算结果与试验结果误差分别为4.52%、4.08%和4.30%，在合理范围内。误差主要是由测量点偏差、有限元模型与实际模型偏差造成的。

表2 车身扭转刚度有限元分析与试验结果对比

5 结论

以某汽车白车身为研究对象，通过有限元分析和试验相结合的方法，研究了车身静态扭转刚度，获得如下结论：

(1)左右纵梁垂向位移和扭转角基本相同，均在车身前端最大，在后弹簧座处最小，变化趋势从车身前端至后弹簧座逐渐减小、从后弹簧座到车身后端逐渐增大；

(2)车身扭转刚度有限元分析和试验结果分别为15 299.54和15 986.98 N·m/(°)，误差为4.30%，误差在小于10%的合理范围内，有限元分析结果和试验结果基本一致；

(3)增加白车身的扭转刚度，有利于提升整车的可靠性，但需权衡白车身的轻量化与可靠性的性价比。

参考文献:

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ZHAO C H,YU H D,GUO Y J.Research on the Key Structures Affecting Torsional Rigidity of Sedan White Body[J].Journal of Machine Design,2007,24(8):66-68.

[3]孙卓,颜德田,韦红雨,等.汽车车身静态刚度测量[J].计算机测量与控制,2006(6):724-726.

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