某轿车白车身刚度分析与结构优化

袁夏丽，刘俊红，刘丹，左乐

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心性能集成开发部，安徽 合肥 230009）

引言

汽现代轿车通常采用承载式车身，在汽车行驶过程中，车身要承受各种弯扭载荷，白车身静刚度特性直接影响整车的品质[1]。因此，白车身刚度分析是非常重要的，必须确保车身结构具有足够的弯曲刚度和扭转刚度来抵抗形各种载荷产生的变形，以避免行驶过程中因刚度不足导致的车身变形过大、玻璃挤碎和车门卡死等严重后果。

本文以某轿车白车身为研究对象，采用有限元法分析其弯曲和扭转的静刚度特性，发现车身的扭转刚度不满足目标值，在此基础上采用了增加结构胶的优化方案，并对优化方案进行了校核计算，结果表明扭转刚度性能提升明显并满足目标要求，为车身结构设计改进提供了理论依据。

1 刚度分析理论

刚度是结构抵抗变形的能力，车身刚度主要考察车弯曲刚度和扭转刚度两个指标，必须保证在车辆行驶过程车身产生的变形不会影响整车的正常使用[2]。

1.1 弯曲刚度

白车身弯曲刚度可以用垂直载荷作用下车身结构的绕度来描述，计算公式为：

式中：F为施加的垂直载荷；Zmax为门槛梁的最大弯曲绕度；EI为白车身弯曲刚度值。

1.2 扭转刚度

白车身扭转刚度可以用单位扭转角度所受的力矩来描述，计算公式为：

式中：T为扭矩；L为加载点距离；θ为相对扭转角。

2 刚度的有限元分析

2.1 有限元模型的建立[3]

白车身主要是由各种钣金件拼焊而成。首先对白车身CAD模型进行简化处理，然后利用HyperMesh软件对简化后的模型进行网格划分，采用acm单元模拟点焊，采用rigids单元模拟弧焊及螺栓连接，最后该白车身有限元模型如图 1所示。

图1 白车身有限元模型

2.2 弯曲刚度分析

弯曲刚度分析边界条件：前减震器塔中心点处约束Z向平动自由度，后悬弹簧座安装点处约束 X、Y、Z向平动自由度；在各座椅R点位置施加1666N的垂向载荷，如图2所示。

提取左、右门槛梁测点Z向最大位移的平均值计算弯曲刚度，经计算门槛量Z向最大位移平均值Zmax为0.385mm，则弯曲刚度为：

2.3 扭转刚度分析

图3 白车身扭转刚度分析边界条件

扭转刚度分析边界条件：前减震器塔中心点处建立约束Z向平动自由度MPC单元，并施加大小相等、方向相反的Z向集中力，形成绕X轴旋转的2000Nm的扭矩，后悬弹簧座安装点处约束X、Y、Z向平动自由度，如图3所示。

采用左、右前减震器塔中心点相对扭转角来评价白车身扭转刚度，经计算相对扭转角度为0.152°，则扭转刚度为：

3 刚度优化分析

本文研究对象的扭转刚度的目标值是 13500Nm/°，当前扭转刚度未达标，因此需要进一步优化车身结构提升扭转刚度值。本文采用在关键位置增加结构胶的优化方案[4]，这种结构胶的密度为1.2e-9t/mm3，弹性模量为1900MPa，泊松比为0.4，其布置方案如图4中所示的蓝色区域。最后对优化方案进行刚度校核，优化前后结果对比如表1所示，优化方案满足目标要求。

图4 结构胶布置示意图

表1 优化前后刚度结果对比

4 结论

本文采用有限元法对在研白车身进行弯曲刚度和扭转刚度分析，分析结果表明扭转刚度未达标，通过增加结构胶有效的提高了车身刚度性能并使扭转刚度达标，为车身结构设计改进提供了理论依据。