轿车白车身静刚度分析

1、第31卷第6期2008年6月合肥工业大学学报(自然科学版)JOURNALOFHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.31No.6Jun.2008轿车白车身静刚度分析段伟,石琴,张雷,刘钊2(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;2.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心,安徽合肥230020)摘要:文章在Unigraphics软件中建立了白车身的几何三维模型,用自行编制的接口程序生成命令流文件,将模型导入到ANSYS环境中,建立白车身有限元模型,探讨了大型复杂结构的有限元建模效率及其相关问题;用有限元理论分析了静态工况下承载式轿车白车身的刚度特性,通过对其刚

2、度的分析,研究了车身结构不同部位的受力特性;进行了轿车白车身刚度试验,验证了理论建模分析的合理性和可靠性。关键词:轿车;白车身;刚度分析;有限元中图分类号:U270.2文献标识码:A文章编号:1003-5060(2008)06-0843-05Analysisofrigidityofthebody-in-whiteofacarDUANWei1,SHIQin1,ZHANGLei2,LIUZhao1(1.SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.Technolog

3、yCenter,JianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,Hefei230020,China)Abstract:The3Dgeometricmodelofthebody-in-whiteofacariscreatedbyusingtheUnigraphicssoftwareandthenintroducedtotheANSYSsoftwarethroughtheprogramsdesigned.Thefiniteele-mentmodelofthecarisestablishedintheANSYSsoftware.Themodelingefficiencyofthecompli

4、cat-edstructureandothercorrelatedissuesareresearched.Therigiditycharacteristicsofthebody-in-whiteofaunitizedcarunderthestaticloadingconditionisanalyzedwiththefiniteelementmethod.Accordingtotheanalysis,theloadingcharacteristicsatdifferentpartsofthestructureareinvestiga-ted.Therigiditytestofthiscarisc

5、onducted,andtheresultsverifytherationalityandreliabilityofthefiniteelementmodelofthecar.Keywords:car;body-in-white;rigidityanalysis;finiteelement用有限元方法分析了半承载式客车车身在不同工况下的强度和刚度20引言现代轿车车身几乎承担了所有的扭转和弯曲载荷,其结构刚度特性具有举足轻重的作用,车身刚度分布设计的是否合理会直接或间接地影响整车性能。轿车车身的轻量化是提高轿车动力性、经济性及降低制造成本的关键,合理的车身结构设计可以在满足车身结构强度及刚度的前

6、提下实现车身轻量化1;文献3提出了通过对客车车身骨架结构进行局部改进来提高整体结构强度的方法,并验证了改进后结构的合理性和可靠性3。在轿车车身方面,对车身的结构刚度特性本文用有限元理论分析了静态工况下承载式的研究也在不断发展之中。轿车白车身的刚度特性,通过对其刚度的分析,探讨了车身结构不同部位的受力特性;进行了轿车白车身刚度试验,验证了理论建模分析的合理性和可靠性。目前,国外在这一领域的研究已比较成熟,国内也取得了一些研究成果,文献2研究了客车车身骨架的有限元建模方法,并采收稿日期:2007-09-07;修改日期:2007-10-25基金项目:安徽省“十五”计划专项资助项目(01102009)

7、作者简介:段伟(1983-),男,安徽淮北人,合肥工业大学硕士生;石琴(1963-),女,安徽蚌埠人,合肥工业大学教授,硕士生导师.844合肥工业大学学报(自然科学版)第31卷1白车身静刚度特性白车身的静刚度一般包括弯曲刚度和扭转刚度。白车身的弯曲刚度可由车身的最大垂直挠度来衡量;白车身扭转刚度由车身轴间相对扭转角来衡量。1.1扭转刚度当车身上作用有反对称垂直载荷时,结构处于扭转工况,将使车身产生扭转变形,结构的变形程度与结构上所受到的力及结构的扭转刚度有关。车身结构的扭转刚度GJ为单位扭转角所受到的力,即GJ=(1)化,简化的原则是:在保证充分反映实际结构力学性能的前提下,省略非承载件;构件

8、表面光顺化;简化翻边。轿车车身包括车身地板总成、前围总成、后围总成、侧围总成、顶盖总成、车门总成、发动机舱总成、发动机罩总成、翼子板总成及仪表台骨架总成共11个总成,近230个零部件。在建立有限元模型时,考虑到焊点处理和以后修改的方便,对不同的总成和焊点建立不同的组件,当某处需要修改时,只需要对相应的组件进行修改。对每个CAD模型按照绝对坐标进行有限元网格划分,进行统一的网格质量检查。划分好后,将各个总成按照绝对坐标装配在一起,在焊点位置处进行焊接处理,最后组成白车身有限元模型。2.2单元的选取及其特性本文选用ANSYS提供的三维板单元Shell63。Shell63既具有弯曲能力又具有膜力,可

9、(2)以承受平面内载荷和法向载荷。每个单元节点具有6个自由度,即:沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和绕节点坐标系X、Y、Z轴的转动。应力刚化和大变形能力已经考虑在其中。在大变形分析(有限转动)中可以采用不变的切向刚度矩阵2.3模型规模的控制5其中,L为轴距;T为扭矩;为轴间相对扭转角。一般白车身扭转刚度(GJ)B和成品车的扭转刚度(GJ)P的关系为P=1.22.0(GJ)B1.2弯曲刚度当车身上作用有对称垂直载荷时,结构处于弯曲工况,其弯曲刚度由车身底架的最大垂直挠度来评价。此时的弯曲刚度EI为EI=zmax4。F(3)轿车车身结构有限元模型单元数量的控制,主要影响前处理工作量和计算时间。单元

10、的类型确定以后,要确定单元的基本大小,进行单元的划分。划分单元时,由于所用软件对节点和单元规模的限制及实际的计算机资源的限制,单元的基本大小要有一定的限度。本文将车身结构单元的基本尺寸定为25mm,对于比较平整的部位单元尺寸适当地加大为35mm。本文采取手动控制的划分方法,即控制单元长度,进行整体划分,对局部单元进行细分,使其满足网格质量要求。单元网格划分标准,参照相关研究和经验,选取的标准见表1所列。其中,F为作用在车身上的垂直载荷;zmax为车身底架的最大垂直挠度。B和成品车弯一般白车身弯曲车身刚度(EI)曲刚度(EI)P的关系为(EI)B=1.31.7(EI)P(4)2车身结构有限元模型

11、的建立2.1车身结构划分及有限元模型建立建立模型过程中,通常都要对结构进行简表1单元网格划分标准单元细长比<10.0单元翘曲角/(°)<7四边单元最小内角/(°)>30四边单元最大内角/(°)<145三角单元最小内角/(°)>20三角单元最大内角/(°)<120雅可比>0.6单元歪斜角/(°)<60焊点模拟的方法有很多种6-8,如梁单元、刚nent中,这为后期处理带来了方便。在修改模型或焊点处理方式时,只需要进行相关的compo-nent的修改,而不需要调出整个模型,处理方便性杆单元及节

12、点耦合单元等。本文采用ANSYS提供的Rigid来模拟焊点连接,在划分网格和建-第6期段伟,等:轿车白车身静刚度分析矩下该车的转角和扭转刚度见表2所列。表2各载荷工况下轴间扭转角和抗扭刚度转矩/(N·m)转角/()15006.125300012.14914696540022.04814695845建立的有限元模型如图1所示,有限元模型具有194000个单元,196000个节点,6100个连接点。783531.99014695扭转刚度/(N·m/(°)14694扭转变形曲线的测量点分布于白车身前后纵梁下部、门坎梁下部、前围下部,间距为300mm。图1轿车白车身有限元

13、模型测量位置及点分布如图3所示。在轿车白车身上从前往后取若干组左右对称的点,分别求出扭转角,求得的各对称点的扭转角的平均值见表3所列。轿车白车身关键部位的扭转角沿纵坐标的变化情况如图4所示。3白车身刚度计算3.1扭转刚度有限元模型建立之后,计算车身的扭转刚度的关键问题是边界条件的处理。本文通过在车身的前、后悬架安装处利用MPC184单元建立塔形支撑,约束后塔形塔尖处的6个自由度及前塔形两塔尖中点处的6个自由度,在前塔形两塔尖处施加大小相等方向相反的竖直方向的集中力。白车身的扭转变形如图2所示。图2白车身扭转变形图最大扭转载荷M为M=0.5×前轴最大负荷×轮距(5)采取逐步加

14、载的方式进行加载,得到相应转表3轿车白车身扭转刚度扭转角测量点扭转角/()122.5221315411.558.767.876.586.294.4102.511-0.512-0.853.3弯曲刚度本文采取在有效尺寸上施加均布载荷的方式进行加载,即在乘客仓内加均布载荷。弯曲载荷根据(6)式计算。F1.8×车身结构的弯曲刚度可以通过以下部位的变形情况进行评价,即:(1)底板在车身长度方向上的垂直挠度变化曲线;(2)846合肥工业大学学报(自然科学版)第31卷(3)前围板的最大垂直变形。由仿真分析可知,弯曲工况下门槛最大垂直变形为-0.53mm,该车门坎处的弯曲变形如图5所示。相对弯曲刚度

15、为13646.03N/mm,国际一般使用的设计参考值为12200N/mm,因此该样车的弯曲刚度可以满足设计要求。底部变形测量点分布在车身前后纵梁下方、门槛下方、前排座椅处底板下部、前围板下部,间距为300mm。测点分布如图3所示。整车从前至后的Z方向上的挠度计算结果见表4所列,轿车底部弯曲变形曲线如图6所示。承载式轿车车身最大变形量的推荐值见表5所列,样车的弯曲刚度符合设计要求。表4Z方向上的挠度测点挠度1-0.05423567891011mm12-0.160-0.001-0.107-0.213-0.372-0.476-0.521-0.272-0.213-0.107-0.002表5轿车车身最大

16、变形量门槛纵向弯曲变形前排座椅处底板横向弯曲变形前围板下部横向弯曲变形<1.0<1.0<1.5前门洞口对角线变化后门洞口对角线变化前后门锁扣位置变化mm<2.0<1.5<2.04刚度试验为了检验理论分析结果的正确性,对样车进行了静态刚度台架测试。试验仪器主要包括:扭转/弯曲刚度试验台、DH静态应变测试系统、位移传感器、千分表及表架、千斤顶、力传感器、变形测规及配制专用夹具。另外准备前轴固定支架及标准加载配重块。4.1扭转刚度试验扭转刚度试验测量点布置原则是将测点选在车架上能体现总体刚度的部位。本次试验将测点位置选在门槛梁、纵梁及前后轴(悬置)支撑部件等位置。

17、为了计算扭转刚度的前轴相对后轴的轴间扭角,前后轴(悬置)位置必须布点,选择门槛梁和纵梁,共4条线,按车身X方向间隔300400mm左右相对布置传感器。标记左右每对传感器在车身Y方向的距离,以及每对传感器相对转动横梁在X方向的距离(在转动横梁以前的记为负数)。利用白车身后纵梁悬置点附近两螺栓孔,通过连接件将其刚性固定在支架上,利用前纵梁悬置点附近两螺栓孔,通过连接件将其刚性固定在转动横梁上。将车身前后左右水平调正,中心线和扭转横梁的中心线调整到一致,布置所需传感器。本次实验中把力换算成等效质量通过千斤顶和电子秤进行加载;采用从200kg逐级加载到901kg。最大扭转载荷下轿车白车身扭转角的理论值

18、与试验值的数据分析见表6所列。表6最大扭转载荷下扭转角的理论值与试验值的数据分析测量点试验值/()理论值/()误差/(%)131.9028.4112.3228.4425.3912.0328.8426.2210.1430.8427.4112.6527.2325.128.5619.1917.807.8718.5116.929.4819.4617.888.896.345.828.9106.806.317.8117.216.815.9126.516.185.3根据数据处理计算,最大扭矩作用下该样车(下转第862页)862合肥工业大学学报(自然科学版)第31卷比对不同的重建结果,可以看出控制因子的大小可

19、以直观反映重建曲面的精度:越小,重建的曲面越精确,用户可以方便地交互式控制曲面的重建。由于包含了曲面的法向量场信息,所以不论取值如何,重建曲面总能根据曲面特征自适应调节三角形面片的大小,在变化平缓处采用较大面片,在变化剧烈处采用较小面片以保持曲面的特征。C/ProcofACMSIGGRAPH'01.LosAngles,2001:371-378.2AlexaM,DachsbacherC,GrossM,etal.Point-basedcom-putergraphicsEB/OL..tw,2007-06-10.3HoppeH,DeroseT,DuchampT

20、,etal.Surfacereconstruc-tionfromunorganizedpointsC/ProcofACMSIG-GRAPH'92.Chicago,1992:71-78.4EdelsbrunnerH,MckeE.3DalphashapesJ.ACMTransactionsonGraphics,1994,13(1):43-72.5AmentaM,BernM,KamvysselisM.AnewVoronoi-basedsurfacereconstructionalgorithmC/ProcofACMSIGGRAPH'98.Orlando,1998:415-421.6L

21、inHongwei,TaiCL,WangGuojin.Ameshreconstruc-tionalgorithmdrivenbyintrinsicpropertyofpointcloudJ.Computer-AidedDesign,2004,36(1):1-9.7王青,王融清,鲍虎军,等.散乱数据点的增量快速曲面重建算法J.软件学报,2000,11(9):83-89.8胡国飞,彭群生.PBDGP:一个点模型的数字几何处理平台R.杭州:浙江大学CAD&CG国家重点实验室,2004.4结束语基于法向量场的曲面重建方法从散乱点云的空间位置信息中提取曲面内蕴的法向信息,进而充分利用了法向量场来

22、控制曲面的重建。所生成的网格总能保持待建曲面的特征,天然具备优化、简洁的特点,省去了其他重建方法所必需的网格优化过程,大大加快了曲面重建的速度。曲面的重建精度仅由单个控制因子确定,使得用户可以方便地控制重建结果。参考文献1ZwickerM,PfisterH,VanBaarJ,etal.Surfacesplatting(责任编辑张秋娟)(上接第846页)白车身轴间相对扭转刚度为14448.7N·m/(°),接近理论计算的14695N·m/(°),误差为-1.6%,基本接近理论值,可以认为计算是比较准确的。4.2弯曲刚度试验在每个座椅位置上施加180kg的垂直载荷,从50kg到180kg逐级加载,每级50kg,重复3次。测量门