某型薄板冲压件骨架式白车身结构及模态
摘要：传统的客车车身骨架由折弯成型的矩形截面梁纵横交叉焊接而成，长期以来可以满足车身设计的基本要求。但是，随着人们对车辆乘坐舒适性和轻量化要求的提高，传统的车身结构越来越难以满足更加多样的性能要求。主要存在的问题是整车协调性较差，设计中对问题往往采取局部加强的方法，这使得车重越加越大。
关键词：薄板冲压件;白车身;刚度;强度;模态
中图分类号：U463.83 文献标志码：A 文章编号：1005-2550(2013)02-0053-04
传统的客车车身骨架由折弯成型的矩形截面梁纵横交叉焊接而成，长期以来可以满足车身设计的基本要求。但是，随着人们对车辆乘坐舒适性和轻量化要求的提高，传统的车身结构越来越难以满足更加多样的性能要求。主要存在的问题是整车协调性较差，设计中对问题往往采取局部加强的方法，这使得车重越加越大。而采用薄板冲压件式白车身则能较好的解决所出现的问题。但是需要在设计阶段能够预测汽车的结构强度、刚度以及振动特性，对车身结构的固有频率进行分析，并可通过结构参数的调整和改进结构设计以达到避开激励源频率的目的[1-3]。
本文针对某型新型客车的薄板冲压件骨架式白车身，利用Hyperworks软件建立起白车身有限元模型，并通过仿真计算得到了白车身的扭转刚度、各工况下的应力分布情况以及白车身的前六阶模态，同时对仿真计算结果进行了分析和探讨。为后继相关的CAE分析优化工作和车身的动态优化设计打下了基础。
1 白车身有限元模型的建立
在建立白车身有限元模型时，首先将在UG中建好的白车身CAD模型转换成标准的IGES格式，导入到Hyperworks中进行简化重构，修正并简化白车身几何模型。简化的原则是：
(1)最大限度的保留零件的主要力学特征;
(2)删除小孔和一些小的特征面;
(3)将小面合并成大面，并且，相邻面都要共用一条轮廓线，以保证各个面划分出的网格在边界处是共用节点的，不会在边界上出现节点错开现象[4]。经过上述的修正和简化后，本文所研究的白车身CAD模型如图1所示。
然后用HyperMesh模块，采用Shell单元，对白车身的几何模型进行有限元网格划分。对于形状规则的部件，可以自动生成有限元网格;而对于一些形状复杂的部位，则需要进行局部细化，并用optimize进行网格调整，如果还达不到要求，还可以利用split进行网格手工分割来使有限元网格质量达到要求。在此过程中，可遵循从部分到整体的原则，即将车身骨架分块为车架、前围骨架、左侧围骨架、右侧围骨架、地板骨架、顶盖骨架、后围骨架和蒙皮等八个集合，分别进行有限元建模。
对于蒙皮，采用50 mm边长的单元进行网格划分。在保证蒙皮有限元模型如实地反映客车车身实际结构的重要力学特性前提下，对蒙皮的几何模型作必要的简化：
(1)略去蒙皮结构上的非承载件;
(2)对蒙皮的形状作适当的调整，如：将圆角过渡转化为直角过渡;
(3)对于一些结构件上的孔、凸起、翻边酌情予以省略，使表面形状尽量简化。
再将各个集合的有限元模型通过焊点单元组装起来，其中选用rigid单元对节点自由度耦合来模拟焊点、铆钉和螺栓连接。
最后对各单元赋予材料属性和厚度，建成后的白车身有限元模型如图2所示。
2 白车身主要刚度和强度性能参数计算
对白车身刚度和强度性能参数进行仿真计算是评价白车身质量的有效途径。通过各种相关的CAE分析可以在设计阶段就对白车身设计是否满足条件作出判断，然后根据分析结果有针对性地修改设计以协调好车身各方面性能。
2.1 白车身扭转刚度计算及分析
当车身上作用有反对称垂直载荷时，结构处于扭转工况，此时车身左右承受载荷不等，使车身产生扭转变形。扭转刚度用来表征车身在凹凸不平路面上抵抗斜对称扭转变形的能力，可以用来作为度量这种变形的评判尺度，其计算公式为：
式中：L为轴距;T为扭矩;?兹为轴间相对扭转角。
在纯扭转工况下，在车架左右纵梁上对应的前轴处施加980 Nm扭矩(通过施加左上右下的集中力来实现，且不考虑白车身自重及其它载荷)，在车架左右纵梁上对应后轴处施加约束，使车身骨架产生纯扭转变形。其计算应变图结果如图3所示。
根据分析计算结果，可以得到车架前轴左对应点的位移为0.676 mm。其中，左右两对应点的距离为806 mm，前后轴对应点的距离为3 530 mm。
白车身的扭转刚度Kt可由下式计算得到：
式中：Kt为扭转刚度，N/m2(°);T为扭矩，Nm;F为载荷，N;L为力臂，m;d为测点处到轮距中心线的距离，m; l为轴距，m;?兹为扭转角，°;H为测点的垂直位移，m。
若以前悬挂支撑处的扭转刚度作为车身的扭转刚度，则其计算公式可简化为：
计算可得车身扭转刚度为：
国内外统计数据表明，半承载式客车车身扭转刚度一般在20～40 kN・m2/(°)为合理，本文中白车身的扭转刚度值在安全范围内，这表明薄板冲压件骨架式S55商务客车车身结构刚度达到了设计要求。
2.2 白车身强度计算及分析
客车在行驶时一般承受着复杂多变的载荷，因此在车身结构设计及分析时，必须考虑到实际使用行驶中的最大载荷，使得车身骨架既不发生屈曲变形也不失效，并且承受随机载荷时也不产生疲劳裂纹等。
2.2.1 静态弯曲工况下应力计算及分析
静态弯曲工况计算目的在于研究满载情况下车身骨架的抗弯强度。白车身骨架质量和载荷乘以动载系数(本文动载系数取2.5)，方向垂直向下，以模拟客车在平坦路面上以较高速度行驶时产生的对称垂直动载荷。
为简化计算，设满载情况下作用在车身骨架上的载荷有：车身骨架的质量、乘客及座椅质量、地板质量、行李质量、车架各总成及发动机质量、附加物(空调、备胎等)等。 对前后悬架系统采用条件等效的办法进行约束，即使用弹簧单元对扭杆弹簧和钢板弹簧进行模拟。
完成以上边界条件和约束条件的设置后，利用软件自带的计算模块对白车身有限元模型进行仿真计算，得到该工况下白车身的应力分布，如图4所示。
从图4中可以获取本工况下各局部总成上应力的最大值及其位置，如表1所示。
从表1可以看到，车身的最大应力出现在右后轮的轮包上，达到了211 MPa。导致这种情况的原因是后轮轮包上布置了座椅的支撑点，而支撑处与轮包的小面积接触，导致局部应力过大。实际安装时，可以在座椅支撑点上添加预埋板，能够在较大程度上削弱应力集中的现象。其他部位的应力均较低，所以整个白车身结构在此工况下是安全的。
2.2.2 弯曲扭转组合工况下应力计算及分析
在对白车身进行应力仿真计算时，通常需要考虑5种工况，但由于弯扭组合工况是车辆运行的极限工况，因此，通过对该工况的应力仿真计算足以反映白车身在其它工况，如加速工况、减速工况和转弯工况下的白车身最大应力分布趋势。本文仅进行弯扭组合工况下的白车身应力仿真计算[5]。
当汽车低速行驶在崎岖不平的道路上时，车身受到比较剧烈的扭转工况。大量试验证实，静态扭转试验和动载试验所测得的骨架薄弱部位是一致的。因此，静态扭转时骨架上的大应力点，可用来判定动载时的大应力点。将车身骨架质量和载荷乘于动载系数1.25(方向垂直向下)，并将两后轮固定，一个前轮单轮悬空而另一个前轮抬高，模拟客车在不平道路上行驶时的弯扭组合效应。在本文中，采取后两轮固定，左前轮抬高80 mm，而右前轮降低80 mm来模拟这种弯扭工况。
完成以上边界条件和约束条件的设置后，利用软件自带的计算模块进行仿真计算，得到该工况下白车身的应力分布，如图5所示。
从表2可以看出，车架上应力集中主要分布在发动机罩侧后部拐角处，最大应力达到了283 MPa，但通过分析发现，该处过大应力集中主要是在进行有限元模型简化时，将圆角过渡改为直角过渡导致的。而在正常的工艺处理中，该处不会出现应力集中。另外，钢板弹簧安装处及两侧纵梁上的应力也较大。但由于弹簧与车架连接处有很大的缓冲，且其屈服极限较大，而且最大应力为190 MPa，没有超过材料的屈服极限。因此，整个白车身结构在该工况下是安全的。
通过对以上工况的计算结果进行分析可知，白车身强度满足要求，但是几个高应力区域应引起注意，特别是车架的高应力区域包括：车架纵梁与横梁的连接处，地板骨架行李箱处及座椅和地板骨架连接处，以及发动机罩处和后轮包处，在优化设计时应予以关注。
3 白车身模态计算及分析
白车身振动模态分析不仅可用来分析车身性能，还可以直接对其结构设计形成指导。结合悬挂系统固有频率、发动机怠速及经常工作转速对应的爆发频率等综合分析，可判定车身结构的稳定性和NVH性能。
根据表3的计算结果分析得到，白车身结构一阶基频较高，大小为8.99 Hz，说明车身刚性较好;大小处于8～10 Hz之间，有利于避开低频激振频率;综合各阶频率大小来看，频率间隔较大，分布较均匀，有利于减少低频共振;综合各阶振型来看，白车身结构刚度分布基本均匀合理。
4 结语
本文利用功能强大的Hyperworks有限元分析软件建立了新型薄板冲压件骨架式白车身结构的有限元模型，并对其刚度和在典型工况下的强度以及动态特性参数进行了仿真计算。通过分析，反映了白车身应力分布趋势，揭示了白车身强度薄弱的环节及危险部位，明确了新型白车身结构在动态性能上的优势，为结构优化设计提供了参考，并可为该白车身的进一步轻量化设计打下坚实基础。
该有限元仿真分析方法对于准确研究分析车身的静态刚度、强度和动态特性具有很重要的实用价值，为车身的结构设计提供了有价值的参考。
参考文献：
[1] 周长路，范子杰，陈宗渝，等. 微型客车白车身模态分析[J]. 汽车工程，2004，1：78-80.
[2] 卢耀祖，周中坚.机械与汽车结构的有限元分析[M].上海：同济大学出版社，1996：242-247.
[3] 于国飞.HyperWorks在汽车白车身模态分析中的应用[J]. 振动、测试与诊断，2012，32(1)：138-140.
[4] 杨莉，朱壮瑞，张迎滨，等. 轻型客车车身CAE技术研究[J]. 制造业自动化，2004，26(6)：62-65.
[5] 朱壮瑞.轻型客车车身动态优化设计及碰撞研究[D].南京：东南大学，2001.
[6] 尹茂华.半承载式客车车身有限元分析[D].淄博：山东理工大学，2008.
以上是某型薄板冲压件骨架式白车身结构及模态的相关论文，希望你能喜欢。