某型薄板沖壓件骨架式白車身結(jié)構(gòu)及模態(tài)

1、某型薄板沖壓件骨架式白車身構(gòu)造及模態(tài)摘要：傳統(tǒng)的客車車身骨架由折彎成型的矩形截面梁縱橫穿插焊接而成，長期以來可以滿足車身設(shè)計(jì)的根本要求。但是，隨著人們對車輛乘坐舒適性和輕量化要求的進(jìn)步，傳統(tǒng)的車身構(gòu)造越來越難以滿足更加多樣的性能要求。主要存在的問題是整車協(xié)調(diào)性較差，設(shè)計(jì)中對問題往往采取局部加強(qiáng)的方法，這使得車重越加越大。關(guān)鍵詞：薄板沖壓件;白車身;剛度;強(qiáng)度;模態(tài)中圖分類號(hào)：U463.83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550(2021)02-0053-04傳統(tǒng)的客車車身骨架由折彎成型的矩形截面梁縱橫穿插焊接而成，長期以來可以滿足車身設(shè)計(jì)的根本要求。但是，隨著人們對車輛乘坐舒適性和輕量

2、化要求的進(jìn)步，傳統(tǒng)的車身構(gòu)造越來越難以滿足更加多樣的性能要求。主要存在的問題是整車協(xié)調(diào)性較差，設(shè)計(jì)中對問題往往采取局部加強(qiáng)的方法，這使得車重越加越大。而采用薄板沖壓件式白車身那么能較好的解決所出現(xiàn)的問題。但是需要在設(shè)計(jì)階段可以預(yù)測汽車的構(gòu)造強(qiáng)度、剛度以及振動(dòng)特性，對車身構(gòu)造的固有頻率進(jìn)展分析，并可通過構(gòu)造參數(shù)的調(diào)整和改進(jìn)構(gòu)造設(shè)計(jì)以到達(dá)避開鼓勵(lì)源頻率的目的1-3。本文針對某型新型客車的薄板沖壓件骨架式白車身，利用Hyperworks軟件建立起白車身有限元模型，并通過仿真計(jì)算得到了白車身的改變剛度、各工況下的應(yīng)力分布情況以及白車身的前六階模態(tài)，同時(shí)對仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)展了分析和討論。為后繼相關(guān)的CAE

3、分析優(yōu)化工作和車身的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了根底。1 白車身有限元模型的建立在建立白車身有限元模型時(shí)，首先將在UG中建好的白車身CAD模型轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的IGES格式，導(dǎo)入到Hyperworks中進(jìn)展簡化重構(gòu)，修正并簡化白車身幾何模型。簡化的原那么是：(1)最大限度的保存零件的主要力學(xué)特征;(2)刪除小孔和一些小的特征面;(3)將小面合并成大面，并且，相鄰面都要共用一條輪廓線，以保證各個(gè)面劃分出的網(wǎng)格在邊界處是共用節(jié)點(diǎn)的，不會(huì)在邊界上出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)開現(xiàn)象4。經(jīng)過上述的修正和簡化后，本文所研究的白車身CAD模型如圖1所示。然后用HyperMesh模塊，采用Shell單元，對白車身的幾何模型進(jìn)展有限元網(wǎng)格劃分。

4、對于形狀規(guī)那么的部件，可以自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格;而對于一些形狀復(fù)雜的部位，那么需要進(jìn)展局部細(xì)化，并用optimize進(jìn)展網(wǎng)風(fēng)格整，假設(shè)還達(dá)不到要求，還可以利用split進(jìn)展網(wǎng)格手工分割來使有限元網(wǎng)格質(zhì)量到達(dá)要求。在此過程中，可遵循從局部到整體的原那么，即將車身骨架分塊為車架、前圍骨架、左側(cè)圍骨架、右側(cè)圍骨架、地板骨架、頂蓋骨架、后圍骨架和蒙皮等八個(gè)集合，分別進(jìn)展有限元建模。對于蒙皮，采用50 mm邊長的單元進(jìn)展網(wǎng)格劃分。在保證蒙皮有限元模型如實(shí)地反映客車車身實(shí)際構(gòu)造的重要力學(xué)特性前提下，對蒙皮的幾何模型作必要的簡化：(1)略去蒙皮構(gòu)造上的非承載件;(2)對蒙皮的形狀作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如：將圓角過渡轉(zhuǎn)

5、化為直角過渡;(3)對于一些構(gòu)造件上的孔、凸起、翻邊酌情予以省略，使外表形狀盡量簡化。再將各個(gè)集合的有限元模型通過焊點(diǎn)單元組裝起來，其中選用rigid單元對節(jié)點(diǎn)自由度耦合來模擬焊點(diǎn)、鉚釘和螺栓連接。最后對各單元賦予材料屬性和厚度，建成后的白車身有限元模型如圖2所示。2 白車身主要?jiǎng)偠群蛷?qiáng)度性能參數(shù)計(jì)算對白車身剛度和強(qiáng)度性能參數(shù)進(jìn)展仿真計(jì)算是評(píng)價(jià)白車身質(zhì)量的有效途徑。通過各種相關(guān)的CAE分析可以在設(shè)計(jì)階段就對白車身設(shè)計(jì)是否滿足條件作出判斷，然后根據(jù)分析結(jié)果有針對性地修改設(shè)計(jì)以協(xié)調(diào)好車身各方面性能。2.1 白車身改變剛度計(jì)算及分析當(dāng)車身上作用有反對稱垂直載荷時(shí)，構(gòu)造處于改變工況，此時(shí)車身左右承受載

6、荷不等，使車身產(chǎn)生改變變形。改變剛度用來表征車身在凹凸不平路面上抵抗斜對稱改變變形的才能，可以用來作為度量這種變形的評(píng)判尺度，其計(jì)算公式為：式中：L為軸距;T為扭矩;?茲為軸間相對改變角。在純改變工況下，在車架左右縱梁上對應(yīng)的前軸處施加980 Nm扭矩(通過施加左上右下的集中力來實(shí)現(xiàn)，且不考慮白車身自重及其它載荷)，在車架左右縱梁上對應(yīng)后軸處施加約束，使車身骨架產(chǎn)生純改變變形。其計(jì)算應(yīng)變圖結(jié)果如圖3所示。根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，可以得到車架前軸左對應(yīng)點(diǎn)的位移為0.676 mm。其中，左右兩對應(yīng)點(diǎn)的間隔 為806 mm，前后軸對應(yīng)點(diǎn)的間隔 為3 530 mm。白車身的改變剛度Kt可由下式計(jì)算得到：式中

7、：Kt為改變剛度，N/m2(deg;);T為扭矩，Nm;F為載荷，N;L為力臂，m;d為測點(diǎn)處到輪距中心線的間隔 ，m; l為軸距，m;?茲為改變角，deg;H為測點(diǎn)的垂直位移，m。假設(shè)以前懸掛支撐處的改變剛度作為車身的改變剛度，那么其計(jì)算公式可簡化為：計(jì)算可得車身改變剛度為：國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明，半承載式客車車身改變剛度一般在2040 kN0鹠2/(deg;)為合理，本文中白車身的改變剛度值在平安范圍內(nèi)，這說明薄板沖壓件骨架式S55商務(wù)客車車身構(gòu)造剛度到達(dá)了設(shè)計(jì)要求。2.2 白車身強(qiáng)度計(jì)算及分析客車在行駛時(shí)一般承受著復(fù)雜多變的載荷，因此在車身構(gòu)造設(shè)計(jì)及分析時(shí)，必須考慮到實(shí)際使用行駛中的最大載荷

8、，使得車身骨架既不發(fā)生屈曲變形也不失效，并且承受隨機(jī)載荷時(shí)也不產(chǎn)生疲勞裂紋等。2.2.1 靜態(tài)彎曲工況下應(yīng)力計(jì)算及分析靜態(tài)彎曲工況計(jì)算目的在于研究滿載情況下車身骨架的抗彎強(qiáng)度。白車身骨架質(zhì)量和載荷乘以動(dòng)載系數(shù)(本文動(dòng)載系數(shù)取2.5)，方向垂直向下，以模擬客車在平坦路面上以較高速度行駛時(shí)產(chǎn)生的對稱垂直動(dòng)載荷。為簡化計(jì)算，設(shè)滿載情況下作用在車身骨架上的載荷有：車身骨架的質(zhì)量、乘客及座椅質(zhì)量、地板質(zhì)量、行李質(zhì)量、車架各總成及發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、附加物(空調(diào)、備胎等)等。 對前后懸架系統(tǒng)采用條件等效的方法進(jìn)展約束，即使用彈簧單元對扭桿彈簧和鋼板彈簧進(jìn)展模擬。完成以上邊界條件和約束條件的設(shè)置后，利用軟件自帶的計(jì)

9、算模塊對白車身有限元模型進(jìn)展仿真計(jì)算，得到該工況下白車身的應(yīng)力分布，如圖4所示。從圖4中可以獲取本工況下各局部總成上應(yīng)力的最大值及其位置，如表1所示。從表1可以看到，車身的最大應(yīng)力出如今右后輪的輪包上，到達(dá)了211 MPa。導(dǎo)致這種情況的原因是后輪輪包上布置了座椅的支撐點(diǎn)，而支撐處與輪包的小面積接觸，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大。實(shí)際安裝時(shí)，可以在座椅支撐點(diǎn)上添加預(yù)埋板，可以在較大程度上削弱應(yīng)力集中的現(xiàn)象。其他部位的應(yīng)力均較低，所以整個(gè)白車身構(gòu)造在此工況下是平安的。2.2.2 彎曲改變組合工況下應(yīng)力計(jì)算及分析在對白車身進(jìn)展應(yīng)力仿真計(jì)算時(shí)，通常需要考慮5種工況，但由于彎扭組合工況是車輛運(yùn)行的極限工況，因此，

10、通過對該工況的應(yīng)力仿真計(jì)算足以反映白車身在其它工況，如加速工況、減速工況和轉(zhuǎn)彎工況下的白車身最大應(yīng)力分布趨勢。本文僅進(jìn)展彎扭組合工況下的白車身應(yīng)力仿真計(jì)算5。當(dāng)汽車低速行駛在崎嶇不平的道路上時(shí)，車身受到比較劇烈的改變工況。大量試驗(yàn)證實(shí)，靜態(tài)改變試驗(yàn)和動(dòng)載試驗(yàn)所測得的骨架薄弱部位是一致的。因此，靜態(tài)改變時(shí)骨架上的大應(yīng)力點(diǎn)，可用來斷定動(dòng)載時(shí)的大應(yīng)力點(diǎn)。將車身骨架質(zhì)量和載荷乘于動(dòng)載系數(shù)1.25(方向垂直向下)，并將兩后輪固定，一個(gè)前輪單輪懸空而另一個(gè)前輪抬高，模擬客車在不平道路上行駛時(shí)的彎扭組合效應(yīng)。在本文中，采取后兩輪固定，左前輪抬高80 mm，而右前輪降低80 mm來模擬這種彎扭工況。完成以上邊

11、界條件和約束條件的設(shè)置后，利用軟件自帶的計(jì)算模塊進(jìn)展仿真計(jì)算，得到該工況下白車身的應(yīng)力分布，如圖5所示。從表2可以看出，車架上應(yīng)力集中主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)罩側(cè)后部拐角處，最大應(yīng)力到達(dá)了283 MPa，但通過分析發(fā)現(xiàn)，該處過大應(yīng)力集中主要是在進(jìn)展有限元模型簡化時(shí)，將圓角過渡改為直角過渡導(dǎo)致的。而在正常的工藝處理中，該處不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。另外，鋼板彈簧安裝處及兩側(cè)縱梁上的應(yīng)力也較大。但由于彈簧與車架連接處有很大的緩沖，且其屈服極限較大，而且最大應(yīng)力為190 MPa，沒有超過材料的屈服極限。因此，整個(gè)白車身構(gòu)造在該工況下是平安的。通過對以上工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)展分析可知，白車身強(qiáng)度滿足要求，但是幾個(gè)高應(yīng)力區(qū)

12、域應(yīng)引起注意，特別是車架的高應(yīng)力區(qū)域包括：車架縱梁與橫梁的連接處，地板骨架行李箱處及座椅和地板骨架連接處，以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩處和后輪包處，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以關(guān)注。3 白車身模態(tài)計(jì)算及分析白車身振動(dòng)模態(tài)分析不僅可用來分析車身性能，還可以直接對其構(gòu)造設(shè)計(jì)形成指導(dǎo)。結(jié)合懸掛系統(tǒng)固有頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及經(jīng)常工作轉(zhuǎn)速對應(yīng)的爆發(fā)頻率等綜合分析，可斷定車身構(gòu)造的穩(wěn)定性和NVH性能。根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果分析得到，白車身構(gòu)造一階基頻較高，大小為8.99 Hz，說明車身剛性較好;大小處于810 Hz之間，有利于避開低頻激振頻率;綜合各階頻率大小來看，頻率間隔較大，分布較均勻，有利于減少低頻共振;綜合各階振型來看，白車身構(gòu)造

13、剛度分布根本均勻合理。4 結(jié)語本文利用功能強(qiáng)大的Hyperworks有限元分析軟件建立了新型薄板沖壓件骨架式白車身構(gòu)造的有限元模型，并對其剛度和在典型工況下的強(qiáng)度以及動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)展了仿真計(jì)算。通過分析，反映了白車身應(yīng)力分布趨勢，提醒了白車身強(qiáng)度薄弱的環(huán)節(jié)及危險(xiǎn)部位，明確了新型白車身構(gòu)造在動(dòng)態(tài)性能上的優(yōu)勢，為構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考，并可為該白車身的進(jìn)一步輕量化設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)根底。該有限元仿真分析方法對于準(zhǔn)確研究分析車身的靜態(tài)剛度、強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性具有很重要的實(shí)用價(jià)值，為車身的構(gòu)造設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。參考文獻(xiàn)：1 周長路，范子杰，陳宗渝，等. 微型客車白車身模態(tài)分析J. 汽車工程，2004，1：78-80.2 盧耀祖，周中堅(jiān).機(jī)械與汽車構(gòu)造的有限元分析M.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996：242-247.3 于國飛.HyperWorks在汽車白車身模態(tài)分析中的應(yīng)用J. 振動(dòng)、測試與診斷，2021，32(1)：138-140.4