白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析方法對(duì)比-順便談?wù)勎祦?lái)ES8

白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析方法對(duì)比-順便談?wù)勎祦?lái)ES81概述在上一篇文章《白車身彎曲剛度分析方法對(duì)比》中，我們介紹了白車身彎曲剛度分析方法，在這一篇文章中我們將接著介紹扭轉(zhuǎn)剛度分析方法。因?yàn)橥瑢佘嚿韯偠确治?，所以本文重?fù)了上一篇的少部分文字。好在兩篇文章都是本人所作，并不涉嫌抄襲。白車身剛度是整車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，它決定了車輛在外力作用下抵抗變形的能力。白車身剛度與整車多項(xiàng)性能均有關(guān)聯(lián)，例如耐久性能、碰撞安全性能、操穩(wěn)性能和NVH性能等。通常我們主要關(guān)注兩個(gè)車身剛度指標(biāo)，即彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。當(dāng)前的主流設(shè)計(jì)趨勢(shì)就是在控制成本和重量的前提下，盡量將車身彎扭剛度提升。對(duì)于乘用車而言，白車身的扭轉(zhuǎn)剛度相比彎曲剛度更值得關(guān)注。白車身的失效形式以扭轉(zhuǎn)疲勞為主，當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度不足時(shí)，車身在外力作用下將發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，反復(fù)加載后局部薄弱點(diǎn)就可能疲勞破壞。如果車身扭轉(zhuǎn)剛度不足，行駛時(shí)車身變形較大，可能導(dǎo)致整車各部件之間發(fā)生摩擦異響；尤其是背門框和側(cè)門框會(huì)產(chǎn)生較大的洞口變形量，影響車輛動(dòng)態(tài)密封性能。白車身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)整車操穩(wěn)性能也有明顯影響。白車身扭轉(zhuǎn)剛度還是白車身輕量化程度的重要表征。國(guó)際上流行的一個(gè)重要的車身設(shè)計(jì)指標(biāo)—輕量化系數(shù)，就是根據(jù)白車身扭轉(zhuǎn)剛度、白車身質(zhì)量、軸距和輪距計(jì)算得到的。相比白車身彎曲剛度分析方法，扭轉(zhuǎn)剛度分析方法還不算特別混亂，但也存在很多不一致的地方。本文將對(duì)國(guó)內(nèi)汽車業(yè)內(nèi)常用的幾種白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析方案作對(duì)比分析。在本文的末尾，還將對(duì)最近熱度非凡的蔚來(lái)ES8白車身扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值進(jìn)行簡(jiǎn)單的點(diǎn)評(píng)。2有限元模型對(duì)比雖然名稱叫白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析，但所用的白車身有限元模型并不一定是傳統(tǒng)意義的BIW模型。有些主機(jī)廠所分析的模型是BIW，有些則是BIW加風(fēng)擋玻璃也就是所謂的BIP模型。對(duì)于電動(dòng)車而言，分析模型還可能是BIW+電池包，或者BIP玻璃+電池包。其中BIP模型使用的最為廣泛。上面所提到的BIW，指的是焊接或者鉚接車身的本體部分，不包括四門兩蓋、儀表板支撐橫梁、翼子板等部件以及粘在車身的玻璃。前后防撞梁和吸能盒，無(wú)論是焊接還是螺接在車身上，都要包含在BIW內(nèi)。副車架如果是剛性連接在車身上，也要包含在BIW內(nèi)，如果是通過(guò)車身懸置跟車身連接，則不包含在BIW內(nèi)。風(fēng)擋玻璃對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)非常大。BIW加上風(fēng)擋玻璃后，其扭轉(zhuǎn)剛度提升幅度至少有15%，甚至可能超過(guò)60%。風(fēng)擋玻璃對(duì)車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)越大，就意味著玻璃承受越多比例的扭轉(zhuǎn)載荷。風(fēng)擋玻璃受力過(guò)大時(shí)會(huì)發(fā)生不可修復(fù)的破壞，通常我們希望載荷主要由BIW而不是風(fēng)擋玻璃來(lái)承擔(dān)，所以BIP與BIW的扭轉(zhuǎn)剛度之比最好控制到1.4以內(nèi)。需要注意的是，玻璃粘膠的模量和建模方式對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算結(jié)果有明顯影響，建模時(shí)一定要格外慎重。電池包對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)比風(fēng)擋玻璃還要大。BIP增加電池包后，扭轉(zhuǎn)剛度增幅在30%以上，某些極端情況下甚至有可能超過(guò)100%。這個(gè)扭轉(zhuǎn)剛度增幅不僅取決于電池包自身的結(jié)構(gòu)，還受電池包跟車身連接方式的影響。與托架連接方式相比，法蘭邊連接方式更容易提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度。表1是某款電動(dòng)汽車白車身扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值的對(duì)比，從表中可見(jiàn)風(fēng)擋玻璃和電池包對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)。表1某款電動(dòng)汽車白車身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)于燃油車，BIP與BIW相比更接近整車狀態(tài)，所以BIP扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)該作為整車開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)于電動(dòng)車，則應(yīng)將BIP+電池包的扭轉(zhuǎn)剛度作為整車開(kāi)發(fā)指標(biāo)；BIP的扭轉(zhuǎn)剛度也需要分析計(jì)算，以用于計(jì)算輕量化系數(shù)。另外，為了指導(dǎo)白車身鈑金件設(shè)計(jì)，根據(jù)標(biāo)桿車數(shù)據(jù)為BIW扭轉(zhuǎn)剛度制定一個(gè)目標(biāo)值也是必要的。進(jìn)行白車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)時(shí)，同樣應(yīng)該考慮上述幾種狀態(tài)。帶風(fēng)擋玻璃和電池包進(jìn)行試驗(yàn)，然后拆掉電池包進(jìn)行第二次試驗(yàn)，最后拆掉風(fēng)擋玻璃進(jìn)行第三次試驗(yàn)。需要注意的是，在計(jì)算輕量化系數(shù)時(shí)，應(yīng)該采用BIP的扭轉(zhuǎn)剛度和BIW的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。3扭轉(zhuǎn)剛度分析的加載方式白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析的加載方式主要有兩種，都是加載在前減震器安裝位置，也就是前減震塔大孔中心加載。第一種是在兩個(gè)加載點(diǎn)建立MPC約束，然后施加扭矩載荷，如圖1。MPC約束能夠保證兩個(gè)加載點(diǎn)Z向位移相反。然后施加大小為M的扭距。圖1車身前端的MPC約束上述MPC加載方式相當(dāng)于兩個(gè)加載點(diǎn)用一個(gè)硬杠桿連接，硬杠桿的轉(zhuǎn)軸固定在兩個(gè)加載點(diǎn)的中間，然后在硬杠桿上施加力矩。還有一種加載方式是不使用MPC，直接在兩側(cè)加載點(diǎn)施加大小相等方向相反的垂向集中力。MPC加載法和兩側(cè)力加載法實(shí)質(zhì)上是等效的，計(jì)算得到的扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)果沒(méi)有明顯的差異。推薦使用MPC加載方式，這種加載方式確保左右側(cè)加載點(diǎn)的Z向位移大小相等方向相反，所以車身左右兩側(cè)的變形接近反對(duì)稱。白車身剛度試驗(yàn)也存在類似兩側(cè)集中力法和MPC法的兩種加載方式。但實(shí)際上保證在整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程中左右兩側(cè)反對(duì)稱加集中力比較困難，通常都是使用一個(gè)中間有轉(zhuǎn)軸的剛性裝置連接左右加載點(diǎn)，然后對(duì)剛性裝置施加垂向力產(chǎn)生扭矩，如圖2。圖2白車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)裝置4約束方式對(duì)比進(jìn)行白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析時(shí)，車身后端約束位置有好多種，例如后懸彈簧支座中心、減震器安裝位置中心、緩沖塊安裝位置中心、后縱梁上后橋軸線所對(duì)應(yīng)的位置等。這些不同的后端約束位置對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)果的影響不太，差異大致在10%以內(nèi)。我個(gè)人建議后端約束位置選擇在后懸彈簧支座中心，因?yàn)閯偠确治龅墓r是靜力工況。在整車承受靜力載荷的情況下，減震器并不產(chǎn)生阻尼力，車身靠彈簧支撐，所以將后懸彈簧支座中心作為支撐約束點(diǎn)比較合理。白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析最合理的約束方案應(yīng)該是最少約束方案，即所有的約束恰好限制住白車身剛體位移，但不阻礙任意彈性變形，所以不會(huì)產(chǎn)生額外的應(yīng)力。最常見(jiàn)的最少約束方案如圖3所示。左側(cè)約束DOF123，右側(cè)約束DOF13。對(duì)于兩側(cè)力加載方式，前端在縱向?qū)ΨQ平面(y=0平面)上某點(diǎn)再增加一個(gè)DOF3約束，一般是選前防撞梁中間位置。對(duì)于MPC加載方式，MPC實(shí)質(zhì)是一個(gè)轉(zhuǎn)軸固定于左右加載點(diǎn)中點(diǎn)的硬杠桿，固定的轉(zhuǎn)軸相當(dāng)于已經(jīng)約束了DOF3自由度，所以前端不需要再加約束。圖3白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析的最少約束方案在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，為了保持車身的穩(wěn)定，通常會(huì)在最少約束法的基礎(chǔ)上，在車身前后端增加DOF1和DOF2方向的約束；為保持跟試驗(yàn)的約束方式一致，有些企業(yè)在仿真分析時(shí)也增加了約束。理論上過(guò)度約束將導(dǎo)致剛度分析結(jié)果偏高，但實(shí)際上扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果對(duì)過(guò)度約束并不敏感，所導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)剛度增幅一般不超過(guò)5%。這一點(diǎn)與彎曲剛度有很大不同（多余的DOF1約束可能導(dǎo)致彎曲剛度數(shù)值10%以上的增幅）。5扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式和測(cè)量點(diǎn)選擇關(guān)于扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)量點(diǎn)的選擇，行業(yè)內(nèi)有兩種方案。第一種是只有兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)與前端兩個(gè)加載點(diǎn)重合，位于滑柱安裝位置，這種方法可稱之為減震塔測(cè)點(diǎn)法。左右兩測(cè)量點(diǎn)Y向間距為L(zhǎng)1，Z向位移分別為Uzl和Uzr，則計(jì)算車身扭轉(zhuǎn)角的公式如下因?yàn)榕まD(zhuǎn)角很小，所以上可簡(jiǎn)化為扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算式為按上面的公式計(jì)算出的扭轉(zhuǎn)剛度單位是Nmm/rad，一般應(yīng)轉(zhuǎn)換為Nm/deg。第二種方法是前后端各設(shè)置兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，前端測(cè)量點(diǎn)位于前加載點(diǎn)對(duì)應(yīng)的前艙縱梁底面中線位置，后端測(cè)量點(diǎn)位于后端約束點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的后縱梁底面中線位置。這種方法可稱之為縱梁測(cè)點(diǎn)法。兩前測(cè)量點(diǎn)的Y向距離為L(zhǎng)2，其Z向位移分別UFzl和UFzr。兩后測(cè)量點(diǎn)的Y向距離為L(zhǎng)3，其豎直方向的位移分別為其Z向位移分別URzl和URzr，則車身扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式為縱梁測(cè)點(diǎn)法消除了前加載點(diǎn)和后約束點(diǎn)局部變形的影響，計(jì)算得到的扭轉(zhuǎn)剛度值將比減震塔測(cè)點(diǎn)法明顯增加，具體增幅取決于加載點(diǎn)和約束點(diǎn)的局部剛度。某些高端車型采用了鑄鋁的減震塔，擁有非常大的局部剛度，兩種方法計(jì)算結(jié)果的差異會(huì)小于低端車型。對(duì)于BIP模型而言，縱梁測(cè)點(diǎn)法相比減震塔測(cè)點(diǎn)法，扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算值增幅通常都在15%以上；對(duì)于BIP+電池包的模型，這個(gè)增幅通常在25%以上，有些時(shí)候甚至超過(guò)50%。這是因?yàn)榧虞d點(diǎn)Z向位移是加載點(diǎn)局部變形與下車體整體變形共同的貢獻(xiàn)，電池包的存在限制了下車體整體扭轉(zhuǎn)變形，加載點(diǎn)局部變形的貢獻(xiàn)就占據(jù)了更大的比例。有一點(diǎn)需要注意，在計(jì)算輕量化系數(shù)時(shí)，通常都是采用減震塔測(cè)點(diǎn)法。6小結(jié)對(duì)于白車身扭轉(zhuǎn)剛度，最應(yīng)關(guān)注的因素是模型中是否包含了玻璃和電池包。BIW加上風(fēng)擋玻璃后，其扭轉(zhuǎn)剛度提升幅度至少有15%，甚至可能超過(guò)60%。電池包對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)比風(fēng)擋玻璃還要大，BIP增加電池包后，扭轉(zhuǎn)剛度增幅在30%以上，某些極端情況下有可能超過(guò)100%。測(cè)量點(diǎn)的選取對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)果也有不可忽略的影響?？v梁測(cè)點(diǎn)方案，相比減震塔測(cè)點(diǎn)方案，BIP扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算值增幅通常都在15%以上；對(duì)于BIP+白車身的模型，這個(gè)增幅通常在25%以上，甚至可能超過(guò)50%。7關(guān)于蔚來(lái)ES8的白車身扭轉(zhuǎn)剛度最近蔚來(lái)汽車官方發(fā)布了《關(guān)于蔚來(lái)ES8全鋁車身的那些事》，報(bào)道了高達(dá)441400Nm/deg的白車身扭轉(zhuǎn)剛度和低至2.02的輕量化系數(shù)，引起圈內(nèi)圈外熱烈討論。某些專家認(rèn)為其白車身剛度和輕量化程度已經(jīng)達(dá)到了全世界數(shù)一數(shù)二的水平。事實(shí)真的如此嗎？我們來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的分析。首先談一談44140Nm/deg的白車身扭轉(zhuǎn)剛度。這一定是BIP＋電池包的扭轉(zhuǎn)剛度值，這一點(diǎn)據(jù)說(shuō)蔚來(lái)自己也承認(rèn)。并且它計(jì)算剛度時(shí)用的應(yīng)該是縱梁測(cè)點(diǎn)法，如果采用減震塔測(cè)點(diǎn)法，估計(jì)扭轉(zhuǎn)剛度在33000Nm/deg左右。蔚來(lái)ES8的電池包本身結(jié)構(gòu)很強(qiáng)，而且采用法蘭邊與車身進(jìn)行剛硬的連接，電池包導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)剛度增幅應(yīng)該超過(guò)50%。這樣看來(lái)減震塔測(cè)點(diǎn)法的BIP扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)該在1900-23000Nm/deg這個(gè)范圍，這個(gè)數(shù)字在乘用車?yán)镞€算不錯(cuò)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到世界領(lǐng)先的水平。例如途觀L的BIP扭轉(zhuǎn)剛度大概是19000Nm/deg左右，蔚來(lái)ES8也只是比它略高。再談一談ES8的低至2.02的白車身輕量化系數(shù)，它在計(jì)算輕量化系數(shù)時(shí)，應(yīng)該是拿BIP+電池包計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度，拿BIW計(jì)算質(zhì)量。如果按照傳統(tǒng)的計(jì)算方法，用不帶電池包的BIP并且采用減震塔測(cè)點(diǎn)法，其真實(shí)輕量化系數(shù)估計(jì)在2.9-3.5之間。取中位數(shù)是3.2，這個(gè)數(shù)值在乘用車?yán)锸遣诲e(cuò)的，但也是遠(yuǎn)未到世界領(lǐng)先的水平。按同樣的算法，途觀L的白車身輕量化系數(shù)大約為4.0左右。最后談一談蔚來(lái)ES8的白車身質(zhì)量，它的BIW質(zhì)量是335Kg，途觀L大約是355Kg，蔚來(lái)ES8有二十公斤的優(yōu)勢(shì)?？傊?，蔚來(lái)ES白車身無(wú)論是扭轉(zhuǎn)剛度、輕量化系數(shù)還是重量都優(yōu)于途觀L，而且蔚來(lái)ES8軸距比途觀L長(zhǎng)219mm，長(zhǎng)寬高也都比途觀L大。但是有一點(diǎn)大家不要忘記，ES8用的是全鋁車身，途觀L