汽車車身結構動力學建模方法研究

0 　前言

汽車車身不僅要有美觀流暢的外形 , 更要有安全可靠的結構動力學特性。為加快新車身開發速度、節約資金和提高質量 , 其設計技術正由原來的經驗、類比、靜態設計步入 CAD ? CA E 一體化的虛擬設計。即借助車身動力學模型進行靜動態分析、優化設計、結構修改、疲勞壽命及可靠性預測。而以上技術的關鍵是要依托現有車身制定符合工程精度的建模準則 , 以形成系統的建模經驗數據庫后 , 供工程師在開發新車時調用。

車身結構具有焊點數目多 ( 通常為幾千～ 上萬個 ) 、空間復雜曲面及幾何特征多等特點 , 受硬件條件限制要建立準確的車身模型極為困難。從 70 年代起 , 國內外各大汽車公司相繼對各種品牌的轎車 [1, 2]和大客車 [3] 建立了簡化模型 , 但對車身動力學模型精度至關重要的大量焊點和其他各種連接形式沒有詳細考慮 , 對車身典型結構 ( 如翻邊、凹凸槽、孔等 ) 簡化未做專門研究 , 因此 , 迄今為止 , 對車身建模主要憑借經驗和技巧 , 缺乏系統性、原則性 , 使車身建模精度難以掌握。

本文將在點焊連接界面特性模擬方法做深入研究的基礎上 , 對其他連接形式及結構特征制定簡化原則。并以依維柯輕型客車為對象建立整車車身有限元動力學模型 , 通過模態分析找出易開裂部位并與實際對比來驗證以上原則的正確性。

1 　車身鈑金件上點焊的模擬

電阻點焊是車身結構大量金屬板構件間的主要連接形式 , 分布于車身各部位 , 數量達上萬個。焊核形狀近似直徑為 4 ～ 6 mm 的圓柱形 , 間距在 40～ 80mm 之間 , 并以 50mm 左右居多。主要為搭接點焊或翻邊點焊 , 單排布置 , 承受剪力及偏心引起的附加拉應力。

根據單個焊點的受力特性 , 國內外文獻中提出了多種模擬方法 , 現列于表 1 中。

由表 1 可知 , 對單個焊點若用適當高度的塊單元模擬時 , 則可獲得較高的精度。但局部網格需要很密 , 且計算量大。而對大量均布、密集排列的焊點 , 在適當調整了焊點區板厚及材料參數后 , 則可用單層板模擬而建模效率高。為模擬點焊區相鄰構件在振動時的局部分離與接觸情況 , 則可用節點耦合法更為適宜。若通過試驗 , 在取得一定數據后 , 可用具有適當截面參數的梁單元做定量分析。

現用 AN SYS 軟件 , 對 2 塊長 500 mm 、寬 250mm 、厚 1 1 2 mm 、直徑 5 mm 、焊點個數為 6 、搭接寬度 15 mm 、均勻布置的單排點焊搭接為例 , 動態計算結果前三階如圖 1 和表 2 所示。

由表 2 所示可知 , 當搭接寬度占被連接件寬度比例較小時 ( 上例為 15 ? 250 ≈ 6% ), 則各種模擬方法動態分析結果基本相似。

為此 , 考慮到工程精度要求及建模效率 , 本文在建立依維柯輕型客車車身模型時依據以下原則 : 對危險區域先用粗網格試算 , 焊點用塊單元建立子結構后再局部細化 ; 對非危險區的焊點非密集處用節點耦合 ( 搭接比例 < 20% ) 或短梁 ( 搭接比例≥ 20% )模擬 , 焊點均布 , 焊點密集處根據不同焊點間距用不同厚度的單層板模擬。

2 　車身上其他各種典型結構及連接形式的模擬

（1）電弧焊手工電弧焊主要分布于地板與側壁、輪罩與地板、地板下橫梁兩端與地板、發動機罩與地板、側壁內骨架上的小翻邊和前圍及儀表板下方等連接處 ,其長短、形狀和間距無一定規律 , 受操作中隨機因素影響。

由于地板與周圍零件多采用手工電弧焊連接，在整車建模時把地板總成作為一個子結構處理。連接部位用主從自由度約束 , 以避免公差范圍內全部相鄰節點合并造成的結合面剛度過大，與實際誤差不符。而對于小翻邊橫梁與立柱之間的電弧焊則按剛性連接處理。

（2）螺栓連接螺栓連接位于車身與車架之間以及車頂框架與雨檐之間。由于螺栓是已知特性的彈性單元 , 只要安裝正常 , 不受橫向力 , 或不暴露于改變其特性的環境中 , 則可用彎曲的三維彈簧單元模擬。或用梁單元模擬及虛擬溫度使其預拉伸模擬預加載效果。

（3）翻邊翻邊結構在輕型客車車身上隨處可見 , 它便于零件定位、裝配及焊接 , 同時 , 也增加了零件的剛性。現以兩塊長 500 mm 、寬 150 mm 、厚 1 1 2 mm 、焊點直徑 6 mm 、焊點個數 11 的長翻邊點焊為例 , 與忽略翻邊情況對比分析，結果見表 3 、表 4 。

由表 4 可知 , 翻邊可以提高橫向 ( 沿焊點分布方向 ) 彎曲剛度和扭轉剛度 , 但縱向 ( 垂直焊點分布方向 ) 彎曲剛度則略有下降。

足工藝及裝配需要。對于直徑較小的孔 , 通常可忽略 , 但對于整車粗網格試算發現的應力集中部位 , 則應局部細化。為保證建模精度。尺寸較大的孔則不能忽略 , 但形狀上為方便建模計 , 可用近似多邊形代替。

（5） 凹凸槽凹凸槽在車身上主要起兩個作用 : 為增加結構剛度（如地板），和由于裝配工藝上的需要以避開相鄰零件 , 采用退讓結構而自然形成不規則的凹凸槽( 如前圍 ) 。

對于前圍上的各種奇形怪狀的凹凸結構 , 采用板殼單元為好 , 在保證關鍵點幾何坐標前提下適當作簡化。而對于地板上規則排列的凹凸槽結構 , 可根據試驗結果用板—梁組合單元模擬 , 以減少單元及節點數目。

（6）非承載件保險杠、擋風玻璃、蒙皮及內外裝飾等非承載構件 , 可考慮按集中質量加在整車模型的相應部位上。

3 　整車模型驗證

按照以上簡化原則 , 應用 AN SYS 軟件在大型工作站上 , 建立了 IV ECO 40 — 10 輕型客車車身有限元模型 , 模型共有 11 129 個單元、 8182 個節點、 22種實常數。模態分析計算結果列于表 5, 其中第 1 、 2 、4 、 6 階振型圖如圖 2 所示。

圖 2 　整車第 1 、 2 、 4 、 6 階振型圖

從振型圖上可以看出 , 車身前部具有較大剛性，而后部相對較弱。在典型的扭轉振型中節線均通過門框后上端處而產生應力集中，是該區域易產生裂紋的原因。另外，從車架橫彎模態可以看出，其前部剛度較小，當外界激勵激發該階模態時，由于車身側彎幅度小，導致車身與車架各自振動模態不協調而使前四個彈性支撐受力加大 , 從而導致發動機罩、儀表板等前圍零件在運行中出現開裂。前風窗框的局部振動振幅較大 , 導致風窗框開裂。這些與文獻 [4] 德國專家對 IV ECO 車身開裂試驗研究報告結論是相一致的。

4 　結論

用本文所提出的車身建模簡化原則建立的整車有限元模型 , 經模態分析結果所確定的車身上易開裂部位 , 與實際汽車運行時車身所產生的開裂部位相吻合。這一重要結論從一側面驗證了本文所建車身動力學模型的正確性。其重要意義在于一方面解決了所建車身動力學模型無法用整車車身動態試驗來驗證的困難。另一方面找到了車身動力學建模中對于點焊連接界面等動力學特性描述的新方法 , 通過所定原則可以順利地建立車身模型。而該模型對于新車身開發具有重要意義 , 為我國車身設計由經驗、類比、靜態向建模、動態、優化方向發展邁出了非常重要的一步。為新車身快速、經濟、高質量開發建立了一個良好的技術基礎。