汽車車身結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(jié)構(gòu)動力學(xué)特性。為加快新車身開發(fā)速度、節(jié)約資金和提高質(zhì)量 , 其設(shè)計技術(shù)正由原來的經(jīng)驗、類比、靜態(tài)設(shè)計步入 CAD ? CA E 一體化的虛擬設(shè)計。即借助車身動力學(xué)模型進(jìn)行靜動態(tài)分析、優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)修改、疲勞壽命及可靠性預(yù)測。而以上技術(shù)的關(guān)鍵是要依托現(xiàn)有車身制定符合工程精度的建模準(zhǔn)則 , 以形成系統(tǒng)的建模經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫后 , 供工程師在開發(fā)新車時調(diào)用。

車身結(jié)構(gòu)具有焊點數(shù)目多 ( 通常為幾千～ 上萬個 ) 、空間復(fù)雜曲面及幾何特征多等特點 , 受硬件條件限制要建立準(zhǔn)確的車身模型極為困難。從 70 年代起 , 國內(nèi)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(xué)模型精度至關(guān)重要的大量焊點和其他各種連接形式?jīng)]有詳細(xì)考慮 , 對車身典型結(jié)構(gòu) ( 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(jīng)驗和技巧 , 缺乏系統(tǒng)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(chǔ)上 , 對其他連接形式及結(jié)構(gòu)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(xué)模型 , 通過模態(tài)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(jié)構(gòu)大量金屬板構(gòu)件間的主要連接形式 , 分布于車身各部位 , 數(shù)量達(dá)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(yīng)力。

根據(jù)單個焊點的受力特性 , 國內(nèi)外文獻(xiàn)中提出了多種模擬方法 , 現(xiàn)列于表 1 中。

由表 1 可知 , 對單個焊點若用適當(dāng)高度的塊單元模擬時 , 則可獲得較高的精度。但局部網(wǎng)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(dāng)調(diào)整了焊點區(qū)板厚及材料參數(shù)后 , 則可用單層板模擬而建模效率高。為模擬點焊區(qū)相鄰構(gòu)件在振動時的局部分離與接觸情況 , 則可用節(jié)點耦合法更為適宜。若通過試驗 , 在取得一定數(shù)據(jù)后 , 可用具有適當(dāng)截面參數(shù)的梁單元做定量分析。

現(xiàn)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(shù)為 6 、搭接寬度 15 mm 、均勻布置的單排點焊搭接為例 , 動態(tài)計算結(jié)果前三階如圖 1 和表 2 所示。

由表 2 所示可知 , 當(dāng)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(tài)分析結(jié)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(jù)以下原則 : 對危險區(qū)域先用粗網(wǎng)格試算 , 焊點用塊單元建立子結(jié)構(gòu)后再局部細(xì)化 ; 對非危險區(qū)的焊點非密集處用節(jié)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(jù)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(jié)構(gòu)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(cè)壁、輪罩與地板、地板下橫梁兩端與地板、發(fā)動機罩與地板、側(cè)壁內(nèi)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(guī)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(jié)構(gòu)處理。連接部位用主從自由度約束 , 以避免公差范圍內(nèi)全部相鄰節(jié)點合并造成的結(jié)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(huán)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(yù)拉伸模擬預(yù)加載效果。

（3）翻邊翻邊結(jié)構(gòu)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(xiàn)以兩塊長 500 mm 、寬 150 mm 、厚 1 1 2 mm 、焊點直徑 6 mm 、焊點個數(shù) 11 的長翻邊點焊為例 , 與忽略翻邊情況對比分析，結(jié)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(zhuǎn)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?？珊雎?, 但對于整車粗網(wǎng)格試算發(fā)現(xiàn)的應(yīng)力集中部位 , 則應(yīng)局部細(xì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)而自然形成不規(guī)則的凹凸槽( 如前圍 ) 。

對于前圍上的各種奇形怪狀的凹凸結(jié)構(gòu) , 采用板殼單元為好 , 在保證關(guān)鍵點幾何坐標(biāo)前提下適當(dāng)作簡化。而對于地板上規(guī)則排列的凹凸槽結(jié)構(gòu) , 可根據(jù)試驗結(jié)果用板—梁組合單元模擬 , 以減少單元及節(jié)點數(shù)目。

（6）非承載件保險杠、擋風(fēng)玻璃、蒙皮及內(nèi)外裝飾等非承載構(gòu)件 , 可考慮按集中質(zhì)量加在整車模型的相應(yīng)部位上。

3 　整車模型驗證

按照以上簡化原則 , 應(yīng)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(jié)點、 22種實常數(shù)。模態(tài)分析計算結(jié)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(zhuǎn)振型中節(jié)線均通過門框后上端處而產(chǎn)生應(yīng)力集中，是該區(qū)域易產(chǎn)生裂紋的原因。另外，從車架橫彎模態(tài)可以看出，其前部剛度較小，當(dāng)外界激勵激發(fā)該階模態(tài)時，由于車身側(cè)彎幅度小，導(dǎo)致車身與車架各自振動模態(tài)不協(xié)調(diào)而使前四個彈性支撐受力加大 , 從而導(dǎo)致發(fā)動機罩、儀表板等前圍零件在運行中出現(xiàn)開裂。前風(fēng)窗框的局部振動振幅較大 , 導(dǎo)致風(fēng)窗框開裂。這些與文獻(xiàn) [4] 德國專家對 IV ECO 車身開裂試驗研究報告結(jié)論是相一致的。

4 　結(jié)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(jīng)模態(tài)分析結(jié)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(chǎn)生的開裂部位相吻合。這一重要結(jié)論從一側(cè)面驗證了本文所建車身動力學(xué)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(xué)模型無法用整車車身動態(tài)試驗來驗證的困難。另一方面找到了車身動力學(xué)建模中對于點焊連接界面等動力學(xué)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(fā)具有重要意義 , 為我國車身設(shè)計由經(jīng)驗、類比、靜態(tài)向建模、動態(tài)、優(yōu)化方向發(fā)展邁出了非常重要的一步。為新車身快速、經(jīng)濟、高質(zhì)量開發(fā)建立了一個良好的技術(shù)基礎(chǔ)。