來源：Altair論文集    作者：陸志成      

關鍵字：OptiStruct  ACM焊點  白車身模態  扭轉剛度  彎曲剛度  

本文首先從焊點對單個零件的影響進行分析，包括焊點類型及焊點等效方法的研究，通過與實驗進行對標，從而定義合理的焊點模擬形式，并將該焊點模擬形式及等效形式應用于整個白車身，分析其模態、彎曲剛度及扭轉剛度。

1 引言

    汽車在不同的路面上行駛時，需要承受各種載荷的作用。車身剛度性能的好壞會直接影響汽車的行駛性能，例如，剛度不足會影響到車廂的密封性能，及汽車的NVH性能，甚至會影響到碰撞性能，因為汽車發生碰撞時，過大的車身變形會造成車門卡死、玻璃破碎等現象，進而威脅到駕駛艙中人員的安全。所以，車身結構剛度是車身性能評價的一個非常重要的指標。

    在CAE領域，一個系統的研究涉及的工況較多，有時需要建立多套CAE網格模型，需要很多的人力成本、建模成本，模型管理起來也不方便。本文首先從焊點對單個零件的影響進行分析，包括焊點類型及焊點等效方法的研究，通過與實驗進行對標，從而定義合理的焊點模擬形式，并將該焊點模擬形式及等效形式應用于整個白車身，分析其模態、彎曲剛度及扭轉剛度。

2 焊點類型的研究

    轎車的白車身主要由大量的覆蓋件焊接而成，在CAE分析中，焊點的模擬方式種類很多，常用的焊點模擬類型有RBE2、BAR、CWELD、ACM，而選擇不同的焊點模擬方式得到的仿真結果是有差異的。因此，首先建立一個簡單的梁模型，通過14個焊點連接，網格尺寸大小采用20×20mm，仿真模型如圖1所示，比較4種焊點的結果差異，從表1中可知，20×20mm的網格，ACM與實驗值對標最好，后續分析將基于ACM焊點類型進行研究。

 

圖1 仿真模型

表1 不同焊點類型的結果比較

 

3 等效ACM焊點研究

    建立合理和準確的有限元仿真模型是保證正確仿真結果的前提條件。三維幾何模型在進行有限元網格劃分時，網格尺寸的選擇會依據分析工況及企業（或個人）的常用標準而不同，常見的網格尺寸主要包括3×3mm，5×5mm，10×10mm及20×20mm四類。

    根據以往的經驗，白車身模態及整體剛度的有限元仿真計算時，采用20×20mm的網格尺寸，其仿真結果與實驗對標較好。但在實際計算中，5×5mm的網格尺寸應用較多，因此可以采用ACM焊點等效的思路，基于5×5mm網格尺寸來獲得20×20mm 的網格尺寸的仿真結果，進而達到利用一套網格計算多個工況的目的，為后續網格工作減少工作量。

    ACM焊點等效的原則是焊點的影響區域要與20×20mm網格焊點影響區域一致，首先保持焊點的剛度值不變，然后對焊核直徑及彈性模量進行等比例的縮放。

    在前處理軟件HyperMesh建立如圖2所示所示的模型，模型的網格尺寸為5×5mm，對焊點進行處理，將焊核直徑放大四倍到20mm，彈性模量同樣進行一定比例的縮放。針對20mm×20mm網格模型，焊點直徑為4mm，影響區域為一個網格單元，面積為400mm²；5×5mm網格模型，同樣直徑的焊點影響區域為4個網格單元，面積只有100mm²；經過焊點等效后的5×5mm網格模型影響區域為16個網格單元，面積為400mm²，焊點的影響區域與20mm網格模型一致。針對不同尺寸的模型，通過OptiStruct求解器求解計算模態值，利用HyperView查看模態結果，表2給出了5×5mm等效焊點的前5階模態仿真值，與實驗值的最大差異為4.45%，表明等效ACM焊點的正確性。

 

圖2 焊點等效模型

表2 焊點等效的結果比較

 

4 等效ACM焊點對白車身模態及剛度的影響研究

    本研究是基于上述的研究結果，在HyperMesh中建立某車型的白車身網格模型，采 用5mm×5mm的網格，利用等效的ACM焊點進行建模，某轎車的白車身有直徑為4mm及6mm兩種焊點，等效后的4mm及6mm焊點直徑為20mm及30mm，保持焊點的拉伸剛度不變，彈性模型由210000GPa變為8400GPa，如圖3所示，對該轎車的白車身有限元模型進行包括模態、扭轉剛度及彎曲剛度分析。

 

圖3 白車身模型

    4.1 白車身模態分析

    汽車行駛在不同的路面上，會受到外界的沖擊作用，當外界的激勵頻率接近或達到白車身局部或整體的固有頻率時，會使車身件發生共振，產生噪音，影響其舒適性，嚴重時會引起車身件的振動疲勞破壞。因此，有必要對白車身進行模態響應分析，特別是一階整體扭轉模態，進而根據標準要求或經驗對模態進行評價，避免共振的發生。

    一階扭轉模態是白車身關注的重要模態，企業標準要求一階扭轉模態大于43Hz。為了提高計算效率，將模態頻率設定在0-50Hz范圍內，利用Nastran線性分析軟件進行該白車身的有限元模態分析，經計算得到的一階扭轉模態為44.09Hz，結果如下圖4所示。

    實驗采用多點激振、多點響應的方法提取白車身的模態。用軟繩在前懸架支承區域和后保險杠防撞梁區域將車身懸吊起來。在白車身區域選取激勵點，同時對x、y、z三個方向分別進行激勵，并測試出激勵點處x、y和z向的加速度響應，計算傳遞函數，對傳遞函數求平均，進行模態定階。實驗測得一階扭轉模態值為43.6Hz，振型如圖4所示。

    一階扭轉模態的仿真值為44.09Hz，實驗值為43.6Hz，誤差不超過2％，對標性較好。基于5×5mm的網格采用等效acm焊點模型可以用于白車身的模態計算。

 

圖4 白車身模態分析及實驗結果

    4.2 白車身扭轉剛度分析

    汽車行駛在凸凹不平的路面時，車身將產生扭轉變形。扭轉剛度(K)用于表示車身抵抗扭轉載荷的能力，用式(1)進行計算，車身扭轉剛度通常用車身扭轉角來衡量。

 

    式中：M為所施加的力矩，M=1000N·m；

    d_fl，d_fr分別為前懸架支撐處變形量絕對值；

    d_rl，d_rr分別為后懸架支撐處變形量絕對值；

    Y_f，Y_r分別為前軸、后軸懸架支撐處的距離。

    利用專業的前處理軟件HyperMesh，采用慣性釋放的方法，在前后懸架支撐處均施加1000N·m的力矩，輸出縱梁Z方向的變形。仿真計算得到最大扭轉角在前部，相對扭轉角為0.76mrad，扭轉剛度為22680N·mm/deg。如圖5所示，圖中橫坐標為車身縱梁的X坐標，縱坐標為各測量點的扭轉角度。

    扭轉剛度實驗邊界為后部連接處完全固定，無自由度；前部通過三角支架與臺架的橫梁剛性鉸接，橫梁在YZ平面內可以自由旋轉。選擇測量點的位置時，盡量選能體現總體剛度的部位，根據要求并結合經驗在左右縱梁下布置了30個位移測點，使用百分表測量各測點的Z向位移情況，如圖5所示。先按最大載荷預加載，卸載后分級施加載荷，加到最大載荷后再分級卸載，升程、回程都讀取位移值，取其平均值。實驗測得的扭轉剛度值為22000N·mm/deg。

    從上面結果可知，扭轉剛度的仿真值與實驗值誤差在2％以內，對標性較好。基于5×5mm的網格采用等效acm焊點模型可以用于白車身的扭轉剛度計算。

 

圖5 白車身扭轉剛度分析及實驗結果

    4.3 白車身彎曲剛度分析

    汽車行駛在凸凹不平的路面時，車身也將產生彎曲變形。彎曲剛度(K)用于表示車身抵抗彎曲載荷的能力，用式(2)進行計算。車身彎曲剛度通常用縱梁最大垂直撓度來衡量。

 

    式中：∑F為車身所受的垂直外載荷；

    D_Z（mid lh），D_Z（mid rh）分別為為中部左右兩端的Z向變形；

    D_Z（fr lh），D_Z（fr rh）分別為前端左右兩端的Z向變形；

    D_Z（rr lh），D_Z（rr rh）分別為后端左右兩端的Z向變形。

    通過前處理軟件HyperMesh建立彎曲剛度計算模型，其中，對后懸架彈簧支座區域3個平動自由度（XYZ方向）進行約束，對前懸架彈簧支座區域1個平動自由度（Z向）進行約束；在前后座椅H點分別施加1667N的力，從而輸出縱梁Z方向的變形。仿真計算模型及仿真曲線如圖6所示，曲線圖中，橫坐標表示車身縱梁的X坐標，縱坐標表示各測量點的垂直方向變形量。

    彎曲剛度實驗邊界為將白車身的前后、左右懸置點部位放置在支撐柱和支撐座上。支撐柱置于實驗平板之上，并用壓板固緊。加載點位于前、后座椅H點前（-X方向）200mm的門檻處。在加載點的正上方放置與待試白車身相對應的加載塊，在加載裝置液壓缸伸出的活塞桿的前端安裝帶有平面的接頭，安裝加載裝置使液壓缸活塞桿的軸線與加載塊上平面垂直，使活塞桿接頭平面與加載塊上平面吻合。幾個活塞桿作動器的載荷從零緩慢增加，應確保在實驗加載時段的任一時刻每個作動器的載荷是相等的。當每個加載點的力等于1667N時，保持每個加載點的力不變，測量開始，測量完成后卸載。

    在左、右門檻鉛垂方向變形可能最大的中間部位安裝百分表，在左右縱梁其它地方分別安裝12個百分表，在加載過程中測量變形情況，記錄加載力等于1667N時縱梁的變形量f，實驗如圖6所示。

    彎曲剛度實驗結果為40989N·mm/deg和CAE分析結果為39500N·mm/deg，誤差在5%以內，基于5×5mm的網格采用等效acm焊點模型可以用于白車身的彎曲剛度的計算。

 

圖6 白車身彎曲剛度分析及實驗結果

5 總結

    本文對焊點類型進行了研究，找出合理的焊點等效方法，并應用于汽車白車身的分析，將CAE分析值與實驗方法獲得的實驗值進行比較，得出基于5×5mm的網格采用等效acm焊點模型計算的白車身模態、扭轉剛度及彎曲剛度值與實驗值之間的誤差均在5%以內，一致性較好。研究結果對于指導白車身的設計與開發工作有參考價值，也有助于縮短開發周期。

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