实例干货||白车身扭转刚度优化
白车身扭转刚度优化实例
1.分析目的
白车身是整车的关键总成，在设计阶段为满足整车实际工况性能，车身应有足够的刚度，若刚度不足，会导致车身局部区域出现大的变形，从而影响了车的正常使用。车身刚度就是汽车车身抵抗可恢复变形的能力，刚度对整车的碰撞、NVH、操纵稳定有明显的影响。比如，刚度高的车身在碰撞中有明显提升；低刚度车身伴随有低的固有频率，在整车实际工况中易发生结构共振和异响。
本案例以某白车身为分析对象，利用有限元法，对其进行了扭转刚度分析。
2.使用软件说明
本次分析采用Hypermesh作前处理，Nastran作为求解器。
3. 有限元模型建立
对白车身CAD模型严格遵循网格划分标准进行有限单元网格划分，有限元模型如图3.1所示，网格划分标准如图3.2所示（详细标准参照整车网格前处理规范）。白车身所有零部件均采用壳单元进行划分，并尽量减少三角形数量，网格描述见表3.1。
图3.1 白车身有限元模型
单元类型 | 四边形 | 三角形 |
单元数目 | 456830 | 27534 |
焊点数目 | 5420 | |
焊点模拟 | 采用ACM焊点单元（rb3+solid） | |
粘胶模拟 | 采用adhesives粘胶单元（rb3+solid） | |
表3.1 网格描述
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图3.2 白车身网格划分标准
4. 白车身扭转刚度分析边界条件
4.1 白车身扭转刚度测试实况
实验台主要功能是在车身上进行加载，通过测点数值计算车身刚度，如图4.1。
图4.1 静态刚度试验台
4.2 有限元中扭转刚度边界条件
约束：前前减震器固定点自由度1，后减震器固定点自由度123。
载荷：前减震器固定点加载绕X轴旋转的扭2000N•m
前减震器处施加垂向向下的力1776N如图4.2。
图4.2 白车身扭转刚度分析边界条件
5.仿真分析结果
5.1 位移云图
通过分析得到扭转工况下左右前纵梁测量点Z向位移，左右后纵梁测量点Z向位移，来计算白车身在工况下的扭转刚度。
扭转工况下，白车身 Z 向变形如图5.1。
图5.1 白车身 Z 向变形图
5.2 分析结果
根据分析得到的位移数据，可以求出工况的扭转刚度。
扭转刚度计算公式：扭转刚度＝2000/{[arctan(│F1│+│F2│)/L1] -[arctan(│R1│+│R2│)/L2] }。
白车身工况下门槛处的 Z 向最大位移如表5.1。
左前纵梁处（ID=440535）的 Z 向最大位移（mm） | 左：-1.18 |
右前纵梁处（ID=400790）的 Z 向最大位移（mm） | 右：1.143 |
左后纵梁处（ID=48877）的 Z 向最大位移（mm） | 左：-0.024 |
右后纵梁处（ID=54243）的 Z 向最大位移（mm） | 右: 0.019 |
表5.1 最大位移
F1为左前纵梁的测量点Z向位移，F2为右前纵梁的测量点Z向位移，R1为左后纵梁的测量点Z向位移，R2为右后纵梁的测量点Z向位移，L1为F1监测点与F2监测点之间的距离，L2为R1监测点和R2监测点之间的距离。
白车身扭转刚度＝
2000/{[arctan(1.18+1.143)/923]-[arctan(0.024+0.019)/1096] }＝14084N/mm。不满足目标值，如表5.2。
分析项 | 目标值（N/mm） | 分析值（N/mm） | 判定结果 |
白车身扭转刚度 | 15000 | 14084 | 不合格 |
表5.2 刚度分析结果
5.3 监测点分析
本次分析在车身纵梁下部和门槛下部分布了一系列监测点，通过监测点的X坐标值和该点在车身扭转时产生的垂直变形量描绘扭转变形曲线。监测点如图5.2所示。
图5.2 白车身监测点位置
左前纵梁和右前纵梁监测点数值如表5.3。
X值 | 左前纵梁 | 右前纵梁 |
487.005 | -1.375 | 1.311 |
546.373 | -1.36 | 1.299 |
638.591 | -1.335 | 1.275 |
706.922 | -1.298 | 1.254 |
781.232 | -1.275 | 1.233 |
865.873 | -1.255 | 1.218 |
987.662 | -1.209 | 1.165 |
1130.527 | -1.104 | 1.072 |
表5.3 左右前纵梁监测点垂向变形量
左门槛梁和右门槛梁监测点数值如表5.4。
X值 | 左门槛梁 | 右门槛梁 |
1400.486 | -1.655 | 1.623 |
1470.53 | -1.614 | 1.583 |
1554.329 | -1.564 | 1.535 |
1640.987 | -1.515 | 1.488 |
1730.029 | -1.447 | 1.422 |
1867.502 | -1.364 | 1.342 |
1961.004 | -1.306 | 1.285 |
2081.643 | -1.232 | 1.213 |
2220.769 | -1.147 | 1.13 |
2347.715 | -1.068 | 1.053 |
2463.622 | -0.9939 | 0.9811 |
2564.875 | -0.9258 | 0.9134 |
2624.191 | -0.8901 | 0.879 |
2729.396 | -0.807 | 0.7972 |
2824.54 | -0.7217 | 0.7133 |
2969.058 | -0.5908 | 0.5873 |
3053.847 | -0.5063 | 0.5052 |
3145.294 | -0.4363 | 0.4362 |
表5.4 左右门槛梁监测点垂向变形量
左后纵梁和右后纵梁监测点数值如表5.5。
X值 | 左后纵梁 | 右后纵梁 |
3205.279 | -0.2558 | 0.2525 |
3310.721 | -0.1302 | 0.1302 |
3461.623 | -0.04912 | 0.04794 |
3567.056 | -0.02229 | 0.01997 |
3716.442 | -0.01745 | 0.02966 |
3875.321 | -0.04484 | 0.05197 |
3995.771 | -0.08711 | 0.1019 |
4122.592 | -0.1538 | 0.1767 |
4188.96 | -0.187 | 0.2172 |
表5.5 左右后纵梁考核点垂向变形量
5.4刚度曲线绘制
左侧扭转刚度曲线和右侧扭转刚度曲线如图5.3和图5.4。
图5.3 左侧扭转刚度曲线
图5.4 右侧扭转刚度曲线
白车身扭转刚度曲线和右侧扭转刚度曲线如图5.5。
图5.5 扭转刚度曲线
6．结论
通过上述计算结果可知：
1.白车身扭转刚度为 14084N/mm ，不满足目标要求。
2.从扭转变形曲线看，曲线无明显突变，扭转变形良好。
3.建议做局部零件调整，添加加强筋或更换材料。
7．刚度优化
7.1 优化分析
为提高扭转刚度数值结果，可简单等效为减少车身前纵梁Z向变形，结合变形云图很难直观的提出优化方案，考虑到结构受到载荷作用时，其结构会产生变形，载荷做的功会以应变能形式储存，应变能高的地方即代表对整体刚度有最大贡献量，在优化过程中着重提高应变能高的位置的零部件刚度，有助于提高车身整体刚度。
通过计算输出应变能如图7.1。
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图7.1 应变能
根据应变能云图得出对扭转刚度贡献最大的5处位置，分别如图7.2-7.6。
图7.2 应变能第一位置
图7.3 应变能第二位置
图7.4 应变能第三位置
图7.5 应变能第四位置
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图7.5 应变能第五位置
7.2 优化方案
根据应变能云图，结合整车开发过程中实际情况，确定优化方案。
方案一（根据应变能第一和第二位置确定）：将原2层焊替换为3层焊如图7.5-7.6。
图7.6 原方案
图7.7 优化方案一
方案一白车身 Z 向变形如图7.8。
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图7.8 优化方案一Z向位移图
方案二：在方案一的基础上，左右两边分别增加三个焊点。如图7.9。
图7.9 优化方案二
方案二：白车身 Z 向变形如图7.10。
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图7.10 优化方案二Z向位移图
方案二白车身 应变能如图7.11。
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图7.11 方案二应变能云图
方案三：在方案二的基础上，根据方案二的应变能云图，将左右前塔座从2mm变为2.5mm。如图7.12。
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图7.12 方案三
方案三白车身 Z 向变形如图7.13。
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图7.13 优化方案三Z向位移图
7.3 优化结论
根据优化方案确定测量点Z向变形，计算各方案的扭转刚度数值如表7.1。
表7.1 优化结论
方案 | 目标值（N/mm） | 分析值（N/mm） | 判定结果 |
原始方案 | 15000 | 14084 | 不合格 |
优化方案一 | 15000 | 14199 | 不合格 |
优化方案二 | 15000 | 14230 | 不合格 |
优化方案三 | 15000 | 15190 | 合格 |
采用优化方案三可满足扭转刚度目标值。
注：本案例实际优化过程有20多次，考虑到篇幅并未完全体现，本案例定位为做刚强度项目的朋友起到抛砖引玉之作用。实际优化中需要多方面进行综合考量，增重优化方案在没有其他方案的情况下选择实施。另排版问题请多关照。
