轻型客车白车身刚度试验和仿真分析
轻型客车白车身刚度试验和仿真分析
轻型客车白车身的刚度是整车开发设计过程中必不可少的环节，汽车合理的刚度将使汽车的整体性能指标得到全面的提高。本文以某轻型客车白车身为研究对象，通过试验和仿真分析相结合的方法，对其弯曲刚度和扭转刚度进行了详细研究。
1. 前言
目前汽车的开发和优化设计已由经验、类比、静态设计方法，进入基于CAD/CAE技术的建模、静动态分析、动态参数优化阶段，并向基于计算机平台的虚拟设计发展。其中白车身的弯曲刚度和扭转刚度是整车开发设计过程中必不可少的环节，汽车合理的刚度将使汽车的整体性能指标得到全面的提高。
汽车在正常的行驶过程中，会因受到路面冲击、发动机振动激励以及传动系统振动等各种不同振动源的激励而产生振动。对于经常需要长时间连续行驶的货车驾驶室，能否为驾驶员提供一个相对舒适的驾驶环境，以及相对较长的疲劳寿命，是不能忽视的问题。
白车身刚度的研究是汽车开发的重要指标之一。车身刚度有两类，即静态刚度和动态刚度，通过白车身静、动态特性试验，能够确定仿真分析条件，得到白车身的结构参数，从而提高新车型开发的效率。
2. 轻型客车白车身刚度试验方法
2.1 弯曲刚度试验
白车身刚度试验模型包括前挡风玻璃和侧围玻璃，副车架和白车身。制作工装夹具，包括1根刚性梁、2块压板、4个十字节、若干个安装板。约束前段左右塔型支承处和后端纵梁限位块安装点处。前段的2个十字节，一端与左右塔型支撑连接，另一端连接安装板并固定所有自由度。后端的2个十字节，一端与限位块安装点连接，另一端连接安装板并固定所有自由度。在前后轴中间位置处，通过滑门和左侧围贯穿一根刚性梁，在刚性梁两端加载力。
加载时两边通过配重砝码产生向下拉力载荷，载荷分四挡施加，第一次左右两边各施加100kg，第二次左右两边各施加150kg，第三次左右两边各施加250kg，第四次左右两边各施加350kg（重复加载四次）。测点：左右纵梁各10个点，共20个点；前风窗2个，发动机罩2个和左前门洞3，右前门洞3个，滑门3个，后背门4个，共17个点；测点合计37个点；测量记录车身的变形量、前风窗玻璃、发动机罩开口、四个门洞开口变形量，如图1所示。
白车身弯曲刚度计算公式如下：
[Kwan=Wd]（N/mm）
式中，W为所施加的总载荷；d为纵梁中部的最大变形量。
试验加载载荷和测量点变形曲线见图2。
2.2 扭转刚度试验
白车身扭转刚度试验见图3，其中试验样件同弯曲刚度试验。约束和加载不同于弯曲刚度测试试验，纵梁限位块安装点处与夹具采用十字节。在前段左右塔型支承处分3次加载，第一次加载1000N·m，第二次加载2000N·m，第三次加载3000N·m，每次加载重复3次，保证试验的准确性。
测点与弯曲刚度的测点保持一致。试验过程中，如果前加载，则在前段左右塔型支承下方放置工装夹具。该工装可以绕X轴旋转，一侧通过丝杠位移，实现一端向上顶，一端向下压。在塔型支承的下方夹具上贴力传感器，当加载到2331N，停止加载。
白车身扭转刚度按下式计算：
[Kniu=M[dfl+dfrYf−drl+drrYr]180π]（N·m/（°））
式中，M为所施加力矩；dfl、dfr为前段左右塔型支承处附近纵梁变形量绝对值；drl、drr为后端左右纵梁限位块处变形量绝对值；Yf、Yr为前轴、后轴支撑处左右纵梁的距离。
前扭转顺时针加载3000N·m测量点变形曲线见图4。
3. 刚度仿真分析
3.1 弯曲刚度仿真分析
仿真模型与试验对标保证“三个一致”：
a. 模型一致。在设计过程中，CAE工程师有多版数模，CAD设计也因为各种原因局部增加或减少加强板、钣金料厚。检查数据的一致性。
b. 刚性梁和压块的位置和试验一致。
c. 测点位置一致。
白车身弯曲刚度仿真结果见图5。
3.2 扭转刚度仿真分析
保证仿真模型和试验样件一致，测点位置一致。扭转刚度仿真分析模型见图6。约束和加载同试验，白车身前扭转逆时针仿真结果见图7。
4. 试验与仿真对标分析
4.1 弯曲刚度对标分析
弯曲刚度试验分四次加载，试验值和仿真值见表1。当加载6860N，试验纵梁最大点平均变形量为1.64mm，弯曲刚度为4183N/mm。仿真分析加载6860N，加载压块与地板采用RBE2连接，纵梁相应测点最大点平均变形量为1.45mm，误差为13%。取消加载压块，直接在压块与地板接触的区域采用RBE2连接，在主节点加载力，纵梁相应测点最大点平均变形量为1.45mm，误差为13%，说明用压块贯穿刚性梁与直接在区域加载力效果一致。将RBE2改为RBE3时，纵梁相应测点最大点平均变形量为1.51mm，误差为8.6%。REB2连接时，增加了局部的刚性，误差更大。从弯曲刚度试验和仿真分析知，左纵梁变形量大于右纵梁变形量，由于右边为门槛处，刚性比左侧好。
4.2 扭转刚度对标分析
扭转刚度试验过程中，有前扭转顺时针和逆时针，后扭转顺时针和逆时针，试验值和仿真值见表2。通过对标分析，前扭转顺时针误差9.8%，当副车架与纵梁螺栓连接，夹具与限位块螺栓连接都考虑接触时，前扭转顺时针误差减小到7.2%，前扭转逆时针误差8.6%，后扭转顺时针误差7.8%，后扭转逆时针误差0.1%。结合试验和仿真，顺时针和逆时针扭转刚度值差异不大，虽然左右侧围不对称，但对扭转刚度仿真结果无影响。
通过仿真分析中若约束板簧前吊耳安装处，前扭刚度值是约束纵梁上限位块处刚度值的1.4倍左右。因此设定目标要注意边界条件一致，再对比刚度值。若两纵梁的间距加大，后扭转刚度值增大。纵梁单边向侧围加大170mm间距，后扭转刚度增加18%左右。因此在底盘布置允许的情况下，两纵梁开度越大，扭转刚度越大。但是弯曲刚度下降了5%，需权衡两个指标。
后期仿真分析扭转刚度时，只需选择一种，前扭和后扭有差异，分别考察了前段塔型支撑处的刚度和后段限位块处的刚度。扭转工况计算一般模拟试验工况，采用前加载、后支撑方式，故采用仿真分析前扭转刚度。
5. 结语
本文通过白车身弯曲和扭转刚度试验与仿真分析发现，弯曲刚度误差为8.6%，扭转刚度误差为10%以下。确定仿真和试验的误差后，在后续开发新车型中考虑了误差系数，固化仿真分析方法，提高了效率，缩短了开发周期，保证了提高市场竞争力。
参考文献：
[1] 谭继锦. 汽车结构有限元分析[M]. 北京：清华大学出版社，2009.