那景新，袁 正，賀午陽，慕文龍

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

2016200

一種車身局部模塊剛度貢獻(xiàn)度的評價方法*

那景新，袁 正，賀午陽，慕文龍

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

為更好地指導(dǎo)車身結(jié)構(gòu)中各局部模塊剛度的設(shè)計，提出了一種車身局部模塊剛度貢獻(xiàn)度的評價方法。首先建立車身結(jié)構(gòu)的整體仿真模型，并根據(jù)車身結(jié)構(gòu)性能的要求，將車身結(jié)構(gòu)整體分解成若干個局部模塊。然后通過給各局部模塊的剛度一個適當(dāng)?shù)母淖兞?，考察整車結(jié)構(gòu)剛度的變化，并計算各局部模塊的剛度貢獻(xiàn)度和材料剛度利用率。最后將它們作為評價參數(shù)對各局部模塊的剛度貢獻(xiàn)情況進(jìn)行有效評價。將該評價方法應(yīng)用于某12m承載式客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，以最大化扭轉(zhuǎn)剛度為目標(biāo)對車身各局部模塊進(jìn)行了剛度評價與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后在骨架質(zhì)量略有下降的前提下，整車結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度提高了22%，驗證了本文方法的有效性。

車身；局部模塊；剛度；貢獻(xiàn)度

前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，汽車已成為當(dāng)前極為重要的交通運輸工具[1]。在擴(kuò)大汽車的服務(wù)領(lǐng)域和滿足各方面多樣化要求的前提下，作為汽車三大總成之一的車身已越來越處于主導(dǎo)地位[2]。

隨著車身新材料的應(yīng)用和模塊化進(jìn)程的發(fā)展，在進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計時，需要對車身各局部模塊中的桿件規(guī)格和結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行獨立設(shè)計[3-5]?？紤]到車身是一個大型空間超靜定結(jié)構(gòu)，其各局部模塊中的構(gòu)件存在相互的耦合關(guān)系[6-7]，因而在進(jìn)行模塊化設(shè)計時，面臨的設(shè)計變量往往是多元而非單一的。

剛度作為評價車身承載性能的重要指標(biāo)決定了車身結(jié)構(gòu)的布置形式[8]。然而在進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計時，現(xiàn)有的剛度評價方法只能考察整車結(jié)構(gòu)的剛度值，無法對車身各局部模塊的剛度進(jìn)行評價?，F(xiàn)有的靈敏度分析等仿真方法也只能考察某些構(gòu)件中的某幾個設(shè)計變量對整車剛度的影響，且操作流程復(fù)雜繁瑣，無法快速有效地應(yīng)用到車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計之中[9-10]。設(shè)計人員在缺少相應(yīng)設(shè)計指導(dǎo)的情況下，只能依靠經(jīng)驗在整車結(jié)構(gòu)中對各局部模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合迭代設(shè)計。這樣的設(shè)計模式往往導(dǎo)致車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計周期過長，且某些局部模塊的材料利用率過低，不利于提高車身的性能與輕量化程度。基于上述問題，本文中提出一種車身局部模塊剛度貢獻(xiàn)度的評價方法，通過對車身各分總成及局部模塊的剛度貢獻(xiàn)度進(jìn)行評價，可使設(shè)計人員有針對性地對各局部模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，使車身結(jié)構(gòu)整體性能的分配更加合理，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量且改善車身結(jié)構(gòu)性能的目標(biāo)。

1 模型建立與試驗驗證

本文中基于某12m承載式客車車身結(jié)構(gòu)，以車身扭轉(zhuǎn)剛度為例對本文的評價方法進(jìn)行研究。建立車身結(jié)構(gòu)的梁-殼混合模型[11]如圖1所示，共包含28 779個節(jié)點、10 038個梁單元和18 544個殼單元。車身結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表1所示。

密度/(kg·m-3)泊松比彈性模量/MPa屈服極限/MPa78000.32.06×105235

對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸間扭轉(zhuǎn)剛度計算時的邊界條件如下：不施加任何外部載荷，在前懸架左氣簧支點處施加沿車身坐標(biāo)系Z軸向上的5mm位移，前懸架右氣簧支點處施加沿車身坐標(biāo)系Z軸向下的5mm位移(注：理論上車身的扭轉(zhuǎn)剛度計算與加載的位移量大小無關(guān)，但是在實際仿真過程中，采用不同的位移量進(jìn)行加載，計算結(jié)果會存在較小的差別，本文中經(jīng)過多次試算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選用5mm的位移量進(jìn)行加載時，車身結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平與整車在實際工況下的應(yīng)力水平較為接近，且此時車身的扭轉(zhuǎn)角與單輪懸空工況下的車身扭轉(zhuǎn)角也近似一致，因此本文中選擇了5mm的位移量進(jìn)行加載)，后橋約束所有的平動自由度，如圖2所示。圖中1，2，3分別代表沿車身坐標(biāo)系X，Y，Z軸方向的平動自由度。通過有限元計算，獲得施加強(qiáng)制位移所產(chǎn)生的力矩及斷面扭轉(zhuǎn)角度θ，以式(1)計算車身的扭轉(zhuǎn)剛度值，計算結(jié)果為：KT=4.836×104N·m/(°)。

KT=MT/θ

(1)

圖2 扭轉(zhuǎn)剛度計算邊界條件示意圖

對仿真模型進(jìn)行試驗驗證，試驗現(xiàn)場如圖3所示。設(shè)計前后支架，在前后車橋處將車身支撐起來，并在車身骨架的前支架左、右支撐點下方各加裝一個壓力傳感器。在前支架右側(cè)傳感器下用千斤頂加載，通過壓力傳感器將左、右加載載荷的大小顯示出來，并計算施加的轉(zhuǎn)矩MT；同時在前、后支架的左、右支撐點上方附近各安裝一塊百分表，測量相應(yīng)點的位移變化，以計算斷面扭轉(zhuǎn)角度θ。

圖3 車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗現(xiàn)場

2 車身局部剛度貢獻(xiàn)度的定義

(2)

式中：K為車身整體剛度；K(i)為車身各局部模塊剛度。

當(dāng)車身各局部模塊的剛度均發(fā)生相同比例λ的微小改變時，ΔK(i)=λK(i)(i=1，2，…，n)，此時有

(3)

當(dāng)僅將局部模塊j的剛度改變ΔK(j)時,令ΔK(j)=λK(j)，此時車身整體剛度的改變量為ΔKj；當(dāng)λ→0時，則有ΔKj→ΔK(j)，此時令Rj=ΔKj/ΔK，則有

Rj=ΔKj/ΔK→ΔK(j)/ΔK=

λK(j)/λK=K(j)/K

(4)

本文中將λ→0時的Rj定義為車身局部模塊j對整車剛度的貢獻(xiàn)度。

考慮到車身各局部模塊中桿件的數(shù)量與截面尺寸各不相同，因此各模塊質(zhì)量也存在較大差距。為了更加客觀合理地指導(dǎo)各局部模塊的剛度目標(biāo)設(shè)計，本文中進(jìn)一步將模塊質(zhì)量引入剛度評價，將各模塊單位質(zhì)量的剛度貢獻(xiàn)度(將其定義為材料的剛度利用率)作為另一個指導(dǎo)剛度設(shè)計的評價參數(shù)。

材料剛度利用率Vj的計算公式為

Vj=Rj/mj

(5)

式中mj為各模塊質(zhì)量。

3 車身局部剛度貢獻(xiàn)度的評價方法

3.1 車身各分總成模塊的剛度貢獻(xiàn)度評價

客車車身結(jié)構(gòu)的分總成如圖4所示。依次將各分總成的桿件彈性模量E增加1%的微小改變量(由于有限元仿真方法中所采用的數(shù)值計算存在舍入誤差，因此彈性模量的改變比例不能過小，經(jīng)反復(fù)推敲驗證，本文中將其設(shè)定為1%)，并對各分總成的剛度貢獻(xiàn)度評價參數(shù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表2所示。

1—車身前圍；2—車身后圍；3—車身左側(cè)圍； 4—車身右側(cè)圍；5—車身頂蓋；6—車身底架。 圖4 車身結(jié)構(gòu)各分總成的分解示意圖

項目Rj/%mj/kgVj/kg-1前圍6.24213.232.93E-04后圍0.4265.266.37E-05左側(cè)圍18.09266.056.80E-04右側(cè)圍18.09298.436.06E-04頂蓋13.31254.395.23E-04底架43.872035.612.15E-04

由表2中數(shù)據(jù)可知：(1)針對整車扭轉(zhuǎn)剛度，車身左、右側(cè)圍的材料剛度利用率最高，是剛度設(shè)計的關(guān)鍵部位；(2)底架對整車扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)度最大，但材料的剛度利用率相對較低，且底架的質(zhì)量占比最大因而存在較大的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和輕量化空間；(3)∑Rj≈1，這也進(jìn)一步驗證了將λ→0時的Rj定義為車身局部模塊j對整車剛度貢獻(xiàn)度的正確性。

3.2 車身底架各功能模塊的剛度貢獻(xiàn)度評價

為了有針對性地對車身底架進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，還需進(jìn)一步考察底架結(jié)構(gòu)中各功能模塊對整車扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)情況?？紤]到車身軸間結(jié)構(gòu)是整車扭轉(zhuǎn)剛度的主要貢獻(xiàn)者，如圖5所示，本文中根據(jù)車身硬點尺寸與主要質(zhì)量安裝點的設(shè)計要求將車身底架的軸間部分分解為7個模塊(其中包括3個橫向斷面模塊和4個斷面間模塊)。

圖5 車身底架結(jié)構(gòu)的模塊分解示意圖

依次將各模塊的桿件彈性模量E增加1%的微小改變量，并對各模塊的剛度貢獻(xiàn)度評價參數(shù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 車身底架各模塊的剛度貢獻(xiàn)評價列表

由表3中數(shù)據(jù)可知：(1)底架模塊1和模塊7對整車扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)度最大，且材料剛度利用率最高，是扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計的關(guān)鍵部位；(2)底架模塊5與模塊6的質(zhì)量占比最大，而模塊5的材料剛度利用率相對較低，存在較大的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和輕量化空間。

3.3 評價方法指導(dǎo)下的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)3.1和3.2節(jié)中對車身各分總成及局部模塊的剛度貢獻(xiàn)進(jìn)行評價，確定以下的模塊優(yōu)化設(shè)計方向：

(1)對車身左、右側(cè)圍的軸間結(jié)構(gòu)及底架模塊1、模塊7進(jìn)行適當(dāng)?shù)貜?qiáng)化設(shè)計；

(2)對底架模塊5進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾喕O(shè)計。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖見圖6，具體的優(yōu)化設(shè)計方案如下：

(1)左、右側(cè)圍：在油箱艙艙口處增加活動斜撐；調(diào)整第4與第5封閉環(huán)之間斜撐的數(shù)量與布置形式；

(2)底架模塊1：增加油箱艙斷面的斜撐數(shù)量并改變其布置形式；

(3)底架模塊7：增加踏步內(nèi)側(cè)斜撐，改變部分桿件的布置形式；

(4)底架模塊5：調(diào)整行李艙地板的斜撐布置形式，對部分桿件的截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化后的整車扭轉(zhuǎn)剛度KT=59 079N·m/(°)，相比初始結(jié)構(gòu)提高了22%；同時整車骨架質(zhì)量相比初始結(jié)構(gòu)下降0.3kg，骨架質(zhì)量基本保持不變。

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 方法流程

基于上述研究成果，對本文中提出的車身局部剛度貢獻(xiàn)度的評價方法進(jìn)行總結(jié)。圖7為本文中評價方法的流程示意圖。

圖7 流程示意圖

4 結(jié)論

本文中提出了一種車身局部剛度貢獻(xiàn)度的評價方法，并基于某12m承載式客車車身結(jié)構(gòu)，對本文的評價方法進(jìn)行研究。研究表明：利用本文的評價方法可以快速獲得車身各模塊對整車剛度的貢獻(xiàn)情況，再綜合考慮各模塊的材料剛度利用率，可以有效地對車身的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與輕量化設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)，使車身結(jié)構(gòu)整體性能的分配更加合理，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量且改善車身剛度性能的目標(biāo)。由于篇幅的關(guān)系，本文中僅以客車車身的扭轉(zhuǎn)剛度為例對該評價方法進(jìn)行敘述。除此之外，本文的評價方法還可應(yīng)用到其他車型的各個剛度目標(biāo)(如整車垂向彎曲剛度、整車側(cè)向彎曲剛度等)設(shè)計之中，具有較高的實際工程意義。

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An Evaluation Method for the Degree of Contribution of Local Modules to Vehicle Body Stiffness

Na Jingxin, Yuan Zheng, He Wuyang & Mu Wenlong

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

For better guiding the stiffness design of each local module of vehicle body structure, an evaluation method for the degree of stiffness contribution of local body modules is proposed. Firstly, the entire simulation model for vehicle body structure is established, and the whole body structure is disassembled into several local modules according to the requirements of body structure performance. Then the variation of whole body structure stiffness is investigated when each local module is given a reasonable change in stiffness, and the degree of stiffness contribution and the material stiffness utilization ratio of each module are calculated, which are finally taken as evaluation parameters to effectively evaluate the stiffness contribution of each local module. The evaluation method is applied to a 12-meter bus with unitary body structure to conduct stiffness evaluation and structure optimization for each local module with maximizing vehicle torsional stiffness as objective. As a result, the torsional stiffness of vehicle structure increases by 22% with the mass of vehicle skeleton slightly lowering, verifying the effectiveness of the method proposed.

vehicle body; local modules; stiffness; degree of contribution

*國家自然科學(xué)基金(51375201)資助。

原稿收到日期為2016年5月30日，修改稿收到日期為2016年7月2日。