论某白车身静态刚度对动态刚度与正碰性能的影响

刘莹，苏阳，赵永波，曲晓庆，乔鑫

（华晨汽车工程研究院CAE工程室，辽宁 沈阳 110141）

论某白车身静态刚度对动态刚度与正碰性能的影响

刘莹，苏阳，赵永波，曲晓庆，乔鑫

（华晨汽车工程研究院CAE工程室，辽宁 沈阳 110141）

文章以研发过程中的设计变更为契机，仿真结果为依据，用有限元的手段，论证静态扭转刚度与动态刚度及碰撞的关系。借以抛砖引玉，引发深入思考，为设计过程中的性能关联性提供参考。

扭转；动态刚度；正碰；影响

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.021

CLC NO.: U463.82 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-60-03

引言

扭转刚度、扭转模态、正面碰撞作为车身设计的重要性能工况，在性能体系里面占有重要的位置。往往我们会要求车身的刚度达到一定的水平来满足市场的需求。近些年来，行业内的水平不断的在提高的同时扭转刚度的水平与动态性能及碰撞的指标究竟有何种联系？本文以下内容将逐一论述。

1、模态及动刚度

汽车白车身结构基本力学性能仿真计算属于线弹性问题，其中弯曲和扭转刚度计算属于线弹性范围内的静力学问题，模态及动刚度属于线弹性范围内的动力学问题。

车身结构的模态计算，基于有限元法和线性振动理论。具有有限自由度的线弹性系统的运动方程可用虚功原理给出，其形式为[1]：

其中，M为系统的质量矩阵，Z为系统阻尼矩阵，K为系统的刚度矩阵，P(t)为载荷列阵，由于要计算的是结构的固有特性，载荷不存在，同时因车身阻尼很小可以忽略不计，所以车身结构固有振动特性的计算就成为有限个自由度系统的无阻尼自由振动问题，其系统运动方程为：

由此，车身结构的模态计算问题可以转化成为求解上述方程的特征值和特征向量问题。

对于受动载荷激励的车身结构，我们考察其动态刚度特性。对（2-1）式进行傅里叶变换[2]：

2、动刚度分析的必要性

车辆在道路上行驶一般承受动态激励，而我们通常考察的静态扭转刚度，在这样的动态激励下是否还能保持一个的水平，这个水平的趋势是什么？

本文阐述的静动态扭转刚度，实际上规避了局部结构（加载区域）的刚度水平以达到评价整体车身性能的目的。实现的方式是在加载点的纵梁投影点来读取响应，这样做的好处是在局部刚度合理的前提下，进一步探讨车身结构的合理性。

某车型静态扭转刚度为21335Nm/deg，一阶扭转模态为47.8HZ.通过动力学分析得到两种状态（约束的动态特性与FREE-FREE-STATE 动态特性）下的动力学行为，如下：

图1 动态加载方式

如图，两种行为下刚度值在0Hz的时候得到的扭转刚度均等于静态扭转刚度。但，随着频率的提高，刚度均由基础状态21335 Nm/deg变化到2733Nm/deg和2630Nm/deg，最低值分别发生在18.7Hz和48Hz。

图2 动刚度变化

因此，我们看到，无论哪种动态刚度均反映，实际车体应用状态下尤其是特定频率激励下，刚度特性大幅下降，扭转刚度不能保证在行驶过程中达到恒定水平。

3、静态扭转刚度与扭转模态的关系

3.1 设计变更导致扭转刚度变化

图3 钣金料厚更改

图4 厚度更改后扭转刚度云图

以上我们发现自由模态的扭转频率恰恰就是47.8Hz。那么扭转刚度是否对应自由模态，哪个模态影响更大（两个模态模型质量一致）？通过模型的设计更改，我们继续探讨：

料厚的变化后的刚度是16921Nm/deg，比基础模型低4414Nm/deg。

3.2 评价方法找到危险区域

虽然，我们在了解设计变化的前提下，验证了设计变化对性能的影响。但从正向设计的角度来讲，我们可否通过性能的指标来找到设计的薄弱区域？ 以下是设计前后的扭转性能曲线。

图5 车身扭转曲线图

从曲线上分析，相同扭矩之下，从1位置开始，扭转角就发生改变。但随着车前方走势差距似乎不再变大。于是将曲线叠加相减得到曲线mm，误差变化更加明显。根据该曲线，我们仍然不能找到问题的关键区域，于是将曲线mm每100mm幅值递减曲线得到曲线nn，我们发现：大部分前车身刚度基本没有区别，而在曲线nn的特定区域位置1到位置2，性能大幅下降。由于此位置正是衣帽架所处的投影区域，我们可以准确找到薄弱环节，与我们初始的更改区域一致。

3.3 刚度和模态是否有对应关系

综合以上分析结果列于下表。

表1 分析结果

可以发现扭转刚度下降后对自由模态影响较小，但对约束模态影响很大，其变化量与扭转刚度值值的变化量相当。

4、静扭转刚度对碰撞的影响

实际发生更改的区域为衣帽架相应结构，远离正面碰撞的关键区域，不会因为局部敏感区域的改变而对碰撞性能造成的影响，支撑论点的论据更为客观。

图6 正碰变形图

表2 性能指标对比

图6为碰撞最终的变形图，通过表2可知，衣帽架的刚度变化，对侵入量影响不大，但加速度左侧增加4G,右侧增加1G.影响较大。

图7 基础模型曲线

图8 更改模型曲线

通过图7与图8对比可知，碰撞的波形总体上并未发生大的变化，但峰值与谷值变化较为激烈。由本次分析，我们清楚看到：虽然刚度变化区域远离碰撞的主要区域，但由于后端刚度的降低，导致碰撞的加速度发生改变

5、结论

1）实际车体应用状态下尤其是特定频率激励下，刚度特性大幅下降，扭转刚度不能保证在行驶过程中达到恒定水平。

2）通过轴向扭转角度随变化值曲线，能够成功找到扭转刚度的薄弱区域。进而进行优化，达到针对性优化的目的。

3）扭转刚度的变化对相同约束下的扭转模态存在强相关，间接影响自由模态

4）远离碰撞区域的结构更改同样影响到碰撞等动力学行为，在设计过程中，尤其把握性能评估的同步性。

[1] 周中坚,卢耀祖.机械与汽车结构有限元分析[M].同济大学出版社.1997.7

[2] 李东旭.高等结构动力学[M].北京:科学出版社,2010.

图7 2号进气管实测性能与仿真性能对比

如图7所示，2号进气管的实测扭矩和功率与仿真的扭矩和功率结果吻合程度也很高。在2500r/min到4500r/min的转速范围内，实测扭矩值的下降比仿真扭矩明显要小，与仿真值差距较大。但是实测的扭矩值与1号进气管进行横向对比，2号进气管发动机的扭矩值平均提高了7%左右。对于节能车进气管进气管长度的仿真和优化达到了预期效果。

实际在操场试车过程中，节能车由20km/h加速到45km/h的加速时间由原来的平均6.5秒缩短到5秒左右，每次加速的油耗值也由原来的1.0ml减小到0.8ml,节能车的动力性和经济性都有了较大的提高。

3、结论

本文利用发动机性能计算软件GT-Power分析了节能车发动机进气管长度变化对动力性和经济性的影响。并对节能车发动机的进气管长度进行了优化，优化结果得到了试验验证。由此得出如下结论：

1）建立的节能车发动机工作过程仿真模型能准确模拟发动机的实际运行工况，便于对节能车发动机其他参数的仿真优化提供依据。

2）利用节能车发动机的工作过程仿真模型，计算分析不同进气管管长度下发动机的动力性能，筛选出了最优的参数组合。优化后的进气管改善了节能车发动机低速扭矩，缩短了加速时间，提高了节能车发动机的动力性和经济性。

参考文献

[1] Liu J P, J F Bingham. Effects of Intake System Dimension on Volumetric Efficiency-Speed Characteristics of MultiCylinder Engines［J］Transaction of CSICE. 1997.150.

[2]韩同群.电喷发动机进气管的设计与开发[J].内燃机工程,2005, 26(3):22-26.

[3] 石来华,冯仁华.基于GT-POWER模型的发动机进气系统优化[J].客车技术与研究,2010,3.

Study Of Dynamic Stiffness And Frontal Collision Based On Static Stiffness Of The BIW

Liu Ying, Su Yang, Zhao Yongbo, Qu Xiaoqing, Qiao Xin
(Brilliance Automobile Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141)

Absract: During the process of BIW design, we make a study of the relationship of the static stiffness, dynamic stiffness and frontal collision based on the result of FEM analysis. It’s a preliminary study and needs to be study more. The result is useful for the relationship of different performance.

Torsion; Dynamic stiffness; Frontal collision; Influence

U463.82

A

1671-7988 (2016)12-60-03

刘莹，就职于华晨汽车工程研究院。