某商用车身静刚度优化设计

邓春阳，李东旭，杨树鹏，赵金泉，张立



某商用车身静刚度优化设计

邓春阳，李东旭，杨树鹏，赵金泉，张立

（宝能汽车有限公司，陕西 西安 712000）

文章从白车身静刚度的构成及影响、提升方向和提升方法三方面入手，确定了商用车身静刚度提升策略。从截面刚度提升、接头刚度提升、结构设计等方面详细论述了白车身整体刚度提升策略的制定和实施过程。同时，从安装部位和板壳件板件刚度两方面提升白车身局部刚度，重点讨论了设计阶段从功能和性能、工艺和工装等方面考虑材料升级方案的制定和实施过程。最后通过CAE辅助手段对白车身弯曲刚度和扭转刚度进行仿真模拟，验证了设计分析的合理性和方案改进的有效性。

白车身；静刚度；工况；结构设计；CAE

前言

重型商用车根据用途的不同可以分为牵引车、载货车、自卸车和专用车四大类。不同的使用工况对会对商用车的车辆配置、产品性能、经济效益产生差异化的需求和影响，因此，在以上四大类的基础上，可以根据使用工况继续细分，例如自卸车根据使用工况可以分为城建渣土、矿坑运输、公路自卸等。工况的差异表现在运输总质量、往返配货情况、车速、路况、运距等，本文的优化设计对象为矿坑运输自卸车，工况恶劣，白车身需进行静刚度优化设计，以适应该工况下的可靠性要求。

1 研究背景

目标白车身在试制和试验过程中发现和解决了白车身开焊、开裂等可靠性问题。考虑矿坑运输自卸车使用工况更恶劣，同时从CAE仿真和台架试验两方面与该细分市场成熟产品进行白车身静刚度对比发现：该工况下的白车身弯曲、扭转等静刚度值需进一步提升。

2 提升策略

2.1 白车身静刚度的构成及影响

车身刚度的构成如图1所示，白车身静刚度由整体刚度和局部刚度组成。

图1 车身刚度的构成

车辆使用过程的载荷比较多，主要受弯曲、扭转载荷，据此将整体刚度区分弯曲刚度、扭转刚度。整体刚度取决于部件布置和白车身结构设计。局部刚度主要是安装部位和大面积板壳件刚度，取决于局部车身结构的断面形状和采用的加强结构等。

研究白车身静刚度的意义如下：

①白车身的静刚度特性反应了车身承载扭矩和弯曲载荷的能力，是白车身整体性能的体现；

②车身振动、噪声等性能与车身静刚度特性紧密相关；

③可靠性、安全性以及操控稳定性、动力响应特性与车身静刚度有关联。

白车身刚度不足的表现形式如下：

①白车身开裂、断裂，疲劳寿命低；

②外板件抗凹性能差，白车身模态低，有共振风险；

③白车身开口部件变形、开胶、脱焊等，造成驾驶室密封性差；

④车身承受冲击能力差，碰撞安全法规测试有风险。

2.2 白车身静刚度提升的方向

白车身静刚度提升应重点提升关键承力件的截面刚度、车身铰接点刚度、外板等板件刚度。在设计过程中应用CAE拓扑优化方法对白车身刚度分布、截面刚度和接头刚度进行评价和设计优化。

高刚度、轻量化是车身设计的发展方向。在进行白车身静刚度提升过程中，应从结构设计、材料选用、工艺方案制定等方面兼顾轻量化设计。

2.3 白车身静刚度提升的方法

白车身静刚度设计贯穿整个白车身开发过程，是白车身性能设计的重要内容之一。

在预言阶段需要对标杆车型白车身的弯曲刚度、扭转刚度、板件刚度等进行全面的测试评价，确定目标车身的刚度设计目标。

在方案和结构设计阶段需要对材料性能提升、断面惯性矩和构件刚度改进、部件布置优化和连接结构改进等措施使白车身的整体和局部刚度达到设计目标。

在开发验证阶段需要进行各种台架和路试对设计成果进行验证、改进和固化。

在整个提升过程中，结构工程师和CAE工程师要紧密配合，通过拓扑优化方法对设计方案进行不断改进优化，直到满足设计目标。灵敏度分析和接头优化是常用的白车身刚度拓扑优化方法。刚度优化方法不合理，会导致车身重量、成本的增加，车身性能随之降低。

2.4 本次提升策略

本次白车身静刚度提升从整体刚度和局部刚度两方面进行优化。整体刚度的提升是在目标白车身的铰接点增加加强件，改进白车身整体结构，提高白车身整体的抗弯、抗扭性；局部刚度提升是关键受力区零件材料升级，提升白车身局部的连接强度和板件刚度。

3 工程方案

3.1 方案分析

方案分析的目的是寻找目标白车身的静刚度提升点，确定优化方向。

方案分析的方法是对标及试验问题搜集。对标是根据细分市场的使用工况，将标杆车型和目标车型的白车身弯曲刚度、扭转刚度等静刚度指标进行对标分析。试验问题分析是对目标白车身试制、试验问题收集、分析。通过以上两方面的分析，识别目标白车身静刚度提升点。

从白车身静刚度指标对标情况来看，目标白车身静刚度指标与市场标杆基本持平。考虑细分市场矿坑运输自卸车市场使用工况的恶劣性，从产品竞争力角度建议继续提升目标白车身的弯曲、扭转整体刚度，保持我公司自卸车产品性能的领先性。

3.2 结构设计

3.2.1整体刚度提升

白车身整体刚度的提升主要通过白车身结构的改进来实现。对于白车身结构而言，刚度研究的重点是构件，构件刚度取决于组成材料的弹性模量外，还同其几何形状、边界条件等因素以及外力的作用形式有关。

本文的研究对象已确定，即边界条件已确定，应从构件的几何形状变更来改进白车身结构，进而提高白车身的整体刚度。几何形状对白车身刚度的影响主要表现在截面刚度、铰接点刚度。白车身结构改进示意图如图三所示，加强件布置在风窗上横梁与侧围、侧围与前围等车身的铰接点位置、驾驶室悬置安装点等关键受力区域；同时考虑实际工况约束和力学加载特征，在左右地板后部增加横梁，提升车身的抗扭刚度。

图3 白车身结构改进示意图

3.2.1.1 截面刚度提升

车身主断面的性能参数包括截面形状和大小，与之相关的物理量是截面面积S、截面主惯性矩I和弹性模量Z。相关研究表明：截面主惯性矩I决定主断面处白车身刚度，I越大则该处断面刚度越大。

I=M/ρ

其中M为主断面轴距，ρ为面密度，通常面密度ρ=10kg/m2。

地板纵梁后端、后围锁止、风窗A柱区域开发加强件，均会带来相应断面轴距的增加，即刚度提升。

3.2.1.2 铰接点刚度提升

车身铰接点作为车身各部分主要连接点，其结构的合理性及自身刚度的对白车身结构的优劣起着决定性的作用。车身铰接点主要位于车身各部分连接的位置，结构复杂，对白车身的整体刚度影响较大。

影响白车身接头刚度的因素有铰接点各部件的数量、形状、料厚、相互之间的搭接等。铰接点刚度不足时，可以通过增强铰接点的连接力来提升刚度，如增加连接长度、部件料厚、焊点数量等措施来解决。

本文对相关铰接点位置的刚度提升主要是通过增加加强件来实现，具体方案及效果如表1所示。

表1 铰接点刚度提升位置及效果

3.2.1.3 结构设计注意事项

加强件结构设计过程中应进行充分的空间校核，避免与邻近的内衬、仪表台等车身内饰和底盘零部件及管线的干涉，按照相关的校核标准要求，预留合理的设计间隙。在满足冲压和装焊工艺的情况下，应尽可能的提高加强件的刚度和连接强度。

对于白车身产品的局部改进，设计过程中应充分考虑现有装焊生产线布局，设计方案应能保证多车型的共线生产。同时，设计、工艺方案对工装设备的改造应尽可能小，以免造成不必要的投资。经工艺分析，本产品装焊方案的实施与现有平台车型共用，无需考虑生产场地。

3.2.2局部刚度提升

白车身局部刚度提升主要是提升安装部位和板壳件刚度。

3.2.2.1 安装部位刚度提升

白车身安装部位的刚度提升可以通过增加材料厚度、增加加强板、改变断面形状等方式来提升。

本文对于地板前悬置安装部位的刚度提升是通过增加加强板的料厚来实现，适用于本次白车身二次小改进。

3.2.2.2 板壳件刚度提升

白车身板件刚度的提升有以下途径：

a.曲面造型、增加造型特征线，有利于材料的冷作硬化，对提升刚度有利；

b.增加零件的厚度；

c.在板壳件上冲压出各种形状的加强筋；

e.对于造型限制特征线、加强筋的板壳件，可以在其内部粘贴补强板等措施提升刚度。

本文对于A柱内外板等板壳件刚度的提升，是通过材料替换，将原材料的厚度增加，同时牌号升级为高强度钢板。

3.2.2.3 结构设计注意事项

对于钣金零件材料厚度、牌号的升级，在设计阶段应充分考虑材料性能，保证替换的材料在理化性能上可以满足部件的功能需求。比如侧围外板等覆盖件，要求材料具有高的表面质量、一定的抗凹性、耐腐蚀性和良好的着漆性等；地板纵梁加强板等结构件，要求材料具有良好的成形性、可焊性和耐腐蚀性等。

车身钣金零件的材料升级，在设计阶段还应进行详细的冲压工艺可行性分析，主要从两方面展开：一是模具强度校核、参数计算；二是冲压缺陷预测。需要强调的是，材料升级的钣金冲压成型数值模拟结果与实际存在一定的误差，这种误差是由模具的使用时间、维护保养水平和材料的时效性引起。因此，车身钣金零件的材料升级工艺性及周期需根据实际试模情况最终确定。

4 CAE计算

4.1 弯曲刚度

4.1.1分析工况

约束：约束左前悬置123自由度，约束右前悬置13自由度，约束后悬置3自由度；

加载：

工况1：在司机和副司机座椅分别施加-Z向的力；

工况2：在主副座椅脚踏位置分别施加-Z向的力；

工况3：在主副座椅中间施加-Z向的力。

图4 白车身弯曲刚度计算约束和加载示意图

4.1.2分析结果

由CAE计算结果得出：白车身工况一、二、三下的弯曲刚度分别提升12%、10%、15%，效果明显。

图5 弯曲工况一Z向位移云图

图6 弯曲工况二Z向位移云图

图7 弯曲工况三Z向位移云图

4.2 扭转刚度

4.2.1分析工况

约束：约束右前悬置23自由度，约束右后悬置123自由度约束左后悬置13自由度；

加载：在左前悬置施加Z向集中力。

图8 白车身扭转刚度计算约束和加载示意图

4.2.2分析结果

图9 扭转工况Z向位移云图

由CAE计算结果得出：白车身扭转刚度提升16%，效果明显。

5 结论

本文的研究对象为某商用车白车身，整车针对矿坑运输自卸车市场，工况恶劣。本文在需求和竞争力分析的基础上，理论联合实际，提出该工况下的白车身静刚度解决方案，经CAE仿真，验证了设计分析的合理性和方案改进的有效性。

（1）首先从理论上阐述了白车身静刚度的构成及影响、静刚度提升的方向和方法，得出本次提升的策略：白车身静刚度的提升从整体和局部刚度两方面展开。

（2）采用对标及试验问题搜集的方法，对目标白车身进行方案分析，识别静刚度提升点，得出基于产品性能和竞争力提升的需求，进一步提升白车身静刚度。

（3）整体刚度的提升主要通过白车身结构的改进来实现，对于白车身结构而言，刚度研究的重点是构件。在研究对象已确定的情况下，应从构件的几何形状变更来改进白车身结构，进而提高白车身的整体刚度。几何形状对白车身刚度的影响主要表现在截面刚度、接头刚度。

（4）局部刚度提升主要是提升安装部位和板壳件刚度。白车身安装部位的刚度提升可以通过增加材料厚度、增加加强板、改变断面形状等方式来提升。板壳件刚度提升有以下方法：

a.曲面造型、增加造型特征线，有利于材料的冷作硬化，对提升刚度有利；

b.增加零件的厚度；

c.在板壳件上冲压出各种形状的加强筋；

e.对于造型限制特征线、加强筋的板壳件，可以在其内部粘贴补强板等措施提升刚度。

本文结合具体的工程应用实例，对商用白车身静刚度的提升理论、方向、方法提出了自己的见解和工程设计思路，但远远不够。正向开发过程中，应用拓扑优化方法对白车身刚度分布评价、截面刚度计算、接头刚度计算等理论和方法研究及应用仍需继续努力。

[1] 刘惟信.汽车设计.[M]清华大学出版社.2001.7要求著录.

[2] 黄天泽.汽车车身结构与设计.机械工业出版社.2011.2要求著录.

Optimization design of static stiffness of a commercial vehicle body

Deng Chunyang, Li Dongxu, Yang Shupeng, Zhao Jinquan, Zhang Li

（Bao Neng Motor Co., Ltd, Shaanxi Xian 712000）

This paper starts with the composition and influence of the static stiffness of the White vehicle, the direction of improvement and the method of lifting, and determines the strategy of improving the static stiffness of the commercial vehicle. The formulation and implementation of the overall stiffness enhancement strategy of the white body are discussed in detail from the aspects of section stiffness enhancement, joint stiffness enhancement, and structure design. At the same time, the part stiffness of the white body is improved from the aspects of the mounting part and the plate stiffness of the plate shell parts, and the process of designing and implementing the material upgrade plan from the aspects of function and performance, technology and workmanship is discussed. Finally, the simulation of bending stiffness and torsion stiffness of the body is carried out by CAE auxiliary means, which verifies the rationality of the design analysis and the effectiveness of the improvement of the scheme.

body-in-white; Static stiffness; Working condition; Structure design; CAE

B

1671-7988(2018)24-160-04

U462

B

1671-7988(2018)24-160-04

U462

邓春阳，就职于宝能汽车有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.057