全景天窗汽车车身刚度分析及优化设计

彭立强　孙静瑶　王立新

摘 要：为了提高全景天窗汽车的车身刚度，满足汽车车身设计要求，利用yperWorks软件建立了全景天窗车型（A型车）白车身有限元模型，分析其车身扭转刚度和扭转工况下的开口变形量，并与无天窗原型车进行对比研究。对A型车和原型车车身扭转刚度及开口变形量进行试验测量，并将仿真结果进行对比分析;对全景天窗的A型车车身刚度进行结构优化，如增大顶盖前后横梁截面积、改进水箱上横梁断面及截面形式、减少前后横梁孔洞及增加连接点等。结果显示，增加汽车天窗会使汽车的扭转刚度下降52%，同时车身在扭转工况下的开口变形量也会大幅增加，而对A型车进行结构优化后满足了设计要求。研究结果为全景天窗车身的刚度设计提供了一定的理论支持和设计参考。

关键词：机械强度; 全景天窗;车身刚度;扭转刚度;变形量;优化设计

中图分类号：U46383   文献标志码：A

Abstract：In order to improve the body stiffness of panoramic sunroof cars and meet the requirements of automobile body design， the finite element model of panoramic sunroof car （A-type） white body is established by using yperWorks software， the torsional stiffness of the body and the opening deformation under torsional conditions are analyzed， and the A-type car is compared with the prototype car without sunroof. The body stiffness and opening deformation of A-type car and the prototype car are measured， and the simulation results are compared. The stiffness of A-type car body with panoramic sunroof is optimized by enlarging cross-section area of front and rear roof， improving cross-section and cross-section form of water tank， reducing cross-beam holes and increasing connection points， and so on. The results show that panoramic sunroof body will make the torsional stiffness decrease by 52%， and the opening deformation of the body will increase greatly under the torsional condition， so that the structural optimization of the A-type car can meet the design requirements. The study provides theoretical support and design reference for stiffness design of panoramic sunroof car body.

Keywords：mechanical strength; panoramic sunroof; body stiffness; torsional stiffness; deformation; optimal design

現代轿车车身的刚度分析已经贯穿于车身结构设计的全过程，是现代轿车车身设计开发的重要环节，对轿车车身的结构设计意义重大。汽车车身设计对车身刚度具有较高的强度要求，尤其是车身扭转刚度，它是车身抵抗较恶劣的扭转工况载荷的关键保证指标。汽车白车身刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度可用车身在铅垂载荷作用下产生的挠度大小来描述，或者用单位轴距长度最大挠度量评价。扭转刚度可以用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大小来描述，或用单位轴距长度轴间相对扭转角评价[1]。

目前，国外对车身刚度的分析成果主要有：OWARD等[2]利用有限元方法对某轿车车身扭转刚度和车身轻量化灵敏度进行了研究;COI等[3]分析了T型接头对整车刚度的影响;NIMA等[4]研究了轿车车身刚度对车身振动及汽车噪声的影响。目前国内对轿车车身刚度的分析有：马迅等[5]分析车身常用薄壁构件的刚度;胡宁[6]采用有限元方法研究了某轿车的车身弯曲刚度和扭转刚度。国内相关研究机构对车身刚度做了大量研究分析[7-16]，但很少见到有关对全景天窗车身的研究报道。天窗对其车身刚度的影响至关重要，因此分析全景车窗车身刚度具有重要的工程价值。

2.2 边界及载荷条件

本文对某全景天窗轿车白车身进行车身刚度分析，首先确定刚度分析的边界条件。车身刚度分析的边界条件包括扭转刚度边界条件和弯曲刚度边界条件，其约束如下。

1）扭转刚度约束

前端约[WTBX]束Z向移动，左后减震器位置约束X，Y，Z向移动，右后减震器位置约束X，Z向移动;左右前减震器位置分别施加2 604.6 N的力，其约束如图1 a）所示。

2）弯曲刚度约束

左前减震器位[WTBX]置约束Y，Z向移动，右前减震器位置约束Z向移动，左后减震器位置约束X，Y，Z向移动，右后减震器位置约束X，Z向移动;载荷：左右门槛梁位置分别施加1 500 N的力，其弯扭刚度分析边界条件如图1 b）所示。

2.3 白车身有限元模型划分

采用有限元分析软件对白车身（BIW）进行网格划分，经过网格处理，得到了该SUV白车身有限元模型如图2所示，其中节点数（nodes）782 095，2D单元中（Tria3）41 582个，焊接单元5 036个，白车身单元划分信息如表2所示。

2.4 扭转刚度计算结果分析

在建立车身有限元模型的基础上，通过设置车身扭转刚度的约束边界条件，计算得到该车身的扭转刚度变形图，如图3所示。

从图3白车身弯曲变形图可看出，在载荷的作用下该车身总体弯曲变形平顺，没有出现非常明显的变形突变，因此该车身弯曲刚度分配较合理。

2.5 车身刚度试验与仿真比较分析

A车型是指在原参考车型的基础上增加全景天窗的车型，参考车型是原型车，没有天窗的成熟车型。A车型在参考车型的基础上改造了顶盖，对顶盖、顶盖前后横梁进行了初步改造，增加了全景天窗，机舱、侧围、地板均为参考车型结构。

本文对A车型和无天窗参考车型分别进行了仿真及试验分析（见图4），其仿真与试验结果见表3。

由表3可知，对于A型车扭转刚度仿真值与试验值分别为7 676，8 235 N·m/（°），试验与仿真误差为926%;对于无天窗参考车型扭转刚度仿真值与实验值分别是15 834，17 450 N·m/（°），试验与仿真误差为679%;A型车与参考车型的仿真与试验扭转刚度比值分别为0.485，0.472，扭转刚度比值基本一致，A型车扭转刚度是参考车型扭转刚度的48%左右，试验结果略大于仿真值。由此可见，增加汽车天窗会使汽车的车身刚度大大降低。

要通过仿真和试验分析该全景天窗白车身开口的变形量，必须对车身前风挡及天窗开口处进行标记编号。

车身开口编号如图5所示。前风挡两对角线方向的变形量分别定义为A1，A2，车身顶盖天窗对角线方向变形量定义为E1，E2。在扭转工况下，对A车型前风挡及顶盖开口的变形量进行仿真与试验分析，并与无天窗的参考车型相比较，分析试验结果见表4。

由表4可知，增加天窗后汽车车身扭转工况下的开口变形量明显变大，A车型相比参考车型，前风挡变形量A1，A2分别增加了3.23，3.92（试验值），顶盖开变形量E1，E2分别增加了12.42，8.18（试验值）。增加全景天窗使汽车扭转刚度大幅下降，开口变形量大幅上升，特别是顶盖开口处的变形量。为满足全景天窗车身设计的要求，必须对全景天窗汽车车身进行刚度优化，以满足设计要求。

3 全景天窗白车身刚度结构优化

对车身结构的改进和优化：1） AB柱采用热成型材料;2）地板侧围纵梁采用高强度滚压型材;3） 优化顶盖前后横梁，增大截面;4） 优化前后横梁接角，减少孔洞，增加连接点;5） 改进水箱上横梁断面及截面形式。

優化后分析结果如下：弯曲刚度为12 959 N/mm;扭转刚度为19 757.5 N·m/（°）;因天窗版采用全景天窗， BIP车身（注：BIP 车身包括白车身、前风挡、顶盖玻璃、管梁、前后副车架，前后防撞梁）扭转刚度要求达到25 000 N·m/（°），对BIP车身进行扭转刚度分析结果为26 448.4 N·m/（°），可以满足设计要求。

4 结 论

本文建立了某全景天窗A型车的有限元仿真模型，对该车刚度进行仿真分析，同时利用试验条件，对该A型车及同类型无天窗参考车型进行刚度和开口处变形量试验测量，得到如下结论。

1）在载荷的作用下A型车车身总体弯曲变形平顺，没有出现非常明显的变形突变，因此该车身弯曲刚度分配较合理。

2）增加天窗后使汽车车身扭转刚度下降了52%，扭转刚度的试验和仿真结果基本一致。

3） A型车与参考车型比较，在顶盖开口与不开口两种状态下，前风挡与顶盖开口的变形量变化均很大，天窗对车身扭转刚度下的开口变形量影响很大。

本文没有考虑刚度性能更好的材料，未来可以采用性能更好的车身材料或一体冲焊的车身结构来提高全景天窗车身刚度。

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