基于铝合金减振器塔的钢铝混合白车身刚度分析与研究

鲁后国，赵震，阚洪贵

基于铝合金减振器塔的钢铝混合白车身刚度分析与研究

鲁后国，赵震，阚洪贵

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230000）

文章基于搭载铝合金减振器塔的某钢铝混合白车身，介绍了利用有限元软件对白车身扭转刚度和弯曲刚度分析的理论方法、模型建立、约束边界和分析结果，具有一定参考意义。

铝合金减振器塔；有限元分析；扭转刚度；弯曲刚度

引言

随着汽车技术的发展和消费者生活水平的提高，汽车内部的舒适性等NVH性能越来越受到重视，而白车身刚度是作为汽车性能的重要评价指标之一，直接影响车辆的NVH性能。本文基于搭载铝合金减振器塔的某钢铝混合白车身，介绍了利用有限元软件，对白车身扭转刚度和弯曲刚度分析的理论方法、模型建立、约束条件等过程和结果，具有一定参考意义。

1 分析与研究

1.1 理论计算公式

弯曲刚度：约束前减振器安装点处向平动自由度；后悬安装点处约束、、向平动自由度，在每处座椅位置分别施加垂向载荷F后得到最大弯曲位移量max，弯曲刚度受力简图如图所示[1]。

图1 白车身弯曲刚度受力简图

弯曲刚度EI由公式（1）求得：

扭转刚度：约束后悬安装点处X、Y、Z向平动自由度，并在前减振器两安装处约束MPC的Z向自由度，在左右前悬置安装处施加大小相等、方向相反的两个集中力F，形成绕轴扭矩M，扭转刚度受力简图如图2所示[2]。

图3中的力可由公式（2）求得：

式中，为左右两悬置的距离。

图中1、2为左右悬置处竖直方向位移量，则车身相对水平面的最大扭转角θmax可由公式（3）求得：

扭转刚度K由公式（4）求得：

1.2 有限元模型建立

基于铝合金减振器塔的钢铝混合白车身3D数模建立的有限元分析模型如下图3所示，钣金及顶盖采用SHELL单元模拟，点焊采用ACM单元模拟，粘胶采用Adhesive单元模拟，焊缝、螺栓采用RBE2单元模拟。过程中使用的有限元分析软件有HYPERMESH、NASTRAN和HYPERVIEW。

图3 白车身扭转刚度分析模型

1.3 边界条件

1.3.1弯曲工况边界条件

约束前减振器安装点处Z向平动自由度；后悬安装点处约束X、Y、Z向平动自由度，在每处座椅位置分别施加1 666 N的垂向载荷，如图4所示。

模拟工况：车辆满载时的受力及变形情况。

图4 白车身弯曲刚度分析边界条件

1.3.2扭转工况边界条件

约束后悬安装点处、、向平动自由度，在前减振器安装处施加大小相等、方向相反的两个集中力，形成绕轴2 000 Nm的扭矩，并在前减振器两安装处约束MPC的向自由度，如图5、图6所示。

模拟工况：当车前轮遇到突起物抬起时，此时发生的扭转变形最为严重。

图5 白车身扭转刚度分析边界条件

图6 白车身加载点间的距离

1.4 分析结果

1.4.1变形云图

图7 弯曲工况Z向位移云图、扭转工况Z向位移云图

1.4.2车身变形曲线

图8 白车身刚度测点分布图

以白车身左右门槛梁底部翻边节点为考察点，提取考察点的Z向位移值，并依此绘制白车身弯曲、扭转变形曲线，如图9、10所示。

白车身弯曲变形曲线，如图9所示：

白车身扭转变形曲线，如图10所示：

白车身左、右门槛梁Z向最大位移、刚度值如表1所示。

白车身扭转刚度分析加载点Z向位移、扭转角度、刚度值如表2所示。

表1 白车身弯曲刚度分析结果

项目分析结果 白车身左纵梁Z向最大位移/mm−0.349 白车身右纵梁Z向最大位移/mm−0.388 白车身纵梁平均位移最大值/mm−0.369 弯曲刚度值/（N/mm)18 084

表2 白车身扭转刚度分析结果

项目分析结果 左侧加载点Z向位移/mm−0.619 右侧加载点Z向位移/mm0.604 扭转角度/°0.073 扭转刚度值/（N•m/°）27 571

白车身扭转角度计算公式：

＝180ºarctan[(1-2)/]/（5）

式中：为考核点的扭角；1为左测点的向变形值；2为右测点的向变形值；为左右测点向距离。

根据分析计算，搭载铝合金减振器塔的钢铝混合白车身弯曲刚度值为18 084 N/mm，扭转刚度值为27 517 Nm/°，均达成目标值，并优于传统的钢制白车身，如表3所示。

表3 白车身弯曲/扭转刚度分析结果

分析内容弯曲刚度/(N/mm)目标值扭转刚度/（N/mm)目标值 CII iev_钢制17 537>18 00027 106>25 000 CII iev_铝合金18 08427 571

2 结语

本文基于搭载铝合金减振器塔的某钢铝混合白车身，介绍了利用有限元软件，对白车身扭转刚度和弯曲刚度分析的理论方法、模型建立、约束条件等过程和结果，有限元软件强大的模拟计算能力使大量繁琐的工程问题简单化，可以节省大量的开发时间和成本；有限元分析的介入可以为汽车设计方案的制定和验证提供了行之有效的解决方案。通过分析计算，搭载铝合金减振器塔的钢铝混合白车身弯曲刚度和扭转刚度均达成目标值，并优于传统的钢制白车身，具有一定参考意义。

[1] 邓晓龙,冯国胜,李鹏飞,等.基于ANSYS Workbench的某轿车车身刚度研究[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2016,29(01):64-68.

[2] 赵震,单长洲,王香廷.基于有限元分析的某重卡白车身扭转刚度优化设计[J].汽车实用技术,2018(23):254-256.

Stiffness Analysis and Research of Steel-aluminum Hybrid Body in White Based on Aluminum Alloy Shock Absorber Tower

LU Houguo, ZHAO Zhen, KAN Honggui

（JAC Technical Center, Anhui Hefei 230000 )

This paper is based on a steel-aluminum hybrid body-in-white equipped with aluminum alloy shock absorber tower, this paper introduces the theoretical method, model establishment, constraint boundary and analysis results of torsional stiffness and bending stiffness of body in white by using finite element software, which has certain reference significance.

Aluminum alloy shock absorber tower; Finite element analysis; Torsional stiffness; Bending stiffness

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.015

U463.33+5.1

A

1671-7988(2021)21-60-03

U463.33+5.1

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1671-7988(2021)21-60-03

鲁后国（1980—），男，在职工程硕士，高级工程师，安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心设计总监，主要研究方向：汽车车身设计。

复杂薄壁压铸铝合金零部件成形与应用关键共性技术研究项目（2016YFB0101603）。