某车型车身排气结构设计与分析

张智峰

某车型车身排气结构设计与分析

张智峰

Zhang Zhifeng

（江西昌河汽车有限责任公司，江西景德镇333000）

针对某款车型在样车测试中发现的车辆关门力大问题，经对比不同车型的排气孔面积和车辆乘员舱体积，发现问题产生的主要原因是排气孔面积不足。通过有限元方法对车身钣金件增加排气孔后的车身刚度、强度进行分析优化，结果显示优化后车身扭转刚度降低0.63%，弯曲刚度降低0.81%，车身刚度仍满足设计要求，排气孔处的应力值分别为56 MPa和54 MPa，低于材料屈服强度，验证了优化方案的可行性和可靠性。

白车身；仿真分析；扭转刚度；弯曲刚度

0　引言

车门关闭力是直接影响客户体验感的重要指标之一，同时也体现了整车厂的产品设计和制造水平。车门关闭力主要受限位器、密封胶条、铰链、门锁、车门质量、气体泄漏量等因素影响[1]，并且气体泄漏量对内腔体积较小的车辆的车门关闭力影响较大[2]。

对某款车型的试制样车进行测试，得到关门速度平均值为1.15 m/s，车门关闭力偏大，超出设计要求。该车型乘员舱体积为4.6 m3，排气孔数量为1个，排气孔尺寸为212 mm×71 mm，排气孔面积为15 052 mm2。对比其他多款车型，发现排气孔通常有2个，排气孔面积为20 000～35 000 mm2，布置在车辆尾部或者尾部两侧对称位置，如图1、图2所示，乘员舱容积为3.5～5.5 m3。对比后发现，测试车型的排气孔面积过小，使车门关闭力增大。综合考虑设计变更的实施位置、改善效果、修模成本、整改周期等因素，最终确定优化方案为在车身后组合灯安装板处左、右两侧各增加一个125 mm×55 mm的方孔，孔翻边3 mm以增强开口处结构强度，如图3所示。

图1　排气孔布置在车辆尾部

车身刚度、强度对整车的承载能力、疲劳强度、可靠性、安全性等均有影响[3]，刚度不足时会降低车身上总成、附件的性能和使用寿命[4]；通过对比车身在扭转工况和弯曲工况下刚度、强度变化情况，验证优化方案的可行性和可靠性[5]。

1　模型创建

1.1　模型描述

车身质量约为290 kg，运用前处理软件采用壳单元进行建模，网格尺寸为8 mm×8 mm，单元总数约为124万，节点总数约为125万。点焊选用ACM单元模拟[6]，螺栓、烧焊和塞焊采用RBE2单元模拟，粘胶采用SOLID+RBE3单元模型。后组合灯安装板材料为DC04，材料屈服强度为170 MPa，其他零件材料参数见表1。

1.2　加载与边界约束

1.2.1加载

（1）扭转工况：在右前减振器安装孔中心点处施加载荷，方向竖直向上。

×/2=2 000 Nm （1）

式中：为左前、右前减振器安装孔中心点的横向距离，取值1 096 mm。

由式（1）可得=3 650 N。

（2）弯曲工况：前排座椅2个R点沿轴负向分别加载1 500 N集中力。后排座椅安装孔中心点及其周围螺母垫板用RBE2刚性连接，沿轴负向施加3 000 N集中力，加载点与座椅安装孔中心点用RBE3柔性连接。

1.2.2约束

（1）扭转工况：车身后缓冲块安装处，左侧约束、、3个方向的平动自由度，右侧约束、2个方向的平动自由度，如图4所示。

（2）弯曲工况：车身前减振器安装孔中心处，左侧约束、2个方向的平动自由度，右侧约束向平动自由度；车身后缓冲块安装处，左侧约束、、3个方向的平动自由度，右侧约束、2个方向的平动自由度。如图5所示。

注：SPC（Single Point Constraint，单点自由度约束）。

图5　弯曲工况边界条件

2　仿真结果

2.1　扭转工况

（1）应力：优化方案的仿真结果显示，后组合灯安装板开孔后的整体应力略大于开孔前，最大应力位置为与周边零件的焊接边搭接处，最大应力值分别为129 MPa和130 MPa；开孔处最大应力值为56 MPa，低于材料屈服强度170 MPa；优化前、后应力分布如图6、图7所示。

图6　优化前应力分布（扭转工况）

（2）扭转刚度：提取优化前、后模型扭转工况左、右纵梁上测点的最大位移量，计算位移平均值Δ和车身扭转刚度t。

图7　优化后应力分布（扭转工况）

位移平均值Δ计算式为

式中：Δ1、Δ2分别为左、右侧纵梁上的测点沿向的位移量，mm。

相对扭转角由近似计算得到，即

车身扭转刚度t计算式为

式中：为作用在白车身上的扭矩，Nm；为白车身相对扭转角，°。

由式（2）～（4）计算得到车身扭转刚度值，见表2。

表2　车身扭转刚度值

注：平均位移变化量=优化后平均位移－优化前平均位移；扭转刚度变化率=(优化后扭转刚度－优化前扭转刚度)/ 优化前扭转刚度×100%。

从表2可以看出，扭转工况下后组合灯安装板测点在优化前、后平均位移的变化量非常小，扭转刚度值降低了0.63%，但刚度值仍在设计目标范围（＞13 000Nm/°），优化方案满足要求。

2.2　弯曲工况

（1）应力：优化方案的仿真结果显示，后组合灯安装板开孔后的整体应力略大于开孔前，最大应力位置为与周边件的焊接边搭接处，优化前、后最大值分别为106 MPa和106 MPa；开孔处最大应力值为54 MPa，低于材料屈服强度，优化前、后应力分布如图8、图9所示。

图8　优化前应力分布（弯曲工况）

（2）弯曲刚度：提取优化前、后模型弯曲工况左、右纵梁上测点的最大位移量，计算位移平均值和车身弯曲刚度，测点位置如图10所示。

图10　计算弯曲刚度的车身测量点

位移平均值的计算式为

式中：1、2分别为左、右侧纵梁上测点处最大位移，mm。

车身弯曲刚度计算式为

式中：为加载总力，取值6 000 N；为左、右侧纵梁测点最大位移的平均值，mm。由式（6）计算得到车身弯曲刚度值，见表3。

表3　车身弯曲刚度值

注：平均位移变化量=优化后平均位移－优化前平均位移；弯曲刚度变化率=(优化后弯曲刚度－优化前弯曲刚度)/ 优化前弯曲刚度×100%。

由表3可以看出，弯曲工况下后组合灯安装板测点优化前、后的位移变化量非常小，弯曲刚度值降低了0.81%，但刚度值仍在设计目标值范围（＞16 000N/mm），优化方案满足要求。

3　结论

本文通过有限元仿真对车身刚强度进行分析，分别从扭转工况和弯曲工况考察相关零部件的应力变化和刚度变化。在扭转和弯曲工况下，后组合灯安装板增加排气孔后位置的应力值小于材料屈服强度，车身扭转刚度和弯曲刚度变化率很小，均在设计目标范围，验证了优化方案的可行性和可靠性，为解决车门关闭力大问题提供理论依据。

[1]尹培苗，汪建涛，顾翔．车门关门力的影响因素[J].装备工程，2017（5）：44-45.

[2]朱建华，刘晶，蒙永种．整车气体泄漏量对关门力的影响研究[J]. 企业科技与发展，2019（7）：47-49.

[3]汪跃中，贺鑫，董华东．某纯电动汽车白车身弯曲刚度分析与优化设计[J].汽车零部件，2019（7）：50-52

[4]李铁柱，华睿，黄维．基于拓扑优化的白车身扭转刚度性能设计[J]. 汽车实用技术，2019（17）：180-182.

[5]袁夏丽，刘俊红，刘丹，等．某轿车白车身刚度分析与结构优化[J]．汽车实用技术，2018（14）：80-81．

[6]蒋兵，夏琼，王克飞，等. 某SUV白车身静态扭转刚度分析[J]. 汽车零部件，2018（6）：25-28.

2022-07-21

1002-4581（2023）02-0016-04

U463.83

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.004