汽车车身结构动力学建模方法研究

liu

0　前言
　　汽车车身不仅要有美观流畅的外形，更要有安全可靠的结构动力学特性。为加快新车身开发速度、节约资金和提高质量，其设计技术正由原来的经验、类比、静态设计步入CAD/CAE一体化的虚拟设计。即借助车身动力学模型进行静动态分析、优化设计、结构修改、疲劳寿命及可靠性预测。而以上技术的关键是要依托现有车身制定符合工程精度的建模准则，以形成系统的建模经验数据库后，供工程师在开发新车时调用。

　　车身结构具有焊点数目多(通常为几千～上万个)、空间复杂曲面及几何特征多等特点，受硬件条件限制要建立准确的车身模型极为困难。从70年代起，国内外各大汽车公司相继对各种品牌的轿车［1，2］和大客车［3］建立了简化模型，但对车身动力学模型精度至关重要的大量焊点和其他各种连接形式没有详细考虑，对车身典型结构(如翻边、凹凸槽、孔等)简化未做专门研究，因此，迄今为止，对车身建模主要凭借经验和技巧，缺乏系统性、原则性，使车身建模精度难以掌握。

　　本文将在点焊连接界面特性模拟方法做深入研究的基础上，对其他连接形式及结构特征制定简化原则。并以依维柯轻型客车为对象建立整车车身有限元动力学模型，通过模态分析找出易开裂部位并与实际对比来验证以上原则的正确性。

1　车身钣金件上点焊的模拟
　　电阻点焊是车身结构大量金属板构件间的主要连接形式，分布于车身各部位，数量达上万个。焊核形状近似直径为4～6mm的圆柱形，间距在40～80mm之间，并以50mm左右居多。主要为搭接点焊或翻边点焊，单排布置，承受剪力及偏心引起的附加拉应力。
　　根据单个焊点的受力特性，国内外文献中提出了多种模拟方法，现列于表1中。

表1　多种模拟焊点的方法对比

单元 类型	承载 类型	网格 疏密	参数确 定难易 程度	用于大量 均布密 集焊点	用于单 个焊点 的精度
短梁	拉压、弯、扭	较疏	不易	较差	较高
块	各种载荷	密	较易	差	高
铰	位移约束	较疏	易	较差	较低
扭转弹簧	扭	较疏	不易	较差	较低
拉伸弹簧	拉	较疏	不易	较差	较低
杆	拉、压	较疏	不易	较差	较低
节点耦合	位移约束	较疏	易	较好	较低
单层板(壳)	弯、扭	疏	不易	好	低

由表1可知，对单个焊点若用适当高度的块单元模拟时，则可获得较高的精度。但局部网格需要很密，且计算量大。而对大量均布、密集排列的焊点，在适当调整了焊点区板厚及材料参数后，则可用单层板模拟而建模效率高。为模拟点焊区相邻构件在振动时的局部分离与接触情况，则可用节点耦合法更为适宜。若通过试验，在取得一定数据后，可用具有适当截面参数的梁单元做定量分析。 　　现用ANSYS软件，对2块长500mm、宽250mm、厚1.2mm、直径5mm、焊点个数为6、搭接宽度15mm、均匀布置的单排点焊搭接为例，动态计算结果前三阶如图1和表2所示。 图1　前三阶振型图 表2　不同单元模拟焊点的动态计算结果对比

单元类型	第一阶振型	第一阶频率f/Hz	第二阶振型	第二阶频率f/Hz	第三阶振型	第三阶频率f/Hz
短梁	扭转	16.296	纵弯	24.815	横弯	31.304
块	扭转	16.999	纵弯	25.407	横弯	31.871
耦合	扭转	16.310	纵弯横微弯	23.487	横弯纵微弯	28.131
单层板	扭转	18.328	纵弯横微弯	25.259	横弯纵微弯	30.112
杆	扭转	16.141	纵弯	25.325	横弯纵微弯	31.829

由表2所示可知，当搭接宽度占被连接件宽度比例较小时(上例为15/250≈6%)，则各种模拟方法动态分析结果基本相似。 　　为此，考虑到工程精度要求及建模效率，本文在建立依维柯轻型客车车身模型时依据以下原则：对危险区域先用粗网格试算，焊点用块单元建立子结构后再局部细化；对非危险区的焊点非密集处用节点耦合(搭接比例<20%)或短梁(搭接比例≥20%)模拟，焊点均布，焊点密集处根据不同焊点间距用不同厚度的单层板模拟［5，6］。 2　车身上其他各种典型结构及连接形式的模拟 　　(1)电弧焊 　　手工电弧焊主要分布于地板与侧壁、轮罩与地板、地板下横梁两端与地板、发动机罩与地板、侧壁内骨架上的小翻边和前围及仪表板下方等连接处，其长短、形状和间距无一定规律，受操作中随机因素影响。 　　由于地板与周围零件多采用手工电弧焊连接，在整车建模时把地板总成作为一个子结构处理。连接部位用主从自由度约束，以避免公差范围内全部相邻节点合并造成的结合面刚度过大，与实际误差不符。而对于小翻边横梁与立柱之间的电弧焊则按刚性连接处理。 　　(2)螺栓连接 　　螺栓连接位于车身与车架之间以及车顶框架与雨檐之间。由于螺栓是已知特性的弹性单元，只要安装正常，不受横向力，或不暴露于改变其特性的环境中，则可用弯曲的三维弹簧单元模拟。或用梁单元模拟及虚拟温度使其预拉伸模拟预加载效果。 　　(3)翻边 　　翻边结构在轻型客车车身上随处可见，它便于零件定位、装配及焊接，同时，也增加了零件的刚性。现以两块长500mm、宽150mm、厚1.2mm、焊点直径6mm、焊点个数11的长翻边点焊为例，与忽略翻边情况对比分析，结果见表3、表4。 表3　考虑翻边与忽略翻边的频率与振型对比

	第一阶	第二阶	第三阶	第四阶	第五阶	第六阶
考虑	16.593	22.814	37.281	42.280	44.938	70.816
翻边	扭转	纵弯	纵反弯	横反弯	横纵弯	纵双弯
忽略	15.423	22.555	27.234	38.886	39.397	69.546
翻边	扭转	横纵弯	横纵弯	横反弯	纵反弯	纵双弯

表4　考虑与忽略翻边时某一点的静挠度对比

	纵向弯曲z/mm	横向弯曲z/mm	横向扭转z/mm
考虑翻边 忽略翻边	2254.50 2241.00	933.34 2445.50	0.31 0.35

由表4可知，翻边可以提高横向(沿焊点分布方向)弯曲刚度和扭转刚度，但纵向(垂直焊点分布方向)弯曲刚度则略有下降。 　　(4)孔 　　各种大小的孔在车身内板上分布极广，主要满足工艺及装配需要。对于直径较小的孔，通常可忽略，但对于整车粗网格试算发现的应力集中部位，则应局部细化。为保证建模精度。尺寸较大的孔则不能忽略，但形状上为方便建模计，可用近似多边形代替。 　　(5)凹凸槽 　　凹凸槽在车身上主要起两个作用：为增加结构刚度(如地板)，和由于装配工艺上的需要以避开相邻零件，采用退让结构而自然形成不规则的凹凸槽(如前围)。 　　对于前围上的各种奇形怪状的凹凸结构，采用板壳单元为好，在保证关键点几何坐标前提下适当作简化。而对于地板上规则排列的凹凸槽结构，可根据试验结果用板—梁组合单元模拟，以减少单元及节点数目。 　　(6)非承载件 　　保险杠、挡风玻璃、蒙皮及内外装饰等非承载构件，可考虑按集中质量加在整车模型的相应部位上。 3　整车模型验证 　　按照以上简化原则，应用ANSYS软件在大型工作站上，建立了IVECO40—10轻型客车车身有限元模型，模型共有11129个单元、8182个节点、22种实常数。模态分析计算结果列于表5，其中第1、2、4、6阶振型图如图2所示。 表5　整车动态分析结果

阶次	频率 f/Hz	振型	与道路试验 对应的开裂部位
1	8.196	整车扭转振动	左右前侧外板
2	15.634	车顶中后纵梁侧弯	前门框上沿
3	19.798	车身后部弯曲且微内扭	前门框上沿
4	21.281	车架前部侧弯	仪表板横梁、发动机后罩
5	23.360	车顶中后纵梁侧弯	前门框上沿
6	25.478	风窗框局部振动、车 身弯曲、侧壁张开	风窗框、座椅固定纵梁

图2　整车第1、2、4、6阶振型图 　　从振型图上可以看出，车身前部具有较大刚性，而后部相对较弱。在典型的扭转振型中节线均通过门框后上端处而产生应力集中，是该区域易产生裂纹的原因。另外，从车架横弯模态可以看出，其前部刚度较小，当外界激励激发该阶模态时，由于车身侧弯幅度小，导致车身与车架各自振动模态不协调而使前四个弹性支撑受力加大，从而导致发动机罩、仪表板等前围零件在运行中出现开裂。前风窗框的局部振动振幅较大，导致风窗框开裂。这些与文献［4］德国专家对IVECO车身开裂试验研究报告结论是相一致的。 4　结论 　　用本文所提出的车身建模简化原则建立的整车有限元模型，经模态分析结果所确定的车身上易开裂部位，与实际汽车运行时车身所产生的开裂部位相吻合。这一重要结论从一侧面验证了本文所建车身动力学模型的正确性。其重要意义在于一方面解决了所建车身动力学模型无法用整车车身动态试验来验证的困难。另一方面找到了车身动力学建模中对于点焊连接界面等动力学特性描述的新方法，通过所定原则可以顺利地建立车身模型。而该模型对于新车身开发具有重要意义，为我国车身设计由经验、类比、静态向建模、动态、优化方向发展迈出了非常重要的一步。为新车身快速、经济、高质量开发建立了一个良好的技术基础。

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较简单,实际应用很复杂,理论与实际有不少差别