白车身局部固定点刚度评价方法

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　　摘要：本文介绍了白车身局部固定点刚度的计算及其评价方法。白车身在开发过程中为了防止局部固定点刚度值未达到预定的刚度目标值，导致实车在使用过程中白车身固定点区域局部变形而影响所固定部件的使用效果，做了一些初步研究。就白车身附件在利用 HyperWorks 进行 CAE 模拟试验验证、物理试验验证中如何保证其结果的一致性，做了详细研究。
　　关键词：HyperWorks 局部固定点刚度 CAE 模拟试验验证 物理试验验证
　　1 概述
　　车身在开发过程中，如果白车身局部固定点刚度不足，与白车身局部固定点相连接的附件、总成的稳定性会受到影响，比如车门铰链固定点刚度不足会导致车门下沉，久而久之会对车门的气密性产生影响（卡车车门下沉的现象非常普遍）。若后视镜固定点刚度不足，车辆在高速行驶或颠簸路况时后视镜会有抖动现象，导致驾驶员的后视效果不稳定而出现安全隐患。如果前围板、天窗、仪表板、转向柱等车身附件总成固定点刚度不足，会导致车辆在运行过程中产生各种异响及振动噪声等等，这些现象都会导致驾驶员疲劳及烦躁等，所以如何避免由白车身局部固定点刚度不足而影响车身使用安全性和使用舒适性的问题有非常重要的意义。
　　目前在评价白车身局部固定点刚度的验证手段中，主要有CAE模拟试验验证、物理试验验证两种方法。由于厂家和工程人员的不同，评价标准一直未能统一。同时在实际的验证过程中，由于诸多干扰因素的存在，验证人员得到的试验结果往往不能一致，甚至有时差别较大。两种验证方法的脱钩现象说明，目前的CAE试验、物理试验从验证条件、验证方法、和结果评价方面还有待完善，需要进一步做相应改进。
　　本文主要从车身及其附件的基本特性进行论述，以白车身及其附件的局部固定点刚度计算为例，对传统的CAE模拟试验验证、物理试验验证白车身局部固定点刚度的方法做一些基本讨论，同时提出一种新的CAE模拟试验验证方法。以此为设计人员在设计过程中提供有效的建议，使其对白车身的设计更加合理规范，以避免车身在使用过程中因局部固定点刚度不足而带来不必要的损失。
　　2 传统在车身开发阶段局部固定点刚度的评价方法
　　以卡车驾驶室前车门铰链固定点刚度分析为例
　　2.1 CAE 模拟方法
　　模型截取方法及边界条件
　　约束方式为悬置处全约束，载荷为每个螺栓孔分别施加 X 向、Y 向、Z 向各单位载荷的力，每个铰链固定点的螺栓孔要单独加载。具体的约束及加载形式见图1、图2。
　　

　　图1 模型约束方式  图2 模型加载方式
　　传统分析模型的建立
　　建模方法要严格按照分析模型建立规范执行。螺栓孔模型质量：螺栓孔处建模要严格按照螺栓螺母压紧的实际位置进行，原则上要进行两圈washer，直径与螺栓孔直径相同，具体建模方式如图3、图4所示。
　　

　　图3 螺栓孔建模方式 图4 螺栓孔建模方式放大图
　　2.2 传统物理试验验证方法
　　物理试验验证方法与 CAE 模拟试验方法的约束加载方式基本相同，其约束加载方式如图5、图6、图7所示。
　　

　　

　　

　　图5 前门上铰链X向加载照   图6 前门上铰链Y向加载照片  图7 前门上铰链Z向加载照片
　　2.3 计算结果及评价
　　计算结果需给出加载点在加载方向上的位移值，并算出相应的刚度值。
　　K=F/S
　　其中F为施加的力，单位为N；
　　S为施力点法向方向上位移，单位为mm；
　　K的单位为N/mm；
　　2.4 整车体系下局部固定点刚度评价方法存在的一些问题
　　如表1所示，传统CAE模拟试验方法与物理试验方法计算结果有较大的差别。
　　表1 传统 CAE 模拟试验方法与物理试验方法计算结果比较
　　

　　2.5 整车体系下局部固定点刚度评价方法存在的问题分析
　　在整车体系下对白车身局部固定点刚度进行评价，CAE模拟试验验证与物理试验验证的工况无法保证完全一致，故导致试验结果会出现偏差。同时在整车体系下白车身及其附件的其他位置的刚度会对加载点的刚度值产生影响，从而造成无论是通过传统CAE模拟计算或是物理试验验证得到的结果与加载点真实刚度值产生偏差，无法实现对白车身局部固定点刚度值准确评价的目的。
　　3 固定点刚度的局部评价方法
　　为了保证评价结果的真实性，对固定点刚度采用局部评价方法。
　　模型截取方法：在螺栓孔X、Y、Z三个方向上分别截取距离螺栓孔250mm距离的模型，截取方法与截取后模型如图8、图9所示。
　　

　　图8 模型局部截取方法图9 截取后模型
　　边界条件：为保证局部固定点刚度值的准确性，约束方式为在模型截取处添加约束123456，载荷为在三个固定点连成的刚性单元处于 X、Y、Z三个方向分别施加单位载荷的力。具体的约束及加载形式见图10。
　　

　　图10 模型约束加载方式
　　3.1 整车体系评价与局部评价试验结果比较
　　如表2所示，整车体系评价与局部评价所得到的试验结果差别很大，由此可以看出整车体系下白车身及其附件的其他位置的刚度会对加载点的刚度值产生较大的影响。
　　表2 整车体系评价与局部体系评价计算结果比较
　　

　　4 结论
　　整个研究表明在白车身局部刚度评价中，传统的CAE模拟试验方法与物理试验方法得到的验证结果有较大的差别，不能提供给设计工程师一个准确的刚度性能参考值。整车体系评价与局部评价所得到的试验结果差别很大，最后采用了不同的固定点使用不同的约束加载方式，这样一来与物理试验值得出了比较相近的结果。本文通过采用整体和局部对固定点的研究方法得出如下几个结论：
　　1、整车体系评价中约束方式为悬置处全约束，在CAE计算过程中驾驶室白车身其他结构的刚度会对加载点的刚度值产生影响，而局部评价由于是对加载点局部约束，有效的减少了其他结构对加载点刚度值的影响，因而局部评价模拟计算出的刚度值更接近局部固定点刚度的真实值，局部评价要优于整车体系评价。
　　2、在物理试验验证过程中应尽量参照局部评价的加载方式，以保证物理试验结果更接近加载点刚度值的真实值，更具有参考价值。
　　3、在整个模拟仿真过程中，详细建模、模型改进、求解、结果后处理中大量的使用了HyperWorks的功能，充分体现了该软件在汽车仿真分析中的方便、快捷和高效。
　　参考文献
　　[1]
　　邱少波等编 车身设计过程手册 第一汽车集团公司技术中心车身部 2003
　　[2]
　　高猛编车身固定点刚度试验报告第一汽车集团公司技术中心车身部 2013(end)
　　

Evan1031

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