【摘要】白車身彎曲剛度對于整車性能影響極大，在研發(fā)過程中長期以來都是靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行彎曲剛度性能優(yōu)化。但由于白車身零部件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這種傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法在優(yōu)化效率和優(yōu)化效果方面很不理想。文章介紹了一種基于應(yīng)變能（ESE）結(jié)果的優(yōu)化方法，可以有效提升白車身彎曲剛度的優(yōu)化效率和優(yōu)化效果，并以某款車型為例，詳細(xì)對比了以上兩種優(yōu)化方法。對比結(jié)果顯示，這種基于應(yīng)變能的優(yōu)化方法在優(yōu)化效率和優(yōu)化效果方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。闡述的基于應(yīng)變能ESE的優(yōu)化方法，可以有效保證白車身彎曲剛度性能的快速達(dá)成，縮短白車身研發(fā)周期，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
1、引言
在汽車行業(yè)整車開發(fā)過程中，白車身彎曲剛度是影響整車性能的重要參數(shù)之一[1]。白車身彎曲剛度不足，會造成整車性能惡化，包括：
（1）在行車過程中引起車身的門框、窗框、發(fā)動(dòng)機(jī)艙口以及行李箱口的變形，并引發(fā)異響；
（2）低剛度必然伴有低的固有振動(dòng)頻率，易發(fā)生結(jié)構(gòu)共振及聲響[2]；
（3）降低白車身結(jié)構(gòu)接頭的連接強(qiáng)度[3]；
（4）影響安裝在底架上總成的相對位置[4]；
（5）直接影響或間接影響汽車行駛的平穩(wěn)性、舒適性和操縱性能[5]。
因此，為了避免上述問題，對于研發(fā)車型，必須合理定義白車身彎曲剛度目標(biāo)值，并在項(xiàng)目前期就開展白車身彎曲剛度CAE分析及優(yōu)化工作，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[6]。
本文提出了一種快速精確找出影響乘用車白車身彎曲剛度性能關(guān)鍵位置的方法，減少對白車身設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求。這種方法極大的提高了白車身彎曲剛度優(yōu)化效率，有效保證整車開發(fā)目標(biāo)和開發(fā)節(jié)點(diǎn)的達(dá)成。
2、傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE 分析優(yōu)化流程
2.1 傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE分析流程
2.1.1 網(wǎng)格劃分及建立連接關(guān)系
將白車身總成CAD數(shù)據(jù)（圖1）導(dǎo)入到CAE軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并建立粘膠、焊接、螺接的連接關(guān)系,得到白車身總成CAE模型（圖2），白車身總成CAE模型中含有白車身總成各鈑金零件的外形、材料、厚度和連接關(guān)系信息。
圖1 白車身總成CAD模型
圖2 白車身總成CAE模型
2.1.2 建立約束關(guān)系
約束右后減振器座沿x軸、y軸和z軸平動(dòng)自由度，約束左前減振器座、左后減振器座和右前減振器座沿y軸和z軸平動(dòng)自由度，如圖3所示。
圖3 白車身彎曲剛度CAE模型約束
2.1.3 建立載荷
在白車身近B柱位置左右兩側(cè)前門檻梁位置沿-z方向分別對稱施加2 224 N集中載荷，如圖4所示。
2.1.4 CAE模型提交計(jì)算
以上CAE模型完成后，提交CAE線性求解器軟件（例如NASTRAN軟件）進(jìn)行計(jì)算。
圖4 施加集中載荷
2.1.5 白車身彎曲剛度計(jì)算
（1）測試點(diǎn)選取
CAE模型計(jì)算完成后，打開計(jì)算結(jié)果文件（例如op2結(jié)果文件）分別在左側(cè)門檻梁和右側(cè)門檻梁中線位置（圖5）提取z向位移絕對值最大點(diǎn)，其Z向位移分別記為Z_left和Z_right，如圖6所示。
圖5 門檻梁中線位置
圖6 測試點(diǎn)選取
（2）彎曲剛度計(jì)算
彎曲剛度計(jì)算值：
式中，Kbending為彎曲剛度。
工程實(shí)際中乘用車白車身左右結(jié)構(gòu)并非完全對稱，雖然會導(dǎo)致Z_left和Z_right對應(yīng)點(diǎn)不處于同一x軸坐標(biāo)。但是由于白車身左右結(jié)構(gòu)差別一般不大，因此左右x軸坐標(biāo)差異一般較小，以上彎曲剛度計(jì)算公式仍然適用。
2.1.6 將彎曲剛度計(jì)算值與目標(biāo)值對比
（1）若白車身彎曲剛度計(jì)算值大于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能達(dá)標(biāo)，不需要進(jìn)行優(yōu)化；
（2）若白車身彎曲剛度計(jì)算值低于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能不達(dá)標(biāo)，則需要執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化流程。
以上即為傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE分析流程。
2.2 傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化流程
2.2.1 依靠經(jīng)驗(yàn)找出白車身薄弱點(diǎn)
若白車身彎曲剛度不達(dá)標(biāo)，則需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿足目標(biāo)要求。白車身設(shè)計(jì)師根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來判斷影響白車身彎曲剛度性能的薄弱點(diǎn)，并針對這些薄弱點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化（例如增加零部件壁厚、增設(shè)加強(qiáng)筋、增加結(jié)構(gòu)膠）。
2.2.2 重新驗(yàn)算優(yōu)化方案下的白車身彎曲剛度
將優(yōu)化后的白車身CAD數(shù)據(jù)重新執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE分析流程，計(jì)算結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的白車身彎曲剛度。
2.2.3 結(jié)果對比
將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的白車身彎曲剛度值與目標(biāo)值對比:
（1）若白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的彎曲剛度值大于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能達(dá)標(biāo)，優(yōu)化完成；
（2）若白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的彎曲剛度值仍然低于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能不達(dá)標(biāo)，需要重新執(zhí)行步驟2.2.1~2.2.3。
由于白車身總成包含的零部件數(shù)量很大，要精確選取影響白車身彎曲剛度性能的薄弱點(diǎn)難度非常大。若白車身設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)不足，則難以抓住真正的白車身彎曲剛度薄弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)往往仍然難以滿足目標(biāo)值，必須重新優(yōu)化，導(dǎo)致以上2.2.1~2.2.3步驟需要反復(fù)進(jìn)行，整車開發(fā)目標(biāo)和開發(fā)時(shí)間節(jié)點(diǎn)難以保證。
2.3 基于ESE的白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化流程
2.3.1 ESE結(jié)果輸出
ESE結(jié)果可以顯示結(jié)構(gòu)中吸收能量最集中的部位和該工況下能量的分布。ESE集中的區(qū)域，表示在該工況下此位置變形大、能量集中、剛度不足，是優(yōu)化關(guān)注的重點(diǎn)。在傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE分析流程的基礎(chǔ)上，在步驟2.1.4中，對完成的CAE模型增加ESE結(jié)果輸出，如圖7所示，其它保持不變，提交CAE線性求解器軟件（例如NASTRAN軟件）進(jìn)行計(jì)算。
圖7 增加ESE輸出
2.3.2 查看ESE結(jié)果
在后處理軟件中（例如HyperView中），查看白車
身彎曲剛度計(jì)算結(jié)果中的ESE結(jié)果，并選取某個(gè)ESE閾值以上的區(qū)域作為優(yōu)化備選區(qū)域。ESE閾值過小，則優(yōu)化備選區(qū)域過大，優(yōu)化效率較低；反之，則優(yōu)化備選區(qū)域過小，同時(shí)由于白車身生產(chǎn)工藝及成本的限制，優(yōu)化空間較小。根據(jù)工作過程中大量車型的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，針對乘用車白車身彎曲剛度性能優(yōu)化而言，一般篩選出ESE計(jì)算值大于0.2的區(qū)域，這些區(qū)域視為白車身彎曲剛度性能的薄弱點(diǎn)，可以同時(shí)兼顧較高的優(yōu)化效率和優(yōu)化空間，如圖8所示。
圖8 應(yīng)變能大于0.2的區(qū)域
2.3.3 對照ESE結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化
結(jié)合白車身的生產(chǎn)工藝（包括鈑金沖壓工藝、白車身焊裝、涂裝、總裝工藝）要求，針對2.3.2中ESE大于0.2的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化（例如增加零部件壁厚、增設(shè)加強(qiáng)筋、增加結(jié)構(gòu)膠等）；
2.3.4 執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE分析
將優(yōu)化后的CAE模型重新執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE分析流程；
2.3.5 結(jié)果對比
將白車身優(yōu)化后的彎曲剛度與目標(biāo)值對比：
（1）若白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的彎曲剛度大于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能達(dá)標(biāo)，優(yōu)化完成；
（2）若白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的彎曲剛度仍然低于目標(biāo)值，則說明白車身彎曲剛度性能不達(dá)標(biāo)，需要重新執(zhí)行步驟2.3.3~2.3.4。
以上這種基于ESE的白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化方法，通過首先篩選出白車身結(jié)構(gòu)中ESE大于0.2的區(qū)域,將這些區(qū)域視為白車身彎曲剛度性能的關(guān)鍵薄弱點(diǎn)并進(jìn)行著重優(yōu)化，大幅度降低了對白車身設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的要求，提高了優(yōu)化效率，有效保證了白車身彎曲剛度性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
3、傳統(tǒng)優(yōu)化方法和基于ESE優(yōu)化方法比較
3.1 背景說明
圖9為某款車型的白車身CAE模型，白車身彎曲剛度CAE計(jì)算值為13 779 N/mm,而目標(biāo)值定義為14 000 N/mm，不滿足目標(biāo)要求，因此需要針對白車身現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（例如增加零部件壁厚、增設(shè)加強(qiáng)筋、增加結(jié)構(gòu)膠），使白車身彎曲剛度達(dá)到目標(biāo)值。
圖9 某款車型的白車身CAE模型
3.2 傳統(tǒng)白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化方案
3.2.1 白車身結(jié)構(gòu)薄弱位置選取
白車身設(shè)計(jì)師根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，零部件A和零部件B（圖10、圖11）是影響白車身彎曲剛度的薄弱部件，結(jié)合白車身的生產(chǎn)工藝要求，白車身設(shè)計(jì)師將零部件A由壁厚0.7 mm增加至1.0 mm，將零部件B由壁厚0.7 mm增加至1.0 mm，作為優(yōu)化后的白車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。
圖10 零部件A和零部件B
圖11 零部件A和零部件B結(jié)構(gòu)
3.2.2 白車身彎曲剛度計(jì)算
對3.2.1中優(yōu)化后的白車身數(shù)據(jù)重新執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE分析流程2.1.1~2.1.6，計(jì)算優(yōu)化后的白車身彎曲剛度值，其結(jié)果匯總?cè)绫?所示。
3.3 基于ESE的白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化方案
3.3.1 增加ESE結(jié)果輸出
在白車身彎曲剛度CAE分析流程階段，就增加ESE結(jié)果輸出（圖7）。
3.3.2 基于ESE結(jié)果查找白車身結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)
在后處理軟件中（例如HyperView中），查看白車身彎曲剛度計(jì)算結(jié)果中的ESE結(jié)果，篩選出ESE計(jì)算值≥0.2的區(qū)域，這些區(qū)域視為影響白車身彎曲剛度性能的關(guān)鍵薄弱區(qū)域，如圖12所示。
圖12 某車型車身ESE≥0.2的區(qū)域
3.3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
將分別屬于3.3.2中ESE≥0.2區(qū)域1和區(qū)域2的零部件C（圖13）和零部件D（圖14）作為優(yōu)化對象，并結(jié)合白車身的生產(chǎn)工藝要求，將其壁厚由1.0 mm增加至1.2 mm，作為優(yōu)化后的白車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。
圖13 零部件C
圖14 零部件D
3.3.4 優(yōu)化效果對比
對3.3.3中優(yōu)化后的白車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)執(zhí)行白車身彎曲剛度CAE分析流程，計(jì)算優(yōu)化后的白車身彎曲剛度值，其結(jié)果匯總?cè)绫?所示。
表1 白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化方法結(jié)果匯總
從表1可見，基于應(yīng)變能的白車身彎曲剛度優(yōu)化方法在優(yōu)化效率和優(yōu)化效果方面均優(yōu)于傳統(tǒng)優(yōu)化方法。
4、 結(jié)束語
從表1結(jié)果對比可見，基于應(yīng)變能的白車身彎曲剛度CAE優(yōu)化方法，可以快速識別現(xiàn)有白車身結(jié)構(gòu)中彎曲剛度性能的關(guān)鍵薄區(qū)域，并結(jié)合白車身的生產(chǎn)工藝要求針對薄弱點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，大幅度降低了對白車身設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求，提高了優(yōu)化效率，有效保證了白車身彎曲剛度性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
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京公網(wǎng)安備11010802046783號
