实例干货||白车身扭转刚度优化

白车身扭转刚度优化实例

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了白车身扭转刚度优化的实例，包括分析目的、使用软件说明、有限元模型建立、白车身扭转刚度分析边界条件以及仿真分析结果。通过有限元分析，得出白车身扭转刚度为14084N/mm，不满足目标要求。建议进行局部零件调整，添加加强筋或更换材料以提高扭转刚度数值结果。

1.分析目的

白车身是整车的关键总成，在设计阶段为满足整车实际工况性能，车身应有足够的刚度，若刚度不足，会导致车身局部区域出现大的变形，从而影响了车的正常使用。车身刚度就是汽车车身抵抗可恢复变形的能力，刚度对整车的碰撞、NVH、操纵稳定有明显的影响。比如，刚度高的车身在碰撞中有明显提升；低刚度车身伴随有低的固有频率，在整车实际工况中易发生结构共振和异响。

本案例以某白车身为分析对象，利用有限元法，对其进行了扭转刚度分析。

2.使用软件说明

本次分析采用Hypermesh作前处理，Nastran作为求解器。

3. 有限元模型建立

对白车身CAD模型严格遵循网格划分标准进行有限单元网格划分，有限元模型如图3.1所示，网格划分标准如图3.2所示（详细标准参照整车网格前处理规范）。白车身所有零部件均采用壳单元进行划分，并尽量减少三角形数量，网格描述见表3.1。

图3.1 白车身有限元模型

表3.1 网格描述

  图3.2 白车身网格划分标准

 4. 白车身扭转刚度分析边界条件

4.1 白车身扭转刚度测试实况

实验台主要功能是在车身上进行加载，通过测点数值计算车身刚度，如图4.1。

图4.1 静态刚度试验台

4.2 有限元中扭转刚度边界条件

约束：前前减震器固定点自由度1，后减震器固定点自由度123。

载荷：前减震器固定点加载绕X轴旋转的扭2000N•m

          前减震器处施加垂向向下的力1776N如图4.2。

图4.2 白车身扭转刚度分析边界条件

5.仿真分析结果

5.1 位移云图

通过分析得到扭转工况下左右前纵梁测量点Z向位移，左右后纵梁测量点Z向位移，来计算白车身在工况下的扭转刚度。

扭转工况下，白车身 Z 向变形如图5.1。

图5.1 白车身 Z 向变形图

5.2 分析结果

根据分析得到的位移数据，可以求出工况的扭转刚度。

扭转刚度计算公式：扭转刚度＝2000/{[arctan(│F1│+│F2│)/L1] -[arctan(│R1│+│R2│)/L2] }。

白车身工况下门槛处的 Z 向最大位移如表5.1。

表5.1 最大位移

F1为左前纵梁的测量点Z向位移，F2为右前纵梁的测量点Z向位移，R1为左后纵梁的测量点Z向位移，R2为右后纵梁的测量点Z向位移，L1为F1监测点与F2监测点之间的距离，L2为R1监测点和R2监测点之间的距离。

白车身扭转刚度＝

2000/{[arctan(1.18+1.143)/923]-[arctan(0.024+0.019)/1096] }＝14084N/mm。不满足目标值，如表5.2。

表5.2 刚度分析结果

5.3 监测点分析

本次分析在车身纵梁下部和门槛下部分布了一系列监测点，通过监测点的X坐标值和该点在车身扭转时产生的垂直变形量描绘扭转变形曲线。监测点如图5.2所示。

图5.2 白车身监测点位置

    左前纵梁和右前纵梁监测点数值如表5.3。

表5.3 左右前纵梁监测点垂向变形量

    左门槛梁和右门槛梁监测点数值如表5.4。

表5.4 左右门槛梁监测点垂向变形量

    左后纵梁和右后纵梁监测点数值如表5.5。

表5.5 左右后纵梁考核点垂向变形量

5.4刚度曲线绘制

    左侧扭转刚度曲线和右侧扭转刚度曲线如图5.3和图5.4。

图5.3 左侧扭转刚度曲线

图5.4 右侧扭转刚度曲线

    白车身扭转刚度曲线和右侧扭转刚度曲线如图5.5。

图5.5 扭转刚度曲线

6．结论

    通过上述计算结果可知：

  1.白车身扭转刚度为 14084N/mm ，不满足目标要求。

  2.从扭转变形曲线看，曲线无明显突变，扭转变形良好。

  3.建议做局部零件调整，添加加强筋或更换材料。

7．刚度优化

7.1 优化分析

  为提高扭转刚度数值结果，可简单等效为减少车身前纵梁Z向变形，结合变形云图很难直观的提出优化方案，考虑到结构受到载荷作用时，其结构会产生变形，载荷做的功会以应变能形式储存，应变能高的地方即代表对整体刚度有最大贡献量，在优化过程中着重提高应变能高的位置的零部件刚度，有助于提高车身整体刚度。

  通过计算输出应变能如图7.1。

    图7.1 应变能

根据应变能云图得出对扭转刚度贡献最大的5处位置，分别如图7.2-7.6。

图7.2 应变能第一位置

图7.3 应变能第二位置

图7.4 应变能第三位置

    图7.5 应变能第四位置

    图7.5 应变能第五位置

7.2 优化方案

    根据应变能云图，结合整车开发过程中实际情况，确定优化方案。

    方案一（根据应变能第一和第二位置确定）：将原2层焊替换为3层焊如图7.5-7.6。

图7.6 原方案

图7.7 优化方案一

    方案一白车身 Z 向变形如图7.8。

图7.8 优化方案一Z向位移图

    方案二：在方案一的基础上，左右两边分别增加三个焊点。如图7.9。

图7.9 优化方案二

    方案二：白车身 Z 向变形如图7.10。

图7.10 优化方案二Z向位移图

方案二白车身 应变能如图7.11。

  图7.11 方案二应变能云图

方案三：在方案二的基础上，根据方案二的应变能云图，将左右前塔座从2mm变为2.5mm。如图7.12。

图7.12 方案三

方案三白车身 Z 向变形如图7.13。

图7.13 优化方案三Z向位移图

7.3 优化结论

根据优化方案确定测量点Z向变形，计算各方案的扭转刚度数值如表7.1。

表7.1 优化结论

采用优化方案三可满足扭转刚度目标值。

注：本案例实际优化过程有20多次，考虑到篇幅并未完全体现，本案例定位为做刚强度项目的朋友起到抛砖引玉之作用。实际优化中需要多方面进行综合考量，增重优化方案在没有其他方案的情况下选择实施。另排版问题请多关照。