基于HyperWorks焊点等效方法在白车身分析中研究

来源：Altair论文集    作者：陆志成      

关键字：OptiStruct  ACM焊点  白车身模态  扭转刚度  弯曲刚度  

本文首先从焊点对单个零件的影响进行分析，包括焊点类型及焊点等效方法的研究，通过与实验进行对标，从而定义合理的焊点模拟形式，并将该焊点模拟形式及等效形式应用于整个白车身，分析其模态、弯曲刚度及扭转刚度。

1 引言

    汽车在不同的路面上行驶时，需要承受各种载荷的作用。车身刚度性能的好坏会直接影响汽车的行驶性能，例如，刚度不足会影响到车厢的密封性能，及汽车的NVH性能，甚至会影响到碰撞性能，因为汽车发生碰撞时，过大的车身变形会造成车门卡死、玻璃破碎等现象，进而威胁到驾驶舱中人员的安全。所以，车身结构刚度是车身性能评价的一个非常重要的指标。

    在CAE领域，一个系统的研究涉及的工况较多，有时需要建立多套CAE网格模型，需要很多的人力成本、建模成本，模型管理起来也不方便。本文首先从焊点对单个零件的影响进行分析，包括焊点类型及焊点等效方法的研究，通过与实验进行对标，从而定义合理的焊点模拟形式，并将该焊点模拟形式及等效形式应用于整个白车身，分析其模态、弯曲刚度及扭转刚度。

2 焊点类型的研究

    轿车的白车身主要由大量的覆盖件焊接而成，在CAE分析中，焊点的模拟方式种类很多，常用的焊点模拟类型有RBE2、BAR、CWELD、ACM，而选择不同的焊点模拟方式得到的仿真结果是有差异的。因此，首先建立一个简单的梁模型，通过14个焊点连接，网格尺寸大小采用20×20mm，仿真模型如图1所示，比较4种焊点的结果差异，从表1中可知，20×20mm的网格，ACM与实验值对标最好，后续分析将基于ACM焊点类型进行研究。

 

图1 仿真模型

表1 不同焊点类型的结果比较

 

3 等效ACM焊点研究

    建立合理和准确的有限元仿真模型是保证正确仿真结果的前提条件。三维几何模型在进行有限元网格划分时，网格尺寸的选择会依据分析工况及企业（或个人）的常用标准而不同，常见的网格尺寸主要包括3×3mm，5×5mm，10×10mm及20×20mm四类。

    根据以往的经验，白车身模态及整体刚度的有限元仿真计算时，采用20×20mm的网格尺寸，其仿真结果与实验对标较好。但在实际计算中，5×5mm的网格尺寸应用较多，因此可以采用ACM焊点等效的思路，基于5×5mm网格尺寸来获得20×20mm 的网格尺寸的仿真结果，进而达到利用一套网格计算多个工况的目的，为后续网格工作减少工作量。

    ACM焊点等效的原则是焊点的影响区域要与20×20mm网格焊点影响区域一致，首先保持焊点的刚度值不变，然后对焊核直径及弹性模量进行等比例的缩放。

    在前处理软件HyperMesh建立如图2所示所示的模型，模型的网格尺寸为5×5mm，对焊点进行处理，将焊核直径放大四倍到20mm，弹性模量同样进行一定比例的缩放。针对20mm×20mm网格模型，焊点直径为4mm，影响区域为一个网格单元，面积为400mm²；5×5mm网格模型，同样直径的焊点影响区域为4个网格单元，面积只有100mm²；经过焊点等效后的5×5mm网格模型影响区域为16个网格单元，面积为400mm²，焊点的影响区域与20mm网格模型一致。针对不同尺寸的模型，通过OptiStruct求解器求解计算模态值，利用HyperView查看模态结果，表2给出了5×5mm等效焊点的前5阶模态仿真值，与实验值的最大差异为4.45%，表明等效ACM焊点的正确性。

 

图2 焊点等效模型

表2 焊点等效的结果比较

 

4 等效ACM焊点对白车身模态及刚度的影响研究

    本研究是基于上述的研究结果，在HyperMesh中建立某车型的白车身网格模型，采 用5mm×5mm的网格，利用等效的ACM焊点进行建模，某轿车的白车身有直径为4mm及6mm两种焊点，等效后的4mm及6mm焊点直径为20mm及30mm，保持焊点的拉伸刚度不变，弹性模型由210000GPa变为8400GPa，如图3所示，对该轿车的白车身有限元模型进行包括模态、扭转刚度及弯曲刚度分析。

 

图3 白车身模型

    4.1 白车身模态分析

    汽车行驶在不同的路面上，会受到外界的冲击作用，当外界的激励频率接近或达到白车身局部或整体的固有频率时，会使车身件发生共振，产生噪音，影响其舒适性，严重时会引起车身件的振动疲劳破坏。因此，有必要对白车身进行模态响应分析，特别是一阶整体扭转模态，进而根据标准要求或经验对模态进行评价，避免共振的发生。

    一阶扭转模态是白车身关注的重要模态，企业标准要求一阶扭转模态大于43Hz。为了提高计算效率，将模态频率设定在0-50Hz范围内，利用Nastran线性分析软件进行该白车身的有限元模态分析，经计算得到的一阶扭转模态为44.09Hz，结果如下图4所示。

    实验采用多点激振、多点响应的方法提取白车身的模态。用软绳在前悬架支承区域和后保险杠防撞梁区域将车身悬吊起来。在白车身区域选取激励点，同时对x、y、z三个方向分别进行激励，并测试出激励点处x、y和z向的加速度响应，计算传递函数，对传递函数求平均，进行模态定阶。实验测得一阶扭转模态值为43.6Hz，振型如图4所示。

    一阶扭转模态的仿真值为44.09Hz，实验值为43.6Hz，误差不超过2％，对标性较好。基于5×5mm的网格采用等效acm焊点模型可以用于白车身的模态计算。

 

图4 白车身模态分析及实验结果

    4.2 白车身扭转刚度分析

    汽车行驶在凸凹不平的路面时，车身将产生扭转变形。扭转刚度(K)用于表示车身抵抗扭转载荷的能力，用式(1)进行计算，车身扭转刚度通常用车身扭转角来衡量。

 

    式中：M为所施加的力矩，M=1000N·m；

    d_fl，d_fr分别为前悬架支撑处变形量绝对值；

    d_rl，d_rr分别为后悬架支撑处变形量绝对值；

    Y_f，Y_r分别为前轴、后轴悬架支撑处的距离。

    利用专业的前处理软件HyperMesh，采用惯性释放的方法，在前后悬架支撑处均施加1000N·m的力矩，输出纵梁Z方向的变形。仿真计算得到最大扭转角在前部，相对扭转角为0.76mrad，扭转刚度为22680N·mm/deg。如图5所示，图中横坐标为车身纵梁的X坐标，纵坐标为各测量点的扭转角度。

    扭转刚度实验边界为后部连接处完全固定，无自由度；前部通过三角支架与台架的横梁刚性铰接，横梁在YZ平面内可以自由旋转。选择测量点的位置时，尽量选能体现总体刚度的部位，根据要求并结合经验在左右纵梁下布置了30个位移测点，使用百分表测量各测点的Z向位移情况，如图5所示。先按最大载荷预加载，卸载后分级施加载荷，加到最大载荷后再分级卸载，升程、回程都读取位移值，取其平均值。实验测得的扭转刚度值为22000N·mm/deg。

    从上面结果可知，扭转刚度的仿真值与实验值误差在2％以内，对标性较好。基于5×5mm的网格采用等效acm焊点模型可以用于白车身的扭转刚度计算。

 

图5 白车身扭转刚度分析及实验结果

    4.3 白车身弯曲刚度分析

    汽车行驶在凸凹不平的路面时，车身也将产生弯曲变形。弯曲刚度(K)用于表示车身抵抗弯曲载荷的能力，用式(2)进行计算。车身弯曲刚度通常用纵梁最大垂直挠度来衡量。

 

    式中：∑F为车身所受的垂直外载荷；

    D_Z（mid lh），D_Z（mid rh）分别为为中部左右两端的Z向变形；

    D_Z（fr lh），D_Z（fr rh）分别为前端左右两端的Z向变形；

    D_Z（rr lh），D_Z（rr rh）分别为后端左右两端的Z向变形。

    通过前处理软件HyperMesh建立弯曲刚度计算模型，其中，对后悬架弹簧支座区域3个平动自由度（XYZ方向）进行约束，对前悬架弹簧支座区域1个平动自由度（Z向）进行约束；在前后座椅H点分别施加1667N的力，从而输出纵梁Z方向的变形。仿真计算模型及仿真曲线如图6所示，曲线图中，横坐标表示车身纵梁的X坐标，纵坐标表示各测量点的垂直方向变形量。

    弯曲刚度实验边界为将白车身的前后、左右悬置点部位放置在支撑柱和支撑座上。支撑柱置于实验平板之上，并用压板固紧。加载点位于前、后座椅H点前（-X方向）200mm的门槛处。在加载点的正上方放置与待试白车身相对应的加载块，在加载装置液压缸伸出的活塞杆的前端安装带有平面的接头，安装加载装置使液压缸活塞杆的轴线与加载块上平面垂直，使活塞杆接头平面与加载块上平面吻合。几个活塞杆作动器的载荷从零缓慢增加，应确保在实验加载时段的任一时刻每个作动器的载荷是相等的。当每个加载点的力等于1667N时，保持每个加载点的力不变，测量开始，测量完成后卸载。

    在左、右门槛铅垂方向变形可能最大的中间部位安装百分表，在左右纵梁其它地方分别安装12个百分表，在加载过程中测量变形情况，记录加载力等于1667N时纵梁的变形量f，实验如图6所示。

    弯曲刚度实验结果为40989N·mm/deg和CAE分析结果为39500N·mm/deg，误差在5%以内，基于5×5mm的网格采用等效acm焊点模型可以用于白车身的弯曲刚度的计算。

 

图6 白车身弯曲刚度分析及实验结果

5 总结

    本文对焊点类型进行了研究，找出合理的焊点等效方法，并应用于汽车白车身的分析，将CAE分析值与实验方法获得的实验值进行比较，得出基于5×5mm的网格采用等效acm焊点模型计算的白车身模态、扭转刚度及弯曲刚度值与实验值之间的误差均在5%以内，一致性较好。研究结果对于指导白车身的设计与开发工作有参考价值，也有助于缩短开发周期。

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