车身结构刚度与模态分析及结构改进方法研究

《车身结构刚度与模态分析及结构改进方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、车身结构刚度与模态分析及结构改进方法研究摘要：基丁冇限元分析方法，对车身结构的弯曲刚度、扭转刚度和低阶模态分析方法和原理进行了研究；建立某轿车的冇限元模型，根据其刚度和模态分析结果和该车身的受力特点，通过调疫关键结构件的厚度参数以及修改主耍接头的连接关系和截面形状，成功地使车身刚度和模态性能达到了设计要求。关键词：车身，弯曲刚度，扭转刚度，模态，有限元0前言现代轿车适应轻量化的要求普遍采用承载式车身，它必须能为乘客提供足够的安全保障和舒适的乘坐空间，因而要求其具有足够的刚度、强度保证其装配和使用的要求以及合理的动态特性达到控制振动与噪声的目的⑴

2、。在车身设计的不同阶段，车身刚度和模态分析和改进采用不同的措施和策略。在早期的概念设计阶段，通常的做法是建立车身结构概念模型，即建立板壳单元模型，用梁单元模拟由几个零件围成的封闭截面（如A柱、B柱、C柱、门槛、门框上部、窗框、以及前后纵梁与底板围成的封闭截面等），保证其儿何中心和惯性矩、扭转常量等儿何特性相同；用壳单元模拟大的覆盖件，如顶盖、前围板、底板；用刚性单元和弹簧单元模拟车身主耍接头；以车身主断面的几何特性（包括截面形状和厚度）以及接头刚度为变暈，对车身刚度和模态进行灵敏度分析，以便在整车性能目标下对截而的形状进行合理的修改，对接头的刚

3、度进行合理的分配。国外20世纪80年代末期就开始了车身结构修改的灵敏度分析，NicklasBylund、KanNi等对接头和截面的特性对整车性能的影响进行了系统的研究，开发出了相应的计算机分析软件，且成功地应用于VOLVO车型的开发中⑵役国外的研究表明，仅接头对车身的刚度贡献率就可能高达60%⑵；福特公司对Taurus白车身的一阶弯曲模态试验表明，其中20%应变能分布在接头上,54%应变能分布在截面上；弯曲刚度试验中，12%应变能分布在接头上，32%应变能分布在截而上；一阶扭转模态试验表明，18%应变能分布在接头上，51%应变能分布在截面上；扭

4、转刚度试验中，17%应变能分布在接头上，46%应变能分布在截面上。国内学者乔淑平、兰凤崇、雷雨成等在90年代末对轿车的参数化模型进行了大量的研究，在车身早期设计的结构形式和参数的确定等方面収得了很多有意义的结论X-因此在车身概念设计阶段建立适当精度的有限元模型，对其主要截面的几何特性以及接头刚度进行合理分配是控制车身刚度和模态性能的关键，它可以减少后续的重复工作量。在车身设计的中后期，或对现有车型的改进设计阶段，一种方法是基于模态和刚度的板厚灵敏度分析,确定结构修改的最佳位置和尺寸，在保证轻量化的前提下对车身板件厚度进行合理的调整⑻，国内学者朱

5、平、韩旭等在考虑制造工艺和成本限制的前捉下，应用上述方法成功地对某国产SUV进行了轻量化改进设计⑼；另外一种方法是根据刚度和模态有限分析或试验结果，在结构调整尽可能少的前提下，对结构进行局部修改和加强。由于车身结构修改的复杂性，工程实践中，特别是现有车型的改进设计中，提高白车身刚度和模态特性的措施大多依赖工程经验，且缺乏系统的指导思想。本文对车身结构的弯曲刚度、扭转刚度以及低阶模态有限元分析方法和原理以及车身结构改进方法进行了研究，建立某车型的有限元模，对其进行了刚度和模态分析，并给出了结构改进方案。1车身刚度和模态有限元分析1.1有限元分析模

6、型的建立某国产MPV为三排座椅、后车门为滑门、后门采用后背门的承载式车身。有限元模型屮不考虑前翼子板、保险杆等车身上用螺栓联结的非承载件，国外学者通过研究轿车白车身及各总成对整车扭转刚度和扭转模态的贡献率，前风挡玻璃贡献率可以高达15%3,因而采用白车身CAD数据和前风挡玻璃模型和后侧窗玻璃在HyperMesh软件中构建有限元模型，采用NASTRAN有限元分析软件进行求解。模型的建立要反映结构力学性能，反映车身结构的实际形状和相互间的搭接关系。去掉局部过度或工艺要求等对整体刚度影响不大的局部特征，忽略半径小于4的倒角，半径大于lOmin的倒角采

7、用两排网格;忽略直径小于10mm焊接定位孔和电器线朿走线孔，保留螺栓连接孔和减重孔；保留较大的加强筋、翻边和凸台。玻璃和车身板件采用壳单元进行离散，单元的基本尺寸为10mm；玻璃与前风挡框以及顶盖与顶盖横梁间采用SOLID单元来模拟胶接，点焊用CWELD进行模拟，采用节点重合或RBE2单元并保证焊接节点对齐来模拟缝焊。控制单元的质量指标，如长宽比、翘曲度、雅可比、四边形壳单元最大内角和最小内角、三角形壳单元最大内角和最小内角。根据上述要求构建的有限元模型如图1所示，共640690个节点,610664个单元，三角形单元比例小于4.996。图1车身

8、有限元模型有限元模型中共包括低碳钢板、涂胶和玻璃三种材料，其材料属性如表1所列。表1有限元模型材料属性表材料弹性模最E(MPa)泊松比〃密度P(kg/