1、某车型车身排气结构设计与分析 北京汽车2023.No.2 16 北北 京京 汽汽 车车 文章编号：1002-4581（2023）02-0016-04 某车型车身排气结构设计与分析 张智峰 Zhang Zhifeng（江西昌河汽车有限责任公司，江西 景德镇 333000）摘 要：针对某款车型在样车测试中发现的车辆关门力大问题，经对比不同车型的排气孔面积和车辆乘员舱体积，发现问题产生的主要原因是排气孔面积不足。通过有限元方法对车身钣金件增加排气孔后的车身刚度、强度进行分析优化，结果显示优化后车身扭转刚度降低 0.63%，弯曲刚度降低 0.81%，车身刚度仍满足设计要求，排气孔处的应力值分别为 56
2、 MPa 和 54 MPa，低于材料屈服强度，验证了优化方案的可行性和可靠性。关键词：白车身；仿真分析；扭转刚度；弯曲刚度 中图分类号：U463.83 文献标志码：A DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.004 0 引 言 车门关闭力是直接影响客户体验感的重要指标之一，同时也体现了整车厂的产品设计和制造水平。车门关闭力主要受限位器、密封胶条、铰链、门锁、车门质量、气体泄漏量等因素影响1，并且气体泄漏量对内腔体积较小的车辆的车门关闭力影响较大2。对某款车型的试制样车进行测试，得到关门速度平均值为 1.15 m/s，车门关闭力偏大，超出设计要求。该车型乘员舱
3、体积为 4.6 m3，排气孔数量为 1 个，排气孔尺寸为 212 mm71 mm，排气孔面积为 15 052 mm2。对比其他多款车型，发现排气孔通常有 2 个，排气孔面积为20 00035 000 mm2，布置在车辆尾部或者尾部两侧对称位置，如图 1、图 2 所示，乘员舱容积为 3.55.5 m3。对比后发现，测试车型的排气孔面积过小，使车门关闭力增大。综合考虑设计变更的实施位置、改善效果、修模成本、整改周期等因素，最终确定优化方案为在车身后组合灯安装板处左、右两侧各增加一个 125 mm55 mm 的方孔，孔翻边 3 mm 以增强开口处结构强度，如图 3 所示。图 1 排气孔布置在车辆尾部
4、 图 2 排气孔布置在车辆尾部两侧 某车型车身排气结构设计与分析 北京汽车2023.No.2 17 北北 京京 汽汽 车车 图 3 新增排气孔 车身刚度、强度对整车的承载能力、疲劳强度、可靠性、安全性等均有影响3，刚度不足时会降低车身上总成、附件的性能和使用寿命4；通过对比车身在扭转工况和弯曲工况下刚度、强度变化情况，验证优化方案的可行性和可靠性5。1 模型创建 1.1 模型描述 车身质量约为 290 kg，运用前处理软件采用壳单元进行建模，网格尺寸为 8 mm 8 mm，单元总数约为 124 万，节点总数约为 125 万。点焊选用 ACM 单元模拟6，螺栓、烧焊和塞焊采用 RBE2单元模拟，
5、粘胶采用 SOLID+RBE3 单元模型。后组合灯安装板材料为 DC04，材料屈服强度为 170 MPa，其他零件材料参数见表 1。表 1 材料参数 材料 弹性模量/MPa 密度/(kgmm-3)泊松比 钢材 210 000 7.85 10-6 0.30 粘胶 2.26 1.4 10-6 0.45 1.2 加载与边界约束 1.2.1 加载（1）扭转工况：在右前减振器安装孔中心点处施加载荷 F，方向竖直向上。F L/2=2 000 Nm （1）式中：L 为左前、右前减振器安装孔中心点的横向距离，取值 1 096 mm。由式（1）可得 F=3 650 N。（2）弯曲工况：前排座椅 2 个 R 点沿
6、 Z 轴负向分别加载 1 500 N 集中力。后排座椅安装孔中心点及其周围螺母垫板用 RBE2 刚性连接，沿 Z 轴负向施加 3 000 N 集中力，加载点与座椅安装孔中心点用 RBE3 柔性连接。1.2.2 约束（1）扭转工况：车身后缓冲块安装处，左侧约束 X、Y、Z 3 个方向的平动自由度，右侧约束 Y、Z 2 个方向的平动自由度，如图 4 所示。（2）弯曲工况：车身前减振器安装孔中心处，左侧约束 X、Z 2 个方向的平动自由度，右侧约束Z 向平动自由度；车身后缓冲块安装处，左侧约束X、Y、Z 3 个方向的平动自由度，右侧约束 Y、Z 2个方向的平动自由度。如图 5 所示。注：SPC（Si
7、ngle Point Constraint，单点自由度约束）。图 4 扭转工况边界条件 图 5 弯曲工况边界条件 2 仿真结果 2.1 扭转工况（1）应力：优化方案的仿真结果显示，后组合灯安装板开孔后的整体应力略大于开孔前，最大应力位置为与周边零件的焊接边搭接处，最大应力值分别为 129 MPa 和 130 MPa；开孔处最大应力值为 56 MPa，低于材料屈服强度 170 MPa；优化前、后应力分布如图 6、图 7 所示。某车型车身排气结构设计与分析 北京汽车2023.No.2 18 北北 京京 汽汽 车车 图 6 优化前应力分布（扭转工况）（2）扭转刚度：提取优化前、后模型扭转工况左、右纵
8、梁上测点的最大位移量，计算位移平均值 D 和车身扭转刚度 Kt。图 7 优化后应力分布（扭转工况）位移平均值 D 计算式为 （2）式中：D1、D2分别为左、右侧纵梁上的测点沿Z 向的位移量，mm。相对扭转角由近似计算得到，即 （3）车身扭转刚度 Kt计算式为 （4）式中：M 为作用在白车身上的扭矩，Nm；为白车身相对扭转角，。由式（2）（4）计算得到车身扭转刚度值，见表 2。表 2 车身扭转刚度值 加载力矩/Nm 优化前 优化后 平均位移 变化量/mm 扭转刚度 变化率 平均位移/mm 扭转刚度/(Nm()1)平均位移/mm 扭转刚度/(Nm()1)2 000 1.734 22 052 1.7
9、45 21 913 0.011 0.63%注：平均位移变化量=优化后平均位移优化前平均位移；扭转刚度变化率=(优化后扭转刚度优化前扭转刚度)/优化前扭转刚度100%。从表 2 可以看出，扭转工况下后组合灯安装板测点在优化前、后平均位移的变化量非常小，扭转刚度值降低了 0.63%，但刚度值仍在设计目标范围（13 000 Nm/），优化方案满足要求。2.2 弯曲工况（1）应力：优化方案的仿真结果显示，后组合灯安装板开孔后的整体应力略大于开孔前，最大应力位置为与周边件的焊接边搭接处，优化前、后最大值分别为 106 MPa 和 106 MPa；开孔处最大应力值为 54 MPa，低于材料屈服强度，优化前
10、、后应力分布如图 8、图 9 所示。图 8 优化前应力分布（弯曲工况）某车型车身排气结构设计与分析 北京汽车2023.No.2 19 北北 京京 汽汽 车车 图 9 优化后应力分布（弯曲工况）（2）弯曲刚度：提取优化前、后模型弯曲工况左、右纵梁上测点的最大位移量，计算位移平均值和车身弯曲刚度，测点位置如图 10 所示。（a）车身测点示意 （b）AA 截面 图 10 计算弯曲刚度的车身测量点 位移平均值 S 的计算式为 （5）式中：S1、S2分别为左、右侧纵梁上测点处最大位移，mm。车身弯曲刚度 K 计算式为 （6）式中：F 为加载总力，取值 6 000 N；S 为左、右侧纵梁测点最大位移的平均
11、值，mm。由式（6）计算得到车身弯曲刚度值，见表 3。表 3 车身弯曲刚度值 加载力/N 优化前 优化后 平均位移变化量/mm 弯曲刚度 变化率 平均位移/mm 弯曲刚度/（Nmm1）平均位移/mm 弯曲刚度/（Nmm1）6 000 0.201 6 29 762 0.203 3 29 520 0.001 7 0.81%注：平均位移变化量=优化后平均位移优化前平均位移；弯曲刚度变化率=(优化后弯曲刚度优化前弯曲刚度)/优化前弯曲刚度100%。由表 3 可以看出，弯曲工况下后组合灯安装板测点优化前、后的位移变化量非常小，弯曲刚度值降低了 0.81%，但刚度值仍在设计目标值范围（16 000 N/m
12、m），优化方案满足要求。3 结 论 本文通过有限元仿真对车身刚强度进行分析，分别从扭转工况和弯曲工况考察相关零部件的应力变化和刚度变化。在扭转和弯曲工况下，后组合灯安装板增加排气孔后位置的应力值小于材料屈服强度，车身扭转刚度和弯曲刚度变化率很小，均在设计目标范围，验证了优化方案的可行性和可靠性，为解决车门关闭力大问题提供理论依据。参考文献 1尹培苗，汪建涛，顾翔车门关门力的影响因素J.装备工程，2017（5）：44-45.2朱建华，刘晶，蒙永种整车气体泄漏量对关门力的影响研究J.企业科技与发展，2019（7）：47-49.3汪跃中，贺鑫，董华东某纯电动汽车白车身弯曲刚度分析与优化设计J.汽车零部件，2019（7）：50-52 4李铁柱，华睿，黄维基于拓扑优化的白车身扭转刚度性能设计J.汽车实用技术，2019（17）：180-182.5袁夏丽，刘俊红，刘丹，等某轿车白车身刚度分析与结构优化J汽车实用技术，2018（14）：80-81 6蒋兵，夏琼，王克飞，等.某 SUV 白车身静态扭转刚度分析J.汽车零部件，2018（6）：25-28.2022 07 21-收稿日期：单位：mm