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10.16638/jki.1671-7988.2021.05.041
白车身刚度试验与仿真分析研究
徐余平，芦伟，张艳玲，李伟
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）
摘 要：在刚度试验台上对某MPV 白车身进行弯曲和扭转刚度试验，并与有限元分析结果进行对比，其结果表明：扭转刚度对比误差为7.56%，弯曲刚度对比误差为1.85%，仿真精度满足要求，可以为进一步的结构分析优化提供基础。
关键词：白车身；静刚度；刚度试验；有限元分析
中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988(2021)05-143-03
Research on the Stiffness Test and Simulation Analysis of BIW
Xu Yuping, Lu Wei, Zhang Yanling, Li Wei
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )
Abstract: The bending&torsion stiffness of a MPV white body have been tested on the stiffness test-rig, and compared with FEA analysis, The result indicates the error of bending&torsion stiffness are 7.56% and 1.85%, so the simulation accuracy meets the requirement. The method provides the foundation for further more structure optimization. Keywords: White body; Stiffness; Stiffness test; FEA analysis
CLC NO.: U467  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2021)05-143-03
前言
现阶段大多数乘用车采用承载式车身结构。车身作为底盘等附件的安装基础，在行驶中承受着各种路况带来的交变载荷，因此车身结构的刚度性能至关重要。低刚度会导致车身明显变形，引起门窗内饰损坏，车锁变形卡死等问题[1]。
本文对某款MPV 白车身进行了弯曲扭转刚度试验测试以及CAE 仿真分析，通过两种途径来获取静刚度性能，并探究仿真与试验之间的关联与差异，验证仿真是否可以提供有效直接的关键数据，为整车设计改进提供依据。
1 白车身静刚度试验测试
1.1 测试设备
在白车身刚度试验台上进行白车身弯曲扭转刚度测试，利用固定装置（T 型槽地板、固定柱和夹具）以及加载装置
（加载电动机、横杆梁和拉杆）对白车身进行固定和试验加
载，通过位移传感器，力传感器获取试验加载条件下车身部位的变形量，从而计算得到白车身的弯曲刚度及扭转刚度值。 1.2 试验方案
1.2.1 边界条件
在白车身前悬架与支撑盘之间通过螺栓刚性连接，在支撑盘与支撑架之间通过球铰链连接，后悬架要进行完全约束如图1所示：
（a ）前悬            （b ）后悬
图1  前后悬架约束形式
作者简介：徐余平，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
汽车实用技术
1441.2.2 传感器布置位置
试验测点位置的选取应在能够体现车身整体刚度的位
置：前后纵梁，门槛梁等关键地方[2]。测点布置示意图如图2所示。
图2 位移传感器布置
1.2.3 扭转刚度试验
在扭转刚度试验中分为左加载与右加载两种情况，试验载荷在白车身前悬架塔形支撑处进行施加扭矩。
（1）预加载：为消除约束位置部件与夹具之间的安装间隙影响[3]，试验正式进行前，预加载一半的扭转载荷，即2000N·m。
（2）试验过程：预载后，测试设备数据归零，在车身前部左侧施加扭转载荷4000N·m，按1000N·m步长逐级加载，加载位置如图3所示；第一次试验结束后，卸载，将设备数据清零，重复第一次试验步骤，进行第2、3次试验。
图3 左扭转加载图4 右扭转加载
（3）试验数据及结果：通过位移传感器获取相应测点位置在加载过程中的变形量，然后求取三次试验结果的平均值。
表1 相对扭转角/°
图5 左扭转刚度拟合曲线
计算左、右扭转最大的相对扭转角，如表1所示，并由各载荷下相对扭转角拟合白车身扭转刚度，如图5所示。
刚度拟合结果为左扭转19618Nm/°，右扭转18930Nm/°，平均扭转刚度Kt=19274Nm/°
1.2.4 弯曲刚度试验
弯曲扭转试验步骤与扭转工况一样：在车身左右门槛梁1/3处上方位置各施加载荷4000N，按1000N步长阶梯加载，如图6所示。
图6 弯曲刚度加载
三次试验结果取平均值，根据最大变形量拟合白车身弯曲刚度，如图7所示。白车身弯曲刚度Kb=14682N/mm。
图7 弯曲刚度曲线
2 白车身刚度有限元仿真分析
2.1 白车身有限元建模
白车身主要由钣金冲压件通过焊接而成，在有限元建模软件中由壳单元四边形Cquad4和三角形Ctria3来模拟车身结构，单元基本尺寸为8mm×8mm。建模过程主要包括几何清理、网格划分、连接单元创建、模型检查等内容。
2.2 边界条件
图8 左扭转分析模型
参照刚度试验情况，对有限元模型施加等效一致的约束条件及载荷[4,5]。本文在前悬架、后减振器安装处利用RBE2单元模拟塔形支撑，扭转工况下，在前悬架下方800mm处正中心位置约束自由度12356，在后减震器塔包支撑处约束
徐余平 等：白车身刚度试验与仿真分析研究
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自由度123；弯曲工况下，在前悬塔包处约束自由度23，在后减震器塔包处约束自由度123。
3 试验与仿真研究对比分析
由于白车身结构基本左右对称，因此只对白车身的弯曲、左扭转工况进行对比分析。其弯曲工况仿真结果如图9所示。
图9  弯曲变形仿真云图
在仿真结果中提取相应的测点位移值，进行数据统计和分析。
表2  扭转角
扭转刚度可根据车身载荷与前后悬的相对扭转角的比值衡量，计算式为：Kt=T/θ。由表2得仿真分析扭转刚度：Kt=4000Nm/（0.2369°-0.0124°）=17817Nm/°。
同理可得弯曲工况下测点最大位移值0.535mm 。弯曲刚度可由车身载荷与最大弯曲挠度的比值来衡量[6]，即：Kb =F/Z max =8000N/0.535mm=14953N/mm 。统计试验与仿真结果
对比见表3。
表3  白车身弯扭刚度试验与仿真对比
可知：扭转刚度对比误差为7.56%，弯曲刚度对比误差
为1.85%，仿真精度达到90%以上。
4 结语
白车身静刚度是整车的基础性能之一，在刚度试验台上对该白车身进行弯扭刚度试验，并与有限元仿真分析相对比，确定该MPV 车身结构的刚度特性，并探究静刚度试验与仿
真分析之间的关系，对比表明：扭转刚度在仿真分析与试验测试间相差7.56%，弯曲刚度相差1.85%，仿真精度两者均在90%以上，差异较小，反映出该白车身有限元模型搭建基本准确，分析结果可供设计参考，也为进一步的结构改进提供基础，从而缩短研发周期，节约成本，提升企业产品市场竞争力。
参考文献
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