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孙宇 泰州劲松股份有限公司
摘要：小轿车是当前家庭日常生活中重要的交通工具之一，本文以轿车为探究载体，重点阐述白车身的“静态扭转刚度和白车身弯曲刚度”两个角度的测量、实验与计算，旨在抛砖引玉，期望给同仁在轿车设计过程中提供一定的参考价值与帮助。
关键词：扭转刚度 弯曲刚度 实验 计算
1、前言
刚度是指汽车车身恢复原形的弹性变形能力，是汽车车身设计的重要指标之一，刚性强度好的汽车，在行驶过程中普通的外力产生的形变程度很小，相反，在不平路面上行驶的汽车发出嘎吱嘎吱的响声，说明这类汽车的刚度较差。白车身刚度主要用于车辆设计可靠性和整车安全性能的评价，汽车整车开发与设计过程中，必须对白车身扭转刚度和弯曲刚度进行合理分析；汽车的整个车身是靠“闭合型腔”支撑，车身结构主端面的几何性质决定着白车身刚度，实践表明，静态刚度试验中能够暴露汽车白车身设计的问题隐患，有助于白车身设计的改进。车身刚度包含静态刚度和动态刚度两种，弯曲刚度、扭转刚度、
开口变形是衡量车身静态刚度的三种指标；车身前后的变形量用于衡量弯曲刚度，前后风窗洞口和侧门的对角线变化量、车身锁位及车身扭转角等用于衡量扭转刚度，车身受到扭转载荷后车身开口部分对角线的变化量用于衡量开口变形。
2、白车身的扭转刚度的测量
扭转刚度主要表现于行驶于不平路面上当汽车车轮不同时碰撞到障碍物时，车身上作用有非对称垂直载荷，结构处于扭转工况。此时车身所受左右垂直载荷不等，将使其产生扭转变形。当今时代的乘坐用汽车，对静态抗扭刚度一般要求达到4,000 ~ 9,000 Nm/deg范围内，高性能车要求更高的数值，一般在内15,000–30,000 N m/deg。这就意味着在驾乘中纵使是驶过复杂路面也不会产生令人不快的动态反应，如车身下沉和侧倾等。极限扭转工况是车身骨架的开口变形最为剧烈的一种情况。门是乘客上下的地方，其开口变形的大小决定了紧急情况下中门能否开启，对紧急情况下的逃生有着重要的意义。
2.1 扭转刚度约束情况分析
分别约束两前悬支点的三个平动自由度UX、UY、UZ，释放三个转动自由度ROTX、ROTY、ROTZ；同时相对于两前悬连接的中心点，能够在YZ平面内自由转动。同样，分别分别约束两后悬支点的三个平动自由度UX、UY、UZ，释放三个转动自由度ROTX、ROTY、ROTZ。但相对于基准面，后悬节点三厢车
下方的UZ方向自由度应该是被约束住的。
2.2 扭转刚度的测点分布
扭转刚度的测点最重要的为前悬与后悬四个测点，因为这些测点的数据将直接反映在刚度里。但是这些测点数据是否准确，还是需要通过沿着车身前纵梁，门槛梁以及后纵梁各个测点的趋势来保证的。一般来说上述曲线应该有比较好的线性，但门槛梁上的第一个测点一般都是位移量较大的点。
2.3 扭转刚度的计算
对于轿车车身的空间结构，以车身平面为相对基准面，常用的扭转角为前后悬的相对扭转角。此相对扭转角与CAE分析的扭转角又稍有不同，在CAE的分析过程中，后悬位移基本位零。而在实际试验过程中，由于车身与试验夹具的间隙，以及车身在制造过程中本身的间隙，此位移是不能忽略的。并且此位移是相当重要的，通过分析此点的位移，来及时发现试验中的各种偶然情况，增加数据的可信性。
图1 车身扭转角示意图
在实际计算的过程中，一般会计算两个刚度值，一个是按照上述方法，将后悬的实际扭转角考虑进去，因为此位移在实际测量中，因为空间限制，传感器的安装有时会有一定偏差。所以，一般会将后
悬位移按照理想情况为零，再计算一个刚度。实际刚度即在两者刚度之间。通过多次与CAE算法的对比，偏差上下不超过10%，证明这种刚度区间的算法，还是比较科学有效的。a
2.4 洞口变形
在测量过程中，应将车型分类加以区分，一般轿车划分为两厢，三厢和两厢。一般试验的过程中，三厢车一般带有前档玻璃和后档玻璃，所以整个洞口的布点即为门上的10个测点。而一般两厢车，后档玻璃基本都装在尾门上，所以一般两厢车除了门上的20个测点，还会另外加上尾门洞口的三个测点。基本上这些洞口的位移直接都能测量得到，不需要经过数据处理，能比较明显的发现问题。
3、白车身弯曲刚度的测量与计算
一般来说，白车身的扭转刚度决定白车身的弯曲刚度，扭转刚度好的白车身，弯曲刚度也不会差。但通过加载设定载荷，得到车身地板相对于施力点的挠度，并通过比较拟合，可以最终选定一个相对最佳的挠度拟合多项式，代表白车身刚度的分布状况，为车身结构的优化提供良好的基础。
3.1 弯曲刚度的约束情况分析
分别约束两前悬支点的三个平动自由度UX、UY、UZ，释放三个转动自由度ROTX、ROTY、ROTZ；同样，分别分别约束两后悬支点的三个平动自由度UX、UY、UZ，释放三个转动自由度ROTX、ROTY
、ROTZ。但相对于基准面，前后悬节点下方的UZ方向自由度应该是被约束住的。
3.2 弯曲工况的测点分布
扭转刚度的加载一般分为两种工况。中部座椅处的加载以及尾部行李厢处的加载，相对于两种不同工况的加载，测点的重点也需要做出调整。对于第一种工况，门槛梁的测点以及座椅安装点处中央通道的测点，重要性不言而喻。而对于第二种工况，尾部纵梁处的位移也就相对比较重要了。
3.3 弯曲刚度的计算
当车身上作用有对称垂直载荷时，结构处于弯曲工况，车身底架的最大垂直挠度是评价整车弯曲刚度的重要指标，将车身整体简化为一根具有均匀弯曲刚度的简支梁，在梁相对位置加集中载荷，就可得到近似车身简支梁的弯曲刚度与垂直挠度的关系；中部加载的弯曲工况，存在门槛横梁的测点位移和座椅安装点的测点位移两大类，一般来说，门槛横梁的位移要小，计算刚度会偏大；在车身的刚度计算中两种方法效果都是等同的，在比较时存在一定的不同。
例如，用A车的门槛横梁位移计算的刚度去比较B车座椅安装点的刚度，明显是不科学的，在比较之前，先把测点的选取弄清楚；弯曲刚度的计算：EI=F/d（弯曲刚度EI、所加载力F、平均位移d）利用以上的实验及计算方法，车身刚度基本都能正确的反映出来。在汽车的设计中，也并非刚度越高越好。在考虑车身刚度的同时，要衡量吸能安全性的要求。
4、结束语
通过以上对扭转和弯曲刚度试验及计算的分析，我们基本能在设计最初及时发现问题，并通过与CAE的对标，逐步互相提高，逐步改善。最终的目的，是希望能通过计算机的计算来替代物理实验。以为后续车型的改进与研发，缩短周期，减少费用。但物理实验毕竟不同于CAE分析，在实验过程中，存在比较多的偶然性，各个车型在最初的制造中也可能存在一定的缺陷。所以要作到完全替代，还需大家的共同努力与不懈的探索。
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