解析常見的白車身一維概念模型建模方法

1 前言

車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程一般分為概念設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段以及驗(yàn)證階段。過去, 車身概念設(shè)計(jì)主要考慮車身承載件的拓?fù)潢P(guān)系和若干最基本的整體參數(shù)，對車身結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)率較?。ㄈ鐖D 1所示），對前期汽車研發(fā)而言，可以使用1D單元來搭建簡易的車身概念模型，在建立起的同平臺簡化模型后可以對新款車型的基礎(chǔ)性能進(jìn)行預(yù)測，同時(shí)可對主斷面及接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文將結(jié)合白車身扭轉(zhuǎn)剛度性能，對當(dāng)前常見的白車身一維概念模型建模方法做簡單介紹。



圖 1 車身開發(fā)流程

2 車身結(jié)構(gòu)對白車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響
白車身通常由框架和板殼兩部分組成，如圖 2所示。其中框架主要由梁結(jié)構(gòu)、接頭及加強(qiáng)板組成，在汽車使用過程中主要承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，無疑梁結(jié)構(gòu)及接頭對車身性能有著重要的影響；而板殼在汽車使用過程中主要承受面內(nèi)和法向載荷，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，去除板殼覆蓋件后白車身扭轉(zhuǎn)剛度下降69%~85%，如圖 3所示，因此在一維概念模型中應(yīng)能完整體現(xiàn)車身梁結(jié)構(gòu)、接頭及板殼覆蓋件所起到的作用。



圖 2 白車身結(jié)構(gòu)組成



圖 3 板殼覆蓋件對白車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響

3 車身梁結(jié)構(gòu)

白車身是由地板縱梁、側(cè)圍前后中柱、上邊梁、門檻梁、頂蓋前后橫梁等構(gòu)成的一個(gè)個(gè)閉合型腔支撐而起（圖 4），而閉合型腔的斷面即車身結(jié)構(gòu)主斷面的幾何特性對白車身剛度又有決定性影響，因此在一維白車身模型中應(yīng)能正確描述車身主斷面的力學(xué)特性。



圖 4 車身框架結(jié)構(gòu)

目前一維模型主要是利用梁單元模擬梁結(jié)構(gòu)，然后賦予梁單元以相應(yīng)的截面屬性（截面積A、彎曲慣性矩Iy與Iz、扭轉(zhuǎn)慣性矩Jx）。而截面屬性的獲取有多種方法：

一、基于實(shí)際截面的簡化方法（Section based Models-SBM）

就梁單元而言，截面的力學(xué)性質(zhì)直接決定了梁的抗彎能力和抗扭能力，這就使得基于實(shí)際截面的簡化模型在靜態(tài)剛度特性上能夠有效地模擬原結(jié)構(gòu)，且基于實(shí)際截面建立的車身梁結(jié)構(gòu)簡化模型，其梁單元截面的厚度與原結(jié)構(gòu)一致，可以保證簡化模型各構(gòu)件的質(zhì)量與詳細(xì)模型基本相同?？梢罁?jù)已有車型或競品車型直接截取車身斷面（圖 5），提取相應(yīng)的截面屬性，建立車身主斷面參數(shù)庫，如圖 6所示；



圖 5 車身典型關(guān)鍵截面



圖 6 車身主斷面參數(shù)庫

二、基于特性的梁結(jié)構(gòu)簡化方法（Property based Models-PBM）

從梁構(gòu)件的整體剛度出發(fā)建立等剛度梁單元，然后確定等效梁單元的截面參數(shù)，首先沿梁構(gòu)件詳細(xì)模型的軸向分別施加拉力、扭矩，在橫向的兩個(gè)垂直方向施加彎力，如圖 7所示，利用有限元軟件求得其在相應(yīng)力或力矩作用下的位移，然后依據(jù)材料力學(xué)經(jīng)典梁理論，反求出等效梁單元的截面性質(zhì)參數(shù)A、Iy、Iz、Jx；



圖 7 車身梁構(gòu)件的等效模式

三、 PBM和SBM混合方法

概念設(shè)計(jì)階段用任何方法建立的簡化模型都有其優(yōu)缺點(diǎn)，PBM方法從整體上把握各梁構(gòu)件的力學(xué)性能，不用考慮梁結(jié)構(gòu)變截面、焊點(diǎn)、翻邊等的影響，但其求得的截面參數(shù)與實(shí)際截面參數(shù)存在差異，對于具體部位的形狀設(shè)計(jì)不能給予較多信息參考；而SBM方法能夠反映梁構(gòu)件局部的幾何特性，可對截面形狀的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，但對于焊點(diǎn)、工藝孔等需做等效處理，另對于變截面梁結(jié)構(gòu)，還需進(jìn)行多次分段（圖 8）。因此，可結(jié)合各方法優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的SBM、PBM或混合梁單元簡化模型。



圖 8 車身B柱截取截面位置

4 接頭

接頭結(jié)構(gòu)（圖 9）作為車身承載件的連接結(jié)構(gòu)，是非常關(guān)鍵的組成部分，歷來受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的密切關(guān)注，如何正確考慮接頭結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，了解接頭部位的力學(xué)特性，并建立起能準(zhǔn)確反映接頭結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的簡化模型，將對車身整個(gè)概念設(shè)計(jì)過程起到重要的作用。常見的接頭簡化方法主要有超單元簡化模型、星型彈簧·剛梁接頭簡化模型、角接彈簧·剛梁接頭簡化模型、基于詳細(xì)接頭的簡化模型等。



圖 9 車身主要接頭

一、超單元簡化模型，超單元方法可將復(fù)雜的大模型分成若干個(gè)不同部件，每個(gè)部件看做一個(gè)超單元，然后按一定的連結(jié)方式組合成整個(gè)結(jié)構(gòu)，從而將結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)目大大降低。接頭超單元簡化模型是將接頭子結(jié)構(gòu)模型處理為具有相當(dāng)多內(nèi)部自由度的超級單元，利用自由度靜態(tài)凝聚方法，用主自由度位移表示從自由度位移，從而降低接頭結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)目。

二、星型彈簧·剛梁接頭簡化模型，如圖 10所示，接頭分支端1’、2’、3’節(jié)點(diǎn)分別建立局部坐標(biāo)系，同時(shí)與O點(diǎn)球鉸連接; 1’、2’、3’點(diǎn)與O點(diǎn)之間安置3組零長度彈簧元，每組彈簧元是3個(gè)剛度不相關(guān)的互相垂直扭簧；Leg1、Leg2、Leg3三個(gè)分支處理為剛性梁。該接頭簡化模型主要參數(shù)為各分支的扭簧剛度及節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系。參數(shù)求解的主體思路：利用接頭縮減技術(shù)對接頭各個(gè)方向剛度進(jìn)行解耦，提取非耦合方向上的剛度建立參數(shù)化模型。



圖 10 星型彈簧·剛梁接頭簡化模型

三、角接彈簧·剛梁接頭簡化模型，如圖 11所示，1’、2’、3’節(jié)點(diǎn)處分別建立局部坐標(biāo)系，同時(shí)兩兩之間分別安置1組零長度彈簧元，每組彈簧元是3個(gè)剛度不相關(guān)的互相垂直的扭簧，彈簧方向沿節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)軸方向；1’、2’、3’點(diǎn)與接頭中心O點(diǎn)RBE2連接，RBE2釋放XYZ轉(zhuǎn)動自由度；Leg1、Leg2、Leg3三個(gè)分支為剛性梁。該接頭簡化模型主要參數(shù)為各分支的扭簧剛度及節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系。參數(shù)求解的主體思路同星型彈簧·剛梁接頭簡化模型。



圖 11 角接彈簧·剛梁接頭簡化模型

四、基于詳細(xì)接頭的簡化模型，該方法直接截取詳細(xì)的接頭模型來表征接頭，利用該方法的關(guān)鍵在于梁單元與詳細(xì)接頭簡化模型間的連接處理，常見的處理方式有梁單元通過RBE2、RBE3或RBE2.5與詳細(xì)接頭模型連接，其中RBE2.5是一種RBE2與RBE3聯(lián)合的連接方式，避免了RBE2偏剛、RBE3偏軟的缺陷。圖 12所示即為基于梁-詳細(xì)接頭的白車身框架簡化模型。



圖 12 基于梁-詳細(xì)接頭的白車身框架簡化模型

5 板殼覆蓋件

板殼覆蓋件的建模方法主要有兩種：一是簡化殼單元覆蓋件，基于詳細(xì)覆蓋件模型，利用殼單元對頂蓋、地板、前后風(fēng)擋玻璃、前后輪鼓包及側(cè)圍部分進(jìn)行簡化，如圖 13所示，最終基于梁單元、詳細(xì)接頭及簡化殼單元覆蓋件搭建出來的白車身模型如圖 14所示。二是建立覆蓋件等效單元，實(shí)現(xiàn)覆蓋件抵抗面內(nèi)變形的作用，圖 15所示即為基于梁單元、接頭簡化模型及覆蓋件等效單元建立的一維白車身概念模型。



圖 13 覆蓋件簡化模型



圖 14 梁三維顯示的白車身簡化模型



圖 15 基于梁單元、接頭簡化的一維白車身概念模型

6 總結(jié)

車身概念設(shè)計(jì)階段的精細(xì)分析既是工業(yè)技術(shù)成熟的體現(xiàn) , 又是車身設(shè)計(jì)的迫切要求 , 也是降低車身詳細(xì)設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)的可行措施之一，本文簡單講述了常見的車身梁結(jié)構(gòu)、接頭及覆蓋件的簡化方法，基于這些方法我們可以快速建立具備一定精度的一維白車身概念模型，從而可以在設(shè)計(jì)前期對車身主斷面及接頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，支持早期車身結(jié)構(gòu)選型。