0 　前言

汽車(chē)車(chē)身不僅要有美觀(guān)流暢的外形 , 更要有安全可靠的結構動(dòng)力學(xué)特性。為加快新車(chē)身開(kāi)發(fā)速度、節約資金和提高質(zhì)量 , 其設計技術(shù)正由原來(lái)的經(jīng)驗、類(lèi)比、靜態(tài)設計步入 CAD ? CA E 一體化的虛擬設計。即借助車(chē)身動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析、優(yōu)化設計、結構修改、疲勞壽命及可靠性預測。而以上技術(shù)的關(guān)鍵是要依托現有車(chē)身制定符合工程精度的建模準則 , 以形成系統的建模經(jīng)驗數據庫后 , 供工程師在開(kāi)發(fā)新車(chē)時(shí)調用。

車(chē)身結構具有焊點(diǎn)數目多 ( 通常為幾千～ 上萬(wàn)個(gè) ) 、空間復雜曲面及幾何特征多等特點(diǎn) , 受硬件條件限制要建立準確的車(chē)身模型極為困難。從 70 年代起 , 國內外各大汽車(chē)公司相繼對各種品牌的轎車(chē) [1, 2]和大客車(chē) [3] 建立了簡(jiǎn)化模型 , 但對車(chē)身動(dòng)力學(xué)模型精度至關(guān)重要的大量焊點(diǎn)和其他各種連接形式?jīng)]有詳細考慮 , 對車(chē)身典型結構 ( 如翻邊、凹凸槽、孔等 ) 簡(jiǎn)化未做專(zhuān)門(mén)研究 , 因此 , 迄今為止 , 對車(chē)身建模主要憑借經(jīng)驗和技巧 , 缺乏系統性、原則性 , 使車(chē)身建模精度難以掌握。

本文將在點(diǎn)焊連接界面特性模擬方法做深入研究的基礎上 , 對其他連接形式及結構特征制定簡(jiǎn)化原則。并以依維柯輕型客車(chē)為對象建立整車(chē)車(chē)身有限元動(dòng)力學(xué)模型 , 通過(guò)模態(tài)分析找出易開(kāi)裂部位并與實(shí)際對比來(lái)驗證以上原則的正確性。

1 　車(chē)身鈑金件上點(diǎn)焊的模擬

電阻點(diǎn)焊是車(chē)身結構大量金屬板構件間的主要連接形式 , 分布于車(chē)身各部位 , 數量達上萬(wàn)個(gè)。焊核形狀近似直徑為 4 ～ 6 mm 的圓柱形 , 間距在 40～ 80mm 之間 , 并以 50mm 左右居多。主要為搭接點(diǎn)焊或翻邊點(diǎn)焊 , 單排布置 , 承受剪力及偏心引起的附加拉應力。

根據單個(gè)焊點(diǎn)的受力特性 , 國內外文獻中提出了多種模擬方法 , 現列于表 1 中。

由表 1 可知 , 對單個(gè)焊點(diǎn)若用適當高度的塊單元模擬時(shí) , 則可獲得較高的精度。但局部網(wǎng)格需要很密 , 且計算量大。而對大量均布、密集排列的焊點(diǎn) , 在適當調整了焊點(diǎn)區板厚及材料參數后 , 則可用單層板模擬而建模效率高。為模擬點(diǎn)焊區相鄰構件在振動(dòng)時(shí)的局部分離與接觸情況 , 則可用節點(diǎn)耦合法更為適宜。若通過(guò)試驗 , 在取得一定數據后 , 可用具有適當截面參數的梁?jiǎn)卧龆糠治觥?/span>

現用 AN SYS 軟件 , 對 2 塊長(cháng) 500 mm 、寬 250mm 、厚 1 1 2 mm 、直徑 5 mm 、焊點(diǎn)個(gè)數為 6 、搭接寬度 15 mm 、均勻布置的單排點(diǎn)焊搭接為例 , 動(dòng)態(tài)計算結果前三階如圖 1 和表 2 所示。

由表 2 所示可知 , 當搭接寬度占被連接件寬度比例較小時(shí) ( 上例為 15 ? 250 ≈ 6% ), 則各種模擬方法動(dòng)態(tài)分析結果基本相似。

為此 , 考慮到工程精度要求及建模效率 , 本文在建立依維柯輕型客車(chē)車(chē)身模型時(shí)依據以下原則 : 對危險區域先用粗網(wǎng)格試算 , 焊點(diǎn)用塊單元建立子結構后再局部細化 ; 對非危險區的焊點(diǎn)非密集處用節點(diǎn)耦合 ( 搭接比例 < 20% ) 或短梁 ( 搭接比例≥ 20% )模擬 , 焊點(diǎn)均布 , 焊點(diǎn)密集處根據不同焊點(diǎn)間距用不同厚度的單層板模擬。

2 　車(chē)身上其他各種典型結構及連接形式的模擬

（1）電弧焊手工電弧焊主要分布于地板與側壁、輪罩與地板、地板下橫梁兩端與地板、發(fā)動(dòng)機罩與地板、側壁內骨架上的小翻邊和前圍及儀表板下方等連接處 ,其長(cháng)短、形狀和間距無(wú)一定規律 , 受操作中隨機因素影響。

由于地板與周?chē)慵嗖捎檬止る娀『高B接，在整車(chē)建模時(shí)把地板總成作為一個(gè)子結構處理。連接部位用主從自由度約束 , 以避免公差范圍內全部相鄰節點(diǎn)合并造成的結合面剛度過(guò)大，與實(shí)際誤差不符。而對于小翻邊橫梁與立柱之間的電弧焊則按剛性連接處理。

（2）螺栓連接螺栓連接位于車(chē)身與車(chē)架之間以及車(chē)頂框架與雨檐之間。由于螺栓是已知特性的彈性單元 , 只要安裝正常 , 不受橫向力 , 或不暴露于改變其特性的環(huán)境中 , 則可用彎曲的三維彈簧單元模擬?；蛴昧?jiǎn)卧M及虛擬溫度使其預拉伸模擬預加載效果。

（3）翻邊翻邊結構在輕型客車(chē)車(chē)身上隨處可見(jiàn) , 它便于零件定位、裝配及焊接 , 同時(shí) , 也增加了零件的剛性?，F以?xún)蓧K長(cháng) 500 mm 、寬 150 mm 、厚 1 1 2 mm 、焊點(diǎn)直徑 6 mm 、焊點(diǎn)個(gè)數 11 的長(cháng)翻邊點(diǎn)焊為例 , 與忽略翻邊情況對比分析，結果見(jiàn)表 3 、表 4 。

由表 4 可知 , 翻邊可以提高橫向 ( 沿焊點(diǎn)分布方向 ) 彎曲剛度和扭轉剛度 , 但縱向 ( 垂直焊點(diǎn)分布方向 ) 彎曲剛度則略有下降。

足工藝及裝配需要。對于直徑較小的孔 , 通?？珊雎?, 但對于整車(chē)粗網(wǎng)格試算發(fā)現的應力集中部位 , 則應局部細化。為保證建模精度。尺寸較大的孔則不能忽略 , 但形狀上為方便建模計 , 可用近似多邊形代替。

（5） 凹凸槽凹凸槽在車(chē)身上主要起兩個(gè)作用 : 為增加結構剛度（如地板），和由于裝配工藝上的需要以避開(kāi)相鄰零件 , 采用退讓結構而自然形成不規則的凹凸槽( 如前圍 ) 。

對于前圍上的各種奇形怪狀的凹凸結構 , 采用板殼單元為好 , 在保證關(guān)鍵點(diǎn)幾何坐標前提下適當作簡(jiǎn)化。而對于地板上規則排列的凹凸槽結構 , 可根據試驗結果用板—梁組合單元模擬 , 以減少單元及節點(diǎn)數目。

（6）非承載件保險杠、擋風(fēng)玻璃、蒙皮及內外裝飾等非承載構件 , 可考慮按集中質(zhì)量加在整車(chē)模型的相應部位上。

3 　整車(chē)模型驗證

按照以上簡(jiǎn)化原則 , 應用 AN SYS 軟件在大型工作站上 , 建立了 IV ECO 40 — 10 輕型客車(chē)車(chē)身有限元模型 , 模型共有 11 129 個(gè)單元、 8182 個(gè)節點(diǎn)、 22種實(shí)常數。模態(tài)分析計算結果列于表 5, 其中第 1 、 2 、4 、 6 階振型圖如圖 2 所示。

圖 2 　整車(chē)第 1 、 2 、 4 、 6 階振型圖

從振型圖上可以看出 , 車(chē)身前部具有較大剛性，而后部相對較弱。在典型的扭轉振型中節線(xiàn)均通過(guò)門(mén)框后上端處而產(chǎn)生應力集中，是該區域易產(chǎn)生裂紋的原因。另外，從車(chē)架橫彎模態(tài)可以看出，其前部剛度較小，當外界激勵激發(fā)該階模態(tài)時(shí)，由于車(chē)身側彎幅度小，導致車(chē)身與車(chē)架各自振動(dòng)模態(tài)不協(xié)調而使前四個(gè)彈性支撐受力加大 , 從而導致發(fā)動(dòng)機罩、儀表板等前圍零件在運行中出現開(kāi)裂。前風(fēng)窗框的局部振動(dòng)振幅較大 , 導致風(fēng)窗框開(kāi)裂。這些與文獻 [4] 德國專(zhuān)家對 IV ECO 車(chē)身開(kāi)裂試驗研究報告結論是相一致的。

4 　結論

用本文所提出的車(chē)身建模簡(jiǎn)化原則建立的整車(chē)有限元模型 , 經(jīng)模態(tài)分析結果所確定的車(chē)身上易開(kāi)裂部位 , 與實(shí)際汽車(chē)運行時(shí)車(chē)身所產(chǎn)生的開(kāi)裂部位相吻合。這一重要結論從一側面驗證了本文所建車(chē)身動(dòng)力學(xué)模型的正確性。其重要意義在于一方面解決了所建車(chē)身動(dòng)力學(xué)模型無(wú)法用整車(chē)車(chē)身動(dòng)態(tài)試驗來(lái)驗證的困難。另一方面找到了車(chē)身動(dòng)力學(xué)建模中對于點(diǎn)焊連接界面等動(dòng)力學(xué)特性描述的新方法 , 通過(guò)所定原則可以順利地建立車(chē)身模型。而該模型對于新車(chē)身開(kāi)發(fā)具有重要意義 , 為我國車(chē)身設計由經(jīng)驗、類(lèi)比、靜態(tài)向建模、動(dòng)態(tài)、優(yōu)化方向發(fā)展邁出了非常重要的一步。為新車(chē)身快速、經(jīng)濟、高質(zhì)量開(kāi)發(fā)建立了一個(gè)良好的技術(shù)基礎。