轿车白车身模态和静刚度的试验和CAE
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[摘要] 本文介绍利用Altair/HyperMesh软件创建某紧凑型轿车白车身有限元模型，运用MSC/Nastran 软件求解白车身结构的固有模态、静态弯曲刚度和扭转刚度。介绍相关试验方法，并把试验值和CAE分析值进行比较。验证了CAE分析模型的有效性，认为该车型车身具有较好的动态特性和静态扭转刚度。
[关键词] 白车身；模态；弯曲刚度；扭转刚度
当前，CAE（计算机辅助工程分析）技术已经成熟，在国外大型汽车企业中得到了广泛应用，在我国一些大型汽车企业为了提升自主研发能力，已将CAE技术应用到新车型研发中，且获得了良好的效果。本文分别利用试验方法和cae分析方法求解某紧凑型轿车白车身的模态、静态刚度值，并把试验值和CAE分析值进行比较，验证了CAE分析值的可靠性。
1 白车身CAE模型创建
该车轴距2 510 mm，前轮距1 472 mm，后轮距1 465 mm。采用Altair/HyperMesh软件创建白车身CAE模型，钣金件用壳单元模拟，共有444 031个，其中三角形壳单元14 124个，占3.2%，单元尺寸5~15 mm，粘胶和焊点采用实体单元模拟，共5 195个，烧焊和螺栓采用刚性单元模拟。单元质量符合企业给定标准。为减少CAE建模的工作量，采用同一个白车身CAE模型进行以上所有工况分析。材料属性由企业提供的参数设置，见表1。白车身CAE模型如图1所示。
2 白车身模态试验和CAE分析
模态分析技术源于20世纪30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术，是用于对机械系统、土建结构、桥梁等工程结构系统进行分析的现代化方法和手段[1]。模态试验是通过试验设备，采集激励点信号和测量点的响应信号，经过软件分析处理后获得结构固有频率和相应振型。它可以验证和校核有限元模型的合理性，为后续进行静刚度或其它CAE分析提供一个合理的有限元模型。CAE分析是由计算机根据有限元方法，求解有限元模型的固有频率和相应振型。模态试验和CAE分析方法具有相同的效果，二者相互辅助。
2.1 模态试验
车辆坐标系的定义：以车辆前进方向为X轴负向，前进方向左侧为Y轴负向，竖直向上为Z轴正向。
为了使试验值和CAE分析值能够进行对比，试验时白车身上布置的测量点和CAE模型中的观察点应具有相同的位置。
测量点布置在车身主要承载件上，发动机舱部分均匀布置在左、右前纵梁，前横梁，前围上挡板上，乘员舱部分均匀分布在顶蓬前横梁，顶蓬左、右横梁，左、右前立柱，左、右中立柱，左、右后立柱，后门框，左、中、右地板纵梁，前、后地板横梁，顶蓬加强梁上。X、Y、Z三个方向信号提取点数目各为130个。
试验时用四根柔软的橡皮绳将白车身悬挂在刚性的支架上，悬挂点位于前、后悬架与车身的连接点上。车身保持水平。这样，整个车身的约束状态接近于自由状态。本次试验布置两个激励点，分别位于白车身前部的右纵梁和尾部的左纵梁上，激励信号为猝发随机信号。试验测量分析系统如图2所示。
图2 试验测量分析系统
2.2 模态试验值和CAE分析值的比较
用来求解有限元模型模态的方法有多种，本文使用MSC/Nastran软件中的Lanczos方法。试验法和CAE分析法获得的振型对比如图3～7所示，固有频率对比见表2。
由图3～7及表2的结果表明，模态试验结果和CAE分析结果符合很好，所有结果误差不超过5％，这表明CAE模型是合理和可靠的，可作为后续静刚度或其它分析用，最低频率在30 Hz以上，表明该车型白车身动态性能好。
3 白车身静刚度试验和CAE分析
3.1 测量点布置
在白车身左、右前纵梁、门槛梁和后地板上选取10个测量点，布置位移传感器，用于提取Z向位移值。测量点和CAE模型中的观测点应具有相同位置，测量点布置如图8所示。
图8 测量点布置图
3.2 弯曲刚度试验
在前后悬架与车身连接处用圆形钢管焊接后再固定在试验台上，整个白车身被完全约束。在左、右中部门槛梁和备胎槽周围地板上各施加-Z向3 000 N力，先按最大载荷预加载，卸载后分6级施加载荷，每级为500 N力，重复3次试验，取其平均值。
弯曲刚度值由F/{(Z4+Z12）/2}计算获得，F为总加载力，Z4和Z12分别为测量点4 和12 Z向位移值。
3.3 弯曲刚度试验值和CAE分析值对比
有限元计算模型的约束和载荷条件按试验条件设定。试验法和CAE分析法获得的各测量点Z向位移值对比见表3，弯曲刚度值对比见表4。
3.4 扭转刚度试验
后悬架与试验台架刚性连接，无自由度。前悬架与台架的横梁刚性相连，横梁可在yz平面内旋转，所以车身前部有Z向自由度。在前部使用丝杠圆盘左右两侧分别进行加载，载荷作用在可转动的横梁上，通过刚性结构施加到前悬架与车身连接处。最大载荷为3 000 N•m，分6级施加，每级为500 N•m。先按最大载荷预加载，卸载后再分级施加载荷，重复3次试验，取其平均值。
扭转刚度值由M/arctan{(Z2+Z10）/L}计算获得，M为加载扭矩，Z2和Z10分别为测量点2 和10 Z向位移值，L为左右前悬架X向距离。
4.5 扭转刚度试验值和CAE分析值对比
有限元计算模型的约束和载荷条件按试验条件设定。试验法和CAE分析法获得的各测量点Z向位移值对比见表5，扭转刚度值对比见表6。
4 结果分析
车身总刚度是反映车身在各种典型受载工况下的一种综合能力。根据国外汽车设计的要求，轿车的扭转刚度设计参考值为13 000 N•m/deg，较高要求为16 000 N•m/deg；而对于轿车的弯曲刚度，国际上一般使用的设计参考值为12 200 N/mm[2]。由表4可知，该车型白车身的弯曲刚度的试验值和CAE分析值略小于国际设计参考值。由表6可知，该车型白车身的扭转刚度的试验值和CAE分析值均大于14 000 N•m/deg，表明该白车身具有较好的静态扭转刚度。
5 结语
采用试验方法获得试验值，再和CAE分析值进行比较，可看出该白车身在以上各工况下的CAE分析值与试验值之间的误差小于5%，二者吻合很好，表明所创建的有限元计算模型是合理的和可靠的，表明试验方法是验证和校核所创建的有限元模型的重要手段，也表明CAE分析法在新车型开发中的重要作用。
参考文献：
[1] 管迪华.模态分析技术[M].北京：清华大学出版社,1996.
[2] 邵建旺,彭为,靳晓雄,等.SUV白车身静态刚度试验研究[J].汽车技术, 2009 (4): 41-44.
Experiment and CAE of Normal Mode and Static Stiffness of Automobile Body-in-white
Cai Jianyong, Song Mingyang
(Research and Development Center, Southeast (Fujian) Motor Co., Ltd., Fuzhou 350119, China)
Abstract: A finite element model of a compact automobile body-in-white was established using the Altair HyperMesh software. The inherent normal modes, static bending and torsion stiffness of the body-in-white were resolved by the MSC Nastran software. Relevant test methods were presented. The test results were compared with the computer aided engineering (CAE) analysis. The validity of the CAE analysis model was confirmed. It is indicated that the automobile body-in-white possesses good dynamic characteristics and static torsion stiffness.
Keywords: body-in-white(BIW)；normal mode；bending stiffness；torsion stiffness