白车身扭转刚度分析报告
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白车身扭转刚度分析及优化_翁洋-13
白车身扭转刚度分析及优化翁洋张伟（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海，200804）摘要：白车身结构是否具备合理的静态扭转和弯曲刚度对于提升整车的结构耐久和NVH性能是至关重要的。
不同的车型，刚度的目标值也不同。
车身结构的刚度值可以通过试验或者有限元分析得到，使用有限元方法来模拟白车身刚度试验，通过试验结果来验证有限元分析的正确性。
BIW Torsion Stiffness Analysis & OptimizationAbstract：Adequate static torsion stiffness of BIW is essential for better overall durability and NVH performance. Stiffness targets vary for different vehicles. The stiffness can be evaluated experimentally and analytically. The FE results can be used to correlate CAE to testing data.引言在小型乘用车设计开发中，对车身结构设计进行有限元分析计算是有效缩短产品开发周期、节约产品开发及实验费用、提高产品可靠性的重要技术手段。
因此车身的扭转和弯曲刚度作为衡量车身设计的一项重要条件，对其进行准确的分析计算成为设计开发中的一项不可缺少的重要内容。
为了和白车身刚度试验结果对比，分析中所需的零件需要和试验一致。
可以通过优化软件进行DOE分析，并根据分析结果调整对产品性能起主要作用的参数进行优化设计。
建立有限元模型本文所涉及的有限元模型采用Hypermesh进行前处理。
网格模型由Quard4、Tria3单元以及相应的焊接单元构成，并且单元质量符合指定的建模标准。
模型结构如图所示白车身结构网格模型边界条件后减震塔约束3个方向的自由度，前横梁中心约束5个方向的自由度。
轿车车身模态及扭转刚度灵敏度分析
地板 等 部件 的板厚 对 一阶扭 转 固有频 率 的灵敏度 系
数较 大 ，即图 ３所 示部 件板厚 的改 变对 车身 一 阶扭 转模 态频 率 影响较 大 ， 图 ４ 见 。
图 ２ 参 与 灵敏 度 分 析 的 车身 部 件
．
ｚ １
２ 车 身 结构 模 态 特 性 灵 敏 度 分 析
・
４ ・ ３
设 计 － 究 碉
００ ．７
００ ．６
汽 科 第６ ０１ １ 车 技 期２１年１月
Ｏ．５ ０
００ ．４
００ ．３
萋． ０ ０ ２
０ Ｏｌ ． ０ ．
图 ４
灵敏 度 系数 较 大 的 部件
１ ２４２ ８４３ ４ ３ ３ ６ １ １ １ ８ １ ０ ４ ０ ２ ４ ３１ ｌ３ ７ ９ ２ ４１ ９ ４ ９ ９ ９ ｏ ５ ９ ３ １ ７
３６ ９
后 搁 板 侧 围
承 载 地 板
频 率值 作 为优化 的约束 条件 ，白车 身 重量做 为优 化
目标 。 由模 态分析 理 论可知 ，系统振 动 固有频 率 特性
可 由式 （ ） 定 ： １确 （ —Ｊ ０ Ｋ ｏＭ）＝ ２ （） １
４８ １
后 轮 罩
３３ １
部 件 Ｉ Ｄ
１２ ９
部件 名 称
后 地 板
态 优化 问题 的数学模 型 时 ，首 先需要 确定 决定 结构
特 性 的 设计 变 量 ， 中车 身 结 构 的板 厚 、 料 、 松 其 材 泊 比、 性模 量等 都 可 以被 选做 设计 变量 ， 常将模 态 弹 通
４９ ３ ４２ ２
将振 型 向量对 质量 矩 阵做 归一化 处理 ，并对 式
某轻型载货车白车身刚度和强度试验分析
［ 关键词】白车 身； 静 刚度 ； 静强度 ； 试验分析 ［ 中图分类号 ］ Ｕ ４ ６ ３ ． ８ ２ ［ 文献标志码 ］ Ａ ［ 文章编号 ］ １ ６ ７ ３ — ３ １ ４ ２ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ ３ ６ — ０ ５
Ｔｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ Ｓ ｔ ｉ ｆｎ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ Ｌｉ ｇ ｈ ｔ Ｔｒ ｕ ｃ ｋ ＢＩ Ｗ Ｗａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ｎ ， Ｔ ａ ｎ Ｊ ｉ ｊ ｉ ｎ ， Ｘ ｕ Ｚ ｈ ａ ｏ ｙ ｕ ｎ ， Ｗｕ Ｊ ｉ ｎ ｇ （ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ， Ｈ ｅ ｆ ｅ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｈ ｅ ｆ ｅ ｉ Ｃ ｉ ｔ ｙ ， Ａ ｎ ｈ ｕ ｉ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ ２ ３ ０ ０ ０ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ，ｌ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｇ ｏ ｏ ｄ ｒ ｅ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｄ ａ ｔ ａ ｃ ａ ｎ ｂ ｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｏ ｄ ｏ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ ｍａ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ａ ｓ ｗｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ．
轿车白车身扭转刚度的有限元建模与实验分析_张林涛
扭转角／（ ）°
７０
■
６０
■
■
５０
◆
◆
◆ 模型 ■ 实验
４０
◆◆
３０
■ ■
◆
２０
■
◆
■◆
１０
■◆ ■ ◆ ◆◆
０
■■ ■
－ １０
０
１
２
３
４
５
位 置／ｍｍ
（ｂ）车 身 扭 转 角 曲 线 的 模 型 和 实 验 比 较 图 ９ 车身变形和扭转角曲线的模型和实验比较
通过对比可以看出， 模型和实验所得到的曲线 趋势完全一致， 前纵梁模型的对比试验的变形值 稍微大一些， 是因为实验用车在前纵梁处增加了 加强板， 提高了强度， 而有限元模型中没有加。门 槛梁和后纵梁实验的变形值比模型的稍微大一 些， 这和软件中单元属性和实际材料的差别以及 实验过程中存在操作误差和仪器误差有关。整体 来看， 模型的曲线较平滑， 有限元模型的建立还是 比较精确的。 ３．２ 模型和实验所得出的刚度值的比较
扭转角 ／（ ′） ５５．１８ ５９．８４ ６２．４６ ３１．９２ ２７．９０ ２２．６３ １６．４７ １１．５４ ５．０３ ０．４７ － １．７７ － ２．０７
相 应 节 点 的 变 形／ｍｍ
－ １．５７６
－ ３．７２
－ ５．８６４
－ ８．００８
－ １０．１５２ － ７０４．６１６ １５５．７８８ １０１６．１９２ １８７６．５９６ ２７３７ 沿 车 身 纵 向 节 点 的 位 置／ｍｍ
图 １ 轿车白车身有限元模型
位在四个车轮的悬置位置， 并用 ＭＰＣ１８４ 单元将约
束与加载位置抽出为四个节点， 以使其与实验状态
相吻合。然后对后悬置点进行 ６ 个自由度的全约束，
基于NVH的白车身扭转刚度分析与研究
3 使用方法 囲时,±#鮭电aaa带丽驱动动力的光杆,
光杆两端都固定有同步带轮侗时驱动两侧的边缘滑轨，使受
力均匀，其中2对用于支撑的光杆起导向作用；中央的支承 滑轨由2对光杆驱动，受力均匀;支承滑轨下端的丝杠配有1
对光杆，使得支承座在运动时受力均匀;支承滑轨四角固定有
4根由于支撑的光杆，使得机构在运行时保持稳定;支承座四
某车型在受到静态载荷时所产生的扭转刚度进行力学分 析，根据车身实际受外载荷的情况下设定一定的边界约束
形式和加载方式，建立有限元模型。通过CAE计算分析
与刚度试验验证，找出车身因刚度不足引起车身的共振 点，达到提高车身局部刚度的设计要求。
关键词：白车身;有限元分析;扭转刚度
0 引言
汽车车身是在运动过程中主要的承载对象，由于它的 组成零件繁多、结构复杂及工况复杂，其中主要工况包括驱 动惯性力、制动惯性力、转弯惯性力、不平路面反作用力及 不同位置的发动机总成载荷。例如驾驶员和乘客的重量使 车身底板承受重力，侧围板的重力产生的扭矩及路面不平 产生的随机载荷使车身发生扭转。在现代车身结构进行设 计时，若汽车车身刚度不足会引起车身振动频率过低导致 结构共振,进而削弱结构接头连接强度，最终引起门窗、门 框、行李箱开口和发动机罩口等处变形较大使车门卡死、玻 璃破碎、密封不严以致渗风、漏雨及内饰脱落等。因此对汽
沿Z向且相反的集中载荷为1850 N （如图2所示）。由 Hypermesh分析得到车身扭转刚度位移云图（如图3所
示），可知最大变形量为3.844mm,则车身左右前悬置处的
Hale Waihona Puke 最大扭转角由公式（1）得amax max
=
arc tan—―L —
=
0.244°
最大扭转刚度由公式（2）得
光杆两端都固定有同步带轮侗时驱动两侧的边缘滑轨，使受
力均匀，其中2对用于支撑的光杆起导向作用；中央的支承 滑轨由2对光杆驱动，受力均匀;支承滑轨下端的丝杠配有1
对光杆，使得支承座在运动时受力均匀;支承滑轨四角固定有
4根由于支撑的光杆，使得机构在运行时保持稳定;支承座四
某车型在受到静态载荷时所产生的扭转刚度进行力学分 析，根据车身实际受外载荷的情况下设定一定的边界约束
形式和加载方式，建立有限元模型。通过CAE计算分析
与刚度试验验证，找出车身因刚度不足引起车身的共振 点，达到提高车身局部刚度的设计要求。
关键词：白车身;有限元分析;扭转刚度
0 引言
汽车车身是在运动过程中主要的承载对象，由于它的 组成零件繁多、结构复杂及工况复杂，其中主要工况包括驱 动惯性力、制动惯性力、转弯惯性力、不平路面反作用力及 不同位置的发动机总成载荷。例如驾驶员和乘客的重量使 车身底板承受重力，侧围板的重力产生的扭矩及路面不平 产生的随机载荷使车身发生扭转。在现代车身结构进行设 计时，若汽车车身刚度不足会引起车身振动频率过低导致 结构共振,进而削弱结构接头连接强度，最终引起门窗、门 框、行李箱开口和发动机罩口等处变形较大使车门卡死、玻 璃破碎、密封不严以致渗风、漏雨及内饰脱落等。因此对汽
沿Z向且相反的集中载荷为1850 N （如图2所示）。由 Hypermesh分析得到车身扭转刚度位移云图（如图3所
示），可知最大变形量为3.844mm,则车身左右前悬置处的
Hale Waihona Puke 最大扭转角由公式（1）得amax max
=
arc tan—―L —
=
0.244°
最大扭转刚度由公式（2）得
SUV白车身扭转刚度的分析与优化_熊辉
日习则学不忘，自勉则身不坠。
— — —徐干
－ 43 －
３）前轮罩处增加接头布置，形成完整的环状路径， 增大环状结构截面面积，加大结构加强件料厚。
４）关键接头部位增加结构胶和焊点，提升车身扭 转刚度。
通过灵敏度分析以及车身结构优化设计，最终计 算得到白车身扭转刚度是 １７ ８７０ Ｎ·ｍ（／ °），提升量为 ４ ０２１ Ｎ·ｍ（／ °），提升率为 ２２．５%，满足项目设定目标。 同时白车身弯曲刚度提升了 １６．７%，弯曲和扭转模态也 得到了有效的提升。
极大提高产品可靠性。因此针对车身的扭转刚度对白 车身进行准确的有限元建模分析成为设计开发中一项 不可缺少的重要内容。
某款 ＳＵＶ 车型扭转刚度分析思路，如图 ３ 所示［２］， 首 先 把 工 程 设 计 ＣＡＴＩＡ 数 模 导 入 有 限 元 分 析 软 件 ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ，然后进行单个零件网格建模、连接、支撑、
参考文献 ［１］ 高云凯，蓝晓理，陈鑫． 轿车车身模态修改灵敏度计算分析［Ｊ］． 汽车工
程，２００１，２３（５）：３５２－３５５． ［２］ 仇彬． 轿车白车身扭转刚度分析及结构优化设计［Ｄ］． 安徽：合肥工业
大学，２００７：１８． （收稿日期：２０１５－０９－２７）
人能不食十二日，惟书安可一日无。
— ——陆游
考虑到白车身的受力传力复杂性，本次采用的是 详细有限元模型。建模重点过程分为结构优化、单元 选取、单元数量和质量控制、网格布局及连接方式模
步分析，分析各个环的截面和连续性等；然后挑选出各 个环中的关键件并进行简化建模和灵敏度分析，白车 身简化模型图，如图 ７ 所示。灵敏度分析可以迅速找出 对白车身扭转刚度影响的关键部件并分析出贡献量， 为后期设计优化提供重要的支持。
轿车白车身静刚度分析_夏国林
表２ 轿车白车身扭转角 测量点 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ 扭转角／＇ ２２．５ ２１ １５ １１．５ ８．７ ７．８ ６．５ ６．２ ４．４ ２．５ － ０．５ － ０．８５
图５ 轿车白车身扭转刚度扭转角计算值结果图
３．３ 弯曲刚度计算 车身结构的弯曲刚度计算模型的边界条件处理
关键问题是边界条件的处理。本文通过在车身的前、 后悬架安装处利用ＭＰＣ１８４单元建立塔形支撑， 约束 后塔形塔尖处的６个自由度及前塔形两塔尖中点处的 ６个自由度， 在前塔形两塔尖处施加大小相等方向相 反的竖直方向的集中力， 如图３所示。白车身的扭转变 形图如图４所示。由图可以得到前部两塔尖处的变形 分别为±３．９７６ ６ ｍｍ， 由式（ ２） 可以求出车身的扭转角 度 为 ０．３６７°， 其 中 Ｕ１ ＝３．９７６ｍｍ， Ｕ２＝－ ３．９７６ ｍｍ， Ｂ＝ ６２０×２ ｍｍ 。由式（ １） 可以求出在５ ４００ Ｎ·ｍ的扭转工 况下， 该模型的扭转刚度为１４ ７１４．３ Ｎ·ｍ／ｄｅｇ。
图３ 扭转刚度分析模型的边界条件
（ ａ）
（ ｂ）
图４ 白车身扭转刚度变形图
最 大 扭 转 载 荷 根 据 下 式 确 定 ［ ５］ ：
Ｍ＝０．５×前 轴 最 大 负 荷 ×轮 距
本 文 所 研 究 的 样 车 前 轴 最 大 负 荷 为 １ ０２５
ｋｇ， 轮 距 为 １．２５ ｍ， 所 以 该 车 的 最 大 扭 转 载 荷 Ｍ＝
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ［ Ｊ］ ．Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＩＲＰ，
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｇｒａｐｈ； ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｏｒｔ； ａｓｓｅｍｂｌｙ ｓｅｑｕｅｎｃｅ
图５ 轿车白车身扭转刚度扭转角计算值结果图
３．３ 弯曲刚度计算 车身结构的弯曲刚度计算模型的边界条件处理
关键问题是边界条件的处理。本文通过在车身的前、 后悬架安装处利用ＭＰＣ１８４单元建立塔形支撑， 约束 后塔形塔尖处的６个自由度及前塔形两塔尖中点处的 ６个自由度， 在前塔形两塔尖处施加大小相等方向相 反的竖直方向的集中力， 如图３所示。白车身的扭转变 形图如图４所示。由图可以得到前部两塔尖处的变形 分别为±３．９７６ ６ ｍｍ， 由式（ ２） 可以求出车身的扭转角 度 为 ０．３６７°， 其 中 Ｕ１ ＝３．９７６ｍｍ， Ｕ２＝－ ３．９７６ ｍｍ， Ｂ＝ ６２０×２ ｍｍ 。由式（ １） 可以求出在５ ４００ Ｎ·ｍ的扭转工 况下， 该模型的扭转刚度为１４ ７１４．３ Ｎ·ｍ／ｄｅｇ。
图３ 扭转刚度分析模型的边界条件
（ ａ）
（ ｂ）
图４ 白车身扭转刚度变形图
最 大 扭 转 载 荷 根 据 下 式 确 定 ［ ５］ ：
Ｍ＝０．５×前 轴 最 大 负 荷 ×轮 距
本 文 所 研 究 的 样 车 前 轴 最 大 负 荷 为 １ ０２５
ｋｇ， 轮 距 为 １．２５ ｍ， 所 以 该 车 的 最 大 扭 转 载 荷 Ｍ＝
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ［ Ｊ］ ．Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＩＲＰ，
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｇｒａｐｈ； ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｏｒｔ； ａｓｓｅｍｂｌｙ ｓｅｑｕｅｎｃｅ
120_白车身扭转刚度分析
B1
1306.032
B2
900.872
D1
1319.127
D2
1347.472
1341.06 1304.43 1305.633 901.658 1320.17 1346.516
2.059 -2.044 -0.399 0.786 1.043 -0.956
变形率 （%）
0.154 -0.156 -0.031 0.087 0.079 -0.071
单元数（个） 749149
节点数（个） 三角形比例（%）
998923
1.2
质量(kg) 407.4
白车身扭转刚度分析：边界条件
123456 后减震器与车身连接处
3
前减震器与车身连接处两点中点
Mx= 2000N·m 在前螺旋弹簧与车身连接点施加力，形成绕X轴2000N·m的扭矩
白车身扭转刚度分析：扭转变形曲线
NASTRAN
参考标准： 标准
结论：
白车身扭转刚度满足目标值。 窗框、门框变形率满足目标值。
A1 前风窗框
A2
B1 左门框
B2
C1 后背门框
C2
各窗框、门框 变形率（%）
0.154 -0.156 -0.031 0.087 0.079 -0.071
目标值 ＜0.2%
白车身扭转刚度分析：模型信息
模型信息
测量点扭转角（°）
扭转变形曲线
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
测量点X向坐标（mm）
白车身扭转刚度分析：门窗框变形表
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（mm）
后纵梁
扭角（°）
扭角（°）
Z1-Z2（mm）
1
100
-0.390
-0.03058
2
400
-0.896
-0.06940
3
700
-1.459
-0.10761 -2.214
-0.09329
4
900
-2.188
-0.14857 -3.040
-0.12533
5
1200
-2.941
-0.19569 -4.341
本次分析采用 Hypermesh 作前处理，Altair optistruct 求解。HyperMesh 是世界领先的、 功能强大的 CAE 应用软件包，也是一个创新、开放的企业级 CAE 平台，它集成了设计与 分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面， 与多种 CAD 和 CAE 软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能；Altair Optistruct 是一 个综和隐式和显示求解器与一体的大规模有限元计算软件，几乎所有的线性和非线性问题 都可以通过其进行求解。Altair Optistruct 最强大的功能是其友好的 CAO 接口，通过 Altair Optistruct 可以进行形状、尺寸、拓扑结构等优化，采用固定的内存分配技术，具有很高 的计算精度和效率。 3 有限元模型建立
4
900
-2.174
-0.14762 -3.079
-0.12693
5
1200
-2.889
-0.19223 -4.363
-0.18384
6
1500
-3.643
-0.24516 -5.735
-0.24133
7
1800
-4.937
-0.29640 -7.016
-0.29497
8
2100
-8.137
-0.34283
序号
X 坐标 （mm）
考核点垂向变形量 Z1-Z2（mm）/扭角（°）
门槛 前纵梁
扭角（°） Z1-Z2 Z1-Z2（mm）
（mm）
后纵梁
扭角（°）
扭角（°）
Z1-Z2（mm）
1
100
-0.377
-0.02956
2
400
-0.890
-0.06893
3
700
-1.452
-0.10709 -2.239
-0.09434
-0.06994
3
700
-1.474
-0.10871 -2.196
-0.09253
4
900
-2.205
-0.14972 -2.998
-0.12360
5
1200
-2.986
-0.19869 -4.237
-0.17853
6
1500
-3.825
-0.25741 -5.528
-0.23262
7
1800
-5.172
-0.45310
11 2800
-8.303
-0.48542
12 3000
-8.666
-0.50659
13 3200
-8.770
-0.51314
扭转子工况 2 变形曲线见下图：
图 10 扭转子工况 2 变形曲线图 第 7页 共 9 页
白车身扭转刚度分析报告
XX 汽车有限公司
表 4 扭转子工况 3 考核点变形值
根据设计部门提供的白车身的工艺数模建立 QQ 的计算模型，对模型进行了有限元离 散处理：白车身所有零部件都采用板壳单元进行离散，并尽量采用四边形板壳单元模拟， 少量三角形单元以满足高质量网格的过渡需要；粘胶用实体单元模拟，焊接采用 CWELD 和 RBE2 单元模拟。其中四边形单元 469700 个，三角形单元 15543 个，三角形单元比例 3.4%。
白车身扭转刚度分析报告
XX 汽车有限公司
图 6 QQ 白车身 Z 向变形图（子工况 2）
图 7 QQ 白车身 Z 向变形图（子工况 3）
根据分析得到的位移数值，可以求出各个子工况的扭转刚度。 扭角计算公式为：θ＝arcsin((|Z1-Z2|)/Y)，其中 Z1、Z2 为左右加载点 Z 向位移，Y 为 左右加载点 Y 向距离。 扭转刚度计算公式为：扭转刚度＝ (T 180) /( ) 白车身三个扭转子工况下加载点的 Z 向位移、扭角计算值和刚度见下表：
白车身扭转刚度分析报告
项目名称： QQ 458321486
编制： 校对： 审核： 批准：
日期： 日期： 日期： 日期：
XX 汽车有限公司 2013 年 03 月
目录
1 分析目的...................................................................................................................................... 1 2 使用软件说明.............................................................................................................................. 1 3 有限元模型建立.......................................................................................................................... 1 4 白车身扭转刚度分析边界条件.................................................................................................. 1 5 分析结果...................................................................................................................................... 3 6 结论.............................................................................................................................................. 9
5 分析结果 考虑到本车前悬架为独立悬架，后悬架为板簧连接的非独立悬架，通过分析得到每个
扭转子工况下加载点的最大位移，来计算白车身在每个子工况下的扭转刚度，然后求得平 均扭转刚度作为白车身的扭转刚度。
在各扭转工况下，白车身 Z 向变形图如下：
图 5 QQ 白车身 Z 向变形图（子工况 1） 第 3页 共 9 页
-0.18291
6
1500
-3.749
-0.25229 -5.657
-0.23805
7
1800
-5.105
-0.30648 -6.902
-0.29018
8
2100
-7.964
-0.33554
-6.170
-0.35991
9
2400
-9.293
-0.39114
-7.191
-0.42041
10 2600
-7.750
QQ 数模及有限元模型见下图：
图 1 QQ 数模及有限元模型
4 白车身扭转刚度分析边界条件 对设计车 QQ 施加边界条件：在前悬架与车身连接处约束 X、Y、Z 移动自由度和 X、
Y 的旋转自由度，分三个子工况在后悬架板簧前吊耳铰接处、两吊耳中间限位支架处和板 簧后吊耳铰接处施加大小为 3000N、方向相反两个集中力。
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1 分析目的 车身是轿车的关键总成，除了保证外形美观以外，汽车设计工程师们更注重车身结构
的设计。车身应有足够的刚度，刚度不足，会导致车身局部区域出现大的变形，从而影响 了车的正常使用。低的刚度必然伴随有低的固有频率，易发生结构共振和声响。
本报告以 QQ 白车身为研究对象，利用有限元法，对其进行扭转刚度分析。 2 使用软件说明
第 4页 共 9 页
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表 1 加载点位移和刚度表
子工况 1
子工况 2
子工况 3
左、右加载点位移
3.379
3.361
4.85
（mm）
-4.106
-5.412
-5.623
扭角（º）
0.438
0.513
0.612
刚度（N·mm/ º）
6718.9
5732.4
4801.9
白车身扭转刚度分析各子工况边界条件的加载如下：
第 1页 共 9 页
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图 2 白车身扭转刚度分析子工况 1 边界条件
图 3 白车身扭转刚度分析子工况 2 边界条件 第 2页 共 9 页
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图 4 白车身扭转刚度分析子工况 3 边界条件
-0.31051 -6.692
-0.28135
8
2100
-7.648
-0.32223
-6.182
-0.360619来自2400-8.761
-0.36874
-7.101
-0.41515
10 2600
-7.461
-0.43620
11 2800
-7.718
后纵梁
扭角（°）
扭角（°）
Z1-Z2（mm）
1
100
-0.390
-0.03058
2
400
-0.896
-0.06940
3
700
-1.459
-0.10761 -2.214
-0.09329
4
900
-2.188
-0.14857 -3.040
-0.12533
5
1200
-2.941
-0.19569 -4.341
本次分析采用 Hypermesh 作前处理，Altair optistruct 求解。HyperMesh 是世界领先的、 功能强大的 CAE 应用软件包，也是一个创新、开放的企业级 CAE 平台，它集成了设计与 分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面， 与多种 CAD 和 CAE 软件有良好的接口并具有高效的网格划分功能；Altair Optistruct 是一 个综和隐式和显示求解器与一体的大规模有限元计算软件，几乎所有的线性和非线性问题 都可以通过其进行求解。Altair Optistruct 最强大的功能是其友好的 CAO 接口，通过 Altair Optistruct 可以进行形状、尺寸、拓扑结构等优化，采用固定的内存分配技术，具有很高 的计算精度和效率。 3 有限元模型建立
4
900
-2.174
-0.14762 -3.079
-0.12693
5
1200
-2.889
-0.19223 -4.363
-0.18384
6
1500
-3.643
-0.24516 -5.735
-0.24133
7
1800
-4.937
-0.29640 -7.016
-0.29497
8
2100
-8.137
-0.34283
序号
X 坐标 （mm）
考核点垂向变形量 Z1-Z2（mm）/扭角（°）
门槛 前纵梁
扭角（°） Z1-Z2 Z1-Z2（mm）
（mm）
后纵梁
扭角（°）
扭角（°）
Z1-Z2（mm）
1
100
-0.377
-0.02956
2
400
-0.890
-0.06893
3
700
-1.452
-0.10709 -2.239
-0.09434
-0.06994
3
700
-1.474
-0.10871 -2.196
-0.09253
4
900
-2.205
-0.14972 -2.998
-0.12360
5
1200
-2.986
-0.19869 -4.237
-0.17853
6
1500
-3.825
-0.25741 -5.528
-0.23262
7
1800
-5.172
-0.45310
11 2800
-8.303
-0.48542
12 3000
-8.666
-0.50659
13 3200
-8.770
-0.51314
扭转子工况 2 变形曲线见下图：
图 10 扭转子工况 2 变形曲线图 第 7页 共 9 页
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表 4 扭转子工况 3 考核点变形值
根据设计部门提供的白车身的工艺数模建立 QQ 的计算模型，对模型进行了有限元离 散处理：白车身所有零部件都采用板壳单元进行离散，并尽量采用四边形板壳单元模拟， 少量三角形单元以满足高质量网格的过渡需要；粘胶用实体单元模拟，焊接采用 CWELD 和 RBE2 单元模拟。其中四边形单元 469700 个，三角形单元 15543 个，三角形单元比例 3.4%。
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图 6 QQ 白车身 Z 向变形图（子工况 2）
图 7 QQ 白车身 Z 向变形图（子工况 3）
根据分析得到的位移数值，可以求出各个子工况的扭转刚度。 扭角计算公式为：θ＝arcsin((|Z1-Z2|)/Y)，其中 Z1、Z2 为左右加载点 Z 向位移，Y 为 左右加载点 Y 向距离。 扭转刚度计算公式为：扭转刚度＝ (T 180) /( ) 白车身三个扭转子工况下加载点的 Z 向位移、扭角计算值和刚度见下表：
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项目名称： QQ 458321486
编制： 校对： 审核： 批准：
日期： 日期： 日期： 日期：
XX 汽车有限公司 2013 年 03 月
目录
1 分析目的...................................................................................................................................... 1 2 使用软件说明.............................................................................................................................. 1 3 有限元模型建立.......................................................................................................................... 1 4 白车身扭转刚度分析边界条件.................................................................................................. 1 5 分析结果...................................................................................................................................... 3 6 结论.............................................................................................................................................. 9
5 分析结果 考虑到本车前悬架为独立悬架，后悬架为板簧连接的非独立悬架，通过分析得到每个
扭转子工况下加载点的最大位移，来计算白车身在每个子工况下的扭转刚度，然后求得平 均扭转刚度作为白车身的扭转刚度。
在各扭转工况下，白车身 Z 向变形图如下：
图 5 QQ 白车身 Z 向变形图（子工况 1） 第 3页 共 9 页
-0.18291
6
1500
-3.749
-0.25229 -5.657
-0.23805
7
1800
-5.105
-0.30648 -6.902
-0.29018
8
2100
-7.964
-0.33554
-6.170
-0.35991
9
2400
-9.293
-0.39114
-7.191
-0.42041
10 2600
-7.750
QQ 数模及有限元模型见下图：
图 1 QQ 数模及有限元模型
4 白车身扭转刚度分析边界条件 对设计车 QQ 施加边界条件：在前悬架与车身连接处约束 X、Y、Z 移动自由度和 X、
Y 的旋转自由度，分三个子工况在后悬架板簧前吊耳铰接处、两吊耳中间限位支架处和板 簧后吊耳铰接处施加大小为 3000N、方向相反两个集中力。
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1 分析目的 车身是轿车的关键总成，除了保证外形美观以外，汽车设计工程师们更注重车身结构
的设计。车身应有足够的刚度，刚度不足，会导致车身局部区域出现大的变形，从而影响 了车的正常使用。低的刚度必然伴随有低的固有频率，易发生结构共振和声响。
本报告以 QQ 白车身为研究对象，利用有限元法，对其进行扭转刚度分析。 2 使用软件说明
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表 1 加载点位移和刚度表
子工况 1
子工况 2
子工况 3
左、右加载点位移
3.379
3.361
4.85
（mm）
-4.106
-5.412
-5.623
扭角（º）
0.438
0.513
0.612
刚度（N·mm/ º）
6718.9
5732.4
4801.9
白车身扭转刚度分析各子工况边界条件的加载如下：
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图 2 白车身扭转刚度分析子工况 1 边界条件
图 3 白车身扭转刚度分析子工况 2 边界条件 第 2页 共 9 页
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图 4 白车身扭转刚度分析子工况 3 边界条件
-0.31051 -6.692
-0.28135
8
2100
-7.648
-0.32223
-6.182
-0.360619来自2400-8.761
-0.36874
-7.101
-0.41515
10 2600
-7.461
-0.43620
11 2800
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