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[摘 要]在载荷作用下，白车身缺乏刚度会导致物体的大变形，造成密封松动、渗漏和渗水等问题，从而使物体的振动频率较低，容易产生结构共振和声音；白车身强度不足会造成车身件屈服变形，疲劳耐久性能差，影响汽车行驶寿命，最终影响汽车安全机能，因此，汽车的安全性、可靠性和行驶平顺性靠刚度与强度来保障。本文以某SUV白车身为研究对象，采用有限元分析方法，研究了该白车身的刚度与强度。
[关键词]白车身；刚度；强度；优化
中图分类号：TU685 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0092-01
1车身设计有限元分析法
在数学中，有限元元素法是由数学大师阿基米德的逼近法所衍生出，更因此理论发展出了微积分学。有限元法是一种数值方法用来计算偏微分方程边值问题。当解决问题时，整个问题区域被分解，每个分区变成一个简单的部分，称为有限元。采用变分法，最大限度地减小了误差函数，得到了稳定解。它类似于圆有无线细线连接，从而使连续无限自由问题转化离散有限自由问题。将连续解分离为一组单元，通过对它们的分析，可以得到真实结构的各种性质，满足工程项目要求。由于大多数实际问题不能得到准确解，而有限元法具有精度高、效率高、成本低等优点，并且可以适应各种复杂情况，成为工程分析的最常用方法。
2模型创建和模态分析
模型是通过主观意识用来塑造结构的对象，具体反映系统的结构性能和特征。通过几何清理进行模型的创建，利用Hypermesh软件生成有限元模型。采用有限元法，用Hypermesh软件将白车身钣金件离散为四边形、三角形网格，并对网格质量进行控制，采用Rbe2、Rbe3、Cbeam、Acm、Adhesive等单元模拟螺栓、点焊、缝焊、粘胶，建立合理准确的白车身有限元模型（即进行焊点的处理、模型的简化、模型的调整、单元质量检查）。在有限元模型能够反映机体实际力学特性的前提下，进行有效的简化。采用CATIA三維软件，建立了白车身的几何模型。模态分析包括自由（边界条件无任何约束）和约束模态（边界根据实际需要有约束条件）这两种。本文白车身分析的是自由模态。
3白车身强度分析
3.1测量位置选取
测量点主要是白车身与底盘连接的地方。
3.2边界条件设置
约束就是对物体施加惯性力，约束的施加是由于现实生活中有些模型是有刚性位移的，例如行驶中的汽车，但在静力学中，是不允许有限元模型有刚性位移，因此必须添加适当的约束，通过在刚性位移的物体上添加惯性力，用惯性力来抵抗主动力，保证物体平衡。在Abaqus中，通过选择Inertiarelief指令来完成。加载是通过给装配体以加速度的方式施加作用力，传力节点不能自动地与划分后的网格相连接，必须进行连接处理。由于在Hypermesh软件中直接加一定倍数的重力加速度过于复杂，因此采用Adams软件的机构仿真模块，对车身的全部与动力学分析有关的零件添加材质，如密度、材料的各种力学性能等，然后调整各机构使其具有正确的相对位置关系并进行整车装配，在测量位置处施加多体模型提取相应工况下各联接点载荷（力和力矩）。
3.3分析结果
通常情况下，看应力或者应变图来得出结果，是通过看车身模型中最大应力或应变的值与其所在零件材料的屈服强度进行比较，小于屈服强度的即为符合要求。本文通过查看应力值进行分析。根据ABAQUS分析计算得到的白车身结构在制动工况下的应力云图分布情况可知：
（1）白车身结构在工况一垂向跳动的最大应力为243.7MPa，最大应力位置在后地板前横梁前板。该处钣金件所用材料为B250P1，材料的屈服强度为305MPa，高于材料的最大应力，其它总成的应力也均为200MPa左右，小于金属材料的屈服强度。因此，车身结构在该工况下能够安全工作。
（2）白车身结构在工况二制动的最大应力为284.6MPa，最大应力位置在水箱下横梁中加强板。该处钣金件所用材料为B280_440DP，材料的屈服强度为340MPa，高于材料的最大应力，其它总成的应力也均为200MPa左右，小于金属材料的屈服强度。因此，车身结构在该工况下能够安全工作。
（3）白车身结构在工况三转弯的最大应力为166.4MPa，最大应力位置在电机悬置前安装螺母板。该处钣金件所用材料为DC01，材料的屈服强度为240MPa，高于材料的最大应力，其它总成的应力也均为100MPa左右，远小于金属材料的屈服强度。因此，车身结构在该工况下能够安全工作。
（4）白车身结构在工况四转弯制动的最大应力为211.1MPa，最大应力位置在稳定杆右安装板。该处钣金件所用材料为DC01，材料的屈服强度为240MPa，高于材料的最大应力，其它总成的应力也均为200MPa以下，小于金属材料的屈服强度。因此，车身结构在该工况下能够安全工作。
4某SUV白车身结构刚度分析及优化
4.1白车身弯曲刚度分析
弯曲刚度是评价车身性能的关键因素，通常用车身前后变形量来表示。弯曲刚度是指弹性体受力弯曲时抵抗形变的能力，通过其产生单位变形所需的外力值来表示（即在垂直力作用时车身的纵向张力），表示挠度的量。计算假定车体具有相同的张力，而车体作为一个整体是一个具有均匀弯曲刚度的简单支撑梁，在中心点中央加载，从而得到前后轴线的弯曲刚度。运用力学公式计算了梁的弯曲刚度，同时根据荷载和最大弯曲挠度算出车体的弯曲刚度。
4.2白车身扭转刚度分析
扭转刚度是指弹性体抵抗扭转变形的能力，是负载和位移的比例系数，他们之间成正比，本文车身结构的扭转刚度可以通过前悬架变形情况进行评价。
4.3白车身试验分析
试验值是保证与分析在同等条件下，对实体车身进行数据测量，目的在于通过实际操作，来验证有限元分析全过程的合理性与准确性，使分析与试验数据一致，以满足从各个角度达到车身的安全性能。通过白车身的垂直轴，在轴的左右两侧，将位移传感器和力传感器固定，从而进行与数据采集器的衔接，读出压力值和变形量。
4.4优化分析
本文利用OptiStruct进行单目标值尺寸优化，以白车身安装点刚度最优为目标函数，以白车身模态和质量为约束函数，将表格的钣金件厚度作为设计变量。由于白车身一阶扭转模态仿真值为22.45Hz，为了把扭转模态做的相对高一些，将一阶扭转模态约束不低于30Hz，而白车身一阶弯曲模态仿真值为47.74Hz，为了把弯曲模态做的相对高一些，将一阶扭转模态约束不低于50Hz；而白车身总质量为180kg，在优化中控制在190kg以内，最优的前排座椅安装点、后门铰链安装点刚度值为大于1000N/mm，电池包安装点刚度值为大于1500N/mm。经过6次的迭代计算，优化过程自动结束。经过上述的形貌以及尺寸优化后，得到了合理的零件结构以及钣金件厚度，将上一节不满足参考值的部分前排座椅安装点、部分电池包安装点、后门铰链安装点再次进行有限元分析计算。通过重新计算，对于之前不合理的刚度值均满足要求：部分前排座椅安装点、后门铰链安装点刚度值都高于1000N/mm，电池包安装点高于1500N/mm，满足设计参考值，提高了安装点的刚度，使车身具有一定稳定性与安全性。
参考文献
[1]谭超.某型白车身静动态特性研究及疲劳寿命分析[D].合肥工业大学，2014.
[2]万党水，凌天钧.基于MSC.NASTRAN的燃料电池车白车身刚强度分析[J].上海汽车，2008，05：2-4.
[关键词]白车身；刚度；强度；优化
中图分类号：TU685 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0092-01
1车身设计有限元分析法
在数学中，有限元元素法是由数学大师阿基米德的逼近法所衍生出，更因此理论发展出了微积分学。有限元法是一种数值方法用来计算偏微分方程边值问题。当解决问题时，整个问题区域被分解，每个分区变成一个简单的部分，称为有限元。采用变分法，最大限度地减小了误差函数，得到了稳定解。它类似于圆有无线细线连接，从而使连续无限自由问题转化离散有限自由问题。将连续解分离为一组单元，通过对它们的分析，可以得到真实结构的各种性质，满足工程项目要求。由于大多数实际问题不能得到准确解，而有限元法具有精度高、效率高、成本低等优点，并且可以适应各种复杂情况，成为工程分析的最常用方法。
2模型创建和模态分析
模型是通过主观意识用来塑造结构的对象，具体反映系统的结构性能和特征。通过几何清理进行模型的创建，利用Hypermesh软件生成有限元模型。采用有限元法，用Hypermesh软件将白车身钣金件离散为四边形、三角形网格，并对网格质量进行控制，采用Rbe2、Rbe3、Cbeam、Acm、Adhesive等单元模拟螺栓、点焊、缝焊、粘胶，建立合理准确的白车身有限元模型（即进行焊点的处理、模型的简化、模型的调整、单元质量检查）。在有限元模型能够反映机体实际力学特性的前提下，进行有效的简化。采用CATIA三維软件，建立了白车身的几何模型。模态分析包括自由（边界条件无任何约束）和约束模态（边界根据实际需要有约束条件）这两种。本文白车身分析的是自由模态。
3白车身强度分析
3.1测量位置选取
测量点主要是白车身与底盘连接的地方。
3.2边界条件设置
约束就是对物体施加惯性力，约束的施加是由于现实生活中有些模型是有刚性位移的，例如行驶中的汽车，但在静力学中，是不允许有限元模型有刚性位移，因此必须添加适当的约束，通过在刚性位移的物体上添加惯性力，用惯性力来抵抗主动力，保证物体平衡。在Abaqus中，通过选择Inertiarelief指令来完成。加载是通过给装配体以加速度的方式施加作用力，传力节点不能自动地与划分后的网格相连接，必须进行连接处理。由于在Hypermesh软件中直接加一定倍数的重力加速度过于复杂，因此采用Adams软件的机构仿真模块，对车身的全部与动力学分析有关的零件添加材质，如密度、材料的各种力学性能等，然后调整各机构使其具有正确的相对位置关系并进行整车装配，在测量位置处施加多体模型提取相应工况下各联接点载荷（力和力矩）。
3.3分析结果
通常情况下，看应力或者应变图来得出结果，是通过看车身模型中最大应力或应变的值与其所在零件材料的屈服强度进行比较，小于屈服强度的即为符合要求。本文通过查看应力值进行分析。根据ABAQUS分析计算得到的白车身结构在制动工况下的应力云图分布情况可知：
（1）白车身结构在工况一垂向跳动的最大应力为243.7MPa，最大应力位置在后地板前横梁前板。该处钣金件所用材料为B250P1，材料的屈服强度为305MPa，高于材料的最大应力，其它总成的应力也均为200MPa左右，小于金属材料的屈服强度。因此，车身结构在该工况下能够安全工作。
（2）白车身结构在工况二制动的最大应力为284.6MPa，最大应力位置在水箱下横梁中加强板。该处钣金件所用材料为B280_440DP，材料的屈服强度为340MPa，高于材料的最大应力，其它总成的应力也均为200MPa左右，小于金属材料的屈服强度。因此，车身结构在该工况下能够安全工作。
（3）白车身结构在工况三转弯的最大应力为166.4MPa，最大应力位置在电机悬置前安装螺母板。该处钣金件所用材料为DC01，材料的屈服强度为240MPa，高于材料的最大应力，其它总成的应力也均为100MPa左右，远小于金属材料的屈服强度。因此，车身结构在该工况下能够安全工作。
（4）白车身结构在工况四转弯制动的最大应力为211.1MPa，最大应力位置在稳定杆右安装板。该处钣金件所用材料为DC01，材料的屈服强度为240MPa，高于材料的最大应力，其它总成的应力也均为200MPa以下，小于金属材料的屈服强度。因此，车身结构在该工况下能够安全工作。
4某SUV白车身结构刚度分析及优化
4.1白车身弯曲刚度分析
弯曲刚度是评价车身性能的关键因素，通常用车身前后变形量来表示。弯曲刚度是指弹性体受力弯曲时抵抗形变的能力，通过其产生单位变形所需的外力值来表示（即在垂直力作用时车身的纵向张力），表示挠度的量。计算假定车体具有相同的张力，而车体作为一个整体是一个具有均匀弯曲刚度的简单支撑梁，在中心点中央加载，从而得到前后轴线的弯曲刚度。运用力学公式计算了梁的弯曲刚度，同时根据荷载和最大弯曲挠度算出车体的弯曲刚度。
4.2白车身扭转刚度分析
扭转刚度是指弹性体抵抗扭转变形的能力，是负载和位移的比例系数，他们之间成正比，本文车身结构的扭转刚度可以通过前悬架变形情况进行评价。
4.3白车身试验分析
试验值是保证与分析在同等条件下，对实体车身进行数据测量，目的在于通过实际操作，来验证有限元分析全过程的合理性与准确性，使分析与试验数据一致，以满足从各个角度达到车身的安全性能。通过白车身的垂直轴，在轴的左右两侧，将位移传感器和力传感器固定，从而进行与数据采集器的衔接，读出压力值和变形量。
4.4优化分析
本文利用OptiStruct进行单目标值尺寸优化，以白车身安装点刚度最优为目标函数，以白车身模态和质量为约束函数，将表格的钣金件厚度作为设计变量。由于白车身一阶扭转模态仿真值为22.45Hz，为了把扭转模态做的相对高一些，将一阶扭转模态约束不低于30Hz，而白车身一阶弯曲模态仿真值为47.74Hz，为了把弯曲模态做的相对高一些，将一阶扭转模态约束不低于50Hz；而白车身总质量为180kg，在优化中控制在190kg以内，最优的前排座椅安装点、后门铰链安装点刚度值为大于1000N/mm，电池包安装点刚度值为大于1500N/mm。经过6次的迭代计算，优化过程自动结束。经过上述的形貌以及尺寸优化后，得到了合理的零件结构以及钣金件厚度，将上一节不满足参考值的部分前排座椅安装点、部分电池包安装点、后门铰链安装点再次进行有限元分析计算。通过重新计算，对于之前不合理的刚度值均满足要求：部分前排座椅安装点、后门铰链安装点刚度值都高于1000N/mm，电池包安装点高于1500N/mm，满足设计参考值，提高了安装点的刚度，使车身具有一定稳定性与安全性。
参考文献
[1]谭超.某型白车身静动态特性研究及疲劳寿命分析[D].合肥工业大学，2014.
[2]万党水，凌天钧.基于MSC.NASTRAN的燃料电池车白车身刚强度分析[J].上海汽车，2008，05：2-4.