某全景天窗车身扭转刚度的分析与改进

某全景天窗车身扭转刚度的分析与改进

孙静瑶;武金科;张雷;高凤武

【摘 要】扭曲工况下天窗开口变形量是对全景天窗车身刚度的指标要求,全景天窗

车身可通过扭转刚度进行定量评估.通过更改顶盖前后横梁断面、修改部分零部件

料厚等措施,将车身扭转刚度提升到某一数值,可满足全景天窗的使用要求;通过CAE

模拟分析得到的结论,可以作为车身结构开发的参考.

【期刊名称】《汽车零部件》

【年(卷),期】2018(000)002

【2017年日历表 总页数】3页(P59-61)

【关键词】全景天窗;扭转刚度;有限元模型;变形量

【作 者】孙静瑶;武金科;张雷;高凤武

【作者单位】长城汽车股份有限公司技术中心,河北保定071000;河北省汽车工程

技术研究中心,河北保定071000;长城汽车股份有限公司技术中心,河北保定

071000;河北省汽车工程技术研究中心,河北保定071000;长城汽车股份有限公司

技术中心,河北保定071000;河北省汽车工程技术研究中心,河北保定071000;长城

汽车股份有限公司技术中心,河北保定071000;河北省汽车工程技术研究中心,河北

保定071000

【正教育名言 文语种】中 文

【中图分类】U463.83+5

0 引言

随着汽车工业的发展，汽车企业对产品配置不断提升，全景天窗使前后座位乘客都

有天窗的感受，甚至是整张姓的来源 块选择部门与人员 玻璃的车顶，坐在车中可以一览无余沿途风景。全景天

窗超大视野的享受，受到了众多消费者的青睐[1-2]。

采用全景天窗的汽车车身，顶盖天窗开口面积扩大到2/3以上，并取消了顶盖中

间横梁(B环)，削弱了车身整体刚度，同时当顶盖天窗口扭转位移量超出全景天窗

玻璃的扭转界限时玻璃会破碎，因此在增加全景天窗配置时，车身结构设计需满足

车身刚度和全景天窗要求。

评估全景天窗结构强度的方法有：车身模态优化方案、顶盖刚度优化方案等[3-5]。

作者根据全景天窗扭转刚度试验要求，通过分析车身扭转刚度定量评估天窗口变形

量，完成结构优化，缩短产品后期整改周期，减少产品上市风险。

1 车身结构有限元模型建立

1.1 白透视表怎么做 车身有限元模型划分

根据某SUV的车身CAD模型，采用HyperMesh软件对各零部件进行有限元网

格划分，采用fastener定义焊点模型，建立得到该SUV白车身有限元模型，其中

节点数(nodes)772 082，2D单元中(Tria3)30 364个，焊接单元4 505个。白车

身单元划分信息如表1所示。

表1 白车身单元划分信息表节点数焊点单元三角单元单元总数

BIW772746970

1.2 扭转刚度边界条件及载荷确定

为避免车身超静定，计算扭转刚度时，对车身模型做如下约束：前端约束Z向平

动，左后减震器位置约束X、Y、Z平动，右后减震器位置约束X、Z平动；在左、

右前减震器位置分别施加大小相等、方向相反的2 600 N垂直方向载荷，其分析

模型如图1所示。

图1 扭转刚度的边界条件

将分析模型导入ABAQUS软件的非线性模块进行刚度计算分析，得到该车身结构

的扭转刚度。

1.3 车身扭转刚度试验

为分析全景天窗结构的顶盖对车身扭转刚度的影响，将设计全景天窗的车身扭转刚

度A与未配置天窗的车身扭转刚度B分别进行了仿真及试验分析，其仿真与试验

结果如表2所示。

表2 扭转刚度试验与仿真结果对比状态扭转刚度/(Nm()-1)仿真实验误差

/%A827686354．34B1683417840-5．98两种状态比值0．4920．484———

由表2可知：车A与车B的仿真与试验扭转刚度比值分别为0.492、0.484，扭转

刚度比值基本一致，试验结果略大于仿真值。增加汽车全景天窗会使汽车的车身刚

度降低约50%。从测试的结果对比分析，有限元仿真结果与试验测试结果误差均

在6%以内，仿真模型可以考察车身行驶扭转变形。

2 天窗口变形量及模态分析

为分析天窗口变形量，同时兼顾计算效率，在车身天窗边框含角点选定14个测点，

其中单侧X向布置5个点，Y向布置4个点，如图2所示：测点1、5、9、11为

角点，输出三向位移；其他为非角点，输出垂向位移。

图2 天窗顶盖测点示意图

变形量计算方法定义如下：选取天窗边框1、5、9、11四角点三向相对于静止状

态的位移量，作为点A、B、C、D的坐标值，分别计算点A、B、C、D相对于其

他三点所确定平面的距离 lA、lB、lC、lD；如图3：lA 为点A到其他三点(B、C、

D)所确定平面距离，lB、lC、lD同理。

图3 变形量计算方法

计算距离的最大值:

lM=max(lA, lB, lC, lD)

用以判断此时玻璃变形量大小，lM等于0时，A、B、C、D四点在同一平面上，

玻璃仅有空间位移，无变形；lM越大，表明玻璃扭曲变形越严重。

通过扭曲路路面仿真模拟分析得到天窗和非天窗垂向位移数据对比曲线，如图4

所示。

图4 测量点变形量

从数据仿真对比分析，窗框变形增大，顶盖Z向位移也增大，非天窗版最大变形

量3.4 mm，全景天窗车型玻璃窗框最大变形量为4.29 mm，全景天窗车身窗框

变形量不满足玻璃厂家设计允许值。

3 白车身结构优化感动造句

3.1 车身结构分析

经过对初始设计结构扭转变形的分布，查找影响窗框变形的主要因素：(1)A环上

部区域、顶盖前横梁与侧围搭接区域接头刚度不足；(2)C环与D环上部区域刚度

不足；(3)淘宝售后客服 侧围、地板门槛梁区域刚度不足。

3.2 车身结构优化

根据分析结果，制定如下优化方案：

优化一：(1)顶盖前横梁总成修改为盒状断面，增加顶盖前横梁上板，增大截面面

积；(2)在侧围与顶盖前横梁下板中部区域增加两个螺栓连接(左右对称)，优化孔洞

大小及位置，增强侧围与顶盖前横梁的连接刚度(见表3)。

表3 前横梁优化方案位置变更前变更后顶盖前横梁总成侧围与顶盖前横梁下板中

部区域

优化二：基于提升扭转刚度的目的，对D、C环车身部件进行厚度灵敏度优化，通

过增加D、C环关键部件的厚度提升扭转刚度，如表4所示。

表4 D、C环料厚优化方案零部件名称厚度变更量/mm顶盖后横梁上板+04左/

右D柱加强板上段+02左/右D柱上段+01左/右D柱下段+03

优化三：A、B柱加强板改为热成型材质，侧围地板纵梁采用高强度滚压型材，提

升侧围、地板刚度。

3.3 优化后分析结果

将结构优化后模型进行虚拟场仿真，根据天窗边框四角点三向位移，计算扭曲路各

时刻顶盖窗框变形量。优化后分析结果如表5所示。

表5 优化分析结果白车身BIW/(Nm()-1)184575白车身BIP/(Nm()-

1)205484天窗框最大变形量/mm20

此分析结果可以满足设计要求。

同时，对白车身模态进行分析，前部扭转振型、后部扭转振型分别为30.84、

39.25 Hz，满足车身目标值要求。

4 结论

通过对白车身刚度、天窗框变形量的分析，得到如下结论：

(1)全景天窗会使汽车的扭转刚度下降，在正弦路扭曲工况下天窗开口变形量最大，

车身扭转刚度是考评全景天窗的重要指标；

(2)通过修改顶盖前横梁为闭口截面，增大截面面积，修改部分零部件料厚等措施，

将车身扭转刚度提升到某一数值，可满足全景天窗的使用要求；

(3)该方法为后续车型的开发和改进提供了一定的参考。

参考文献:

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[3]段月磊.轿车车身刚度有限元分析及优化[D].合肥:合肥工业大学，2010.

[4]刘善英,付静,张瑞俊,等.某S U V 车型全景天窗顶盖总成的设计[J].企业科技与发

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[5]黎树贞,王占魁.某全景天窗车型设计过程中的车身模态提升优化方案[J].企业科

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