基于概念设计的车身接头等效简化方法

杨万庆 赵永宏 陈东 耿富荣 汪芳胜

摘 要：为了在概念设计阶段构建更为精准有效的车身框架模型，文章提出一种以梁、刚性单元和扭转弹簧组合的车身接头等效简化方法，并提出了一种计算接头刚度的新方法。并验证了该方法的正确性。使用该方法简化的车身接头，车身框架的静态刚度偏差在2%左右。这种车身接头的等效简化方法，具有计算效率高、等效精度高以及操作简单等优点，可以很好地运用到车身前期概念设计工作中。

关键词：车身设计;框架车身;简化接头;等效简化

中图分类号：U463.8  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-56-04

Abstract： In order to build more accurate and effective body frame model in concept design phase， a body joint equivalent simplification method is proposed in this paper which include beam， RBE2 and spring mesh elements. This paper presents a relevant method to compute the joint properties， and verify the correctness of the proposed method. The static stiffness deviation of the simply joint body is about 2%. It can be applied to the conceptual design of the car body in the early stage.

Keywords： Body design; Frame body; Simply joint; Equivalent simplification

CLC NO.： U463.8  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-56-04

前言

白车身结构总成是由承载构件、接头和板壳连接组成。构件的截面特性、接头的刚度和板壳的形状、板厚都影响车身的刚度，而接头在很大程度上决定整个车身的刚度和振动模态，因而影响车身的振动、噪声性能和耐久性[1]。研究车身接头部位对白车身刚度的影响，对于改进车身结构，改善车辆的强度刚度状况，提高车辆的安全性和可靠性具有十分重要的实际意义[2]。车身接头由梁与梁之间的连接形成，研究发现，将接头视为刚性的计算结果会使整车刚度提高50%—70%[3]，所以在计算时必须考虑接头的柔性，以保证计算结果能正确反映实际的力学性能。

为了建立更为准确的接头计算模型，国内外学者在接头结构的等效简化方面开展了许多研究工作。目前，接头结构的等效简化可划分为两条技术路线：一条是超单元缩减矩阵简化，即根据接头详细模型，利用Guyan缩减法消去从自由度得到含有主自由度信息的超单元缩减矩阵;另一条技术路线是等效模型简化，即采用梁单元、刚性单元RBE2、弹簧等组合形式，模拟接头的刚度性能建立等效简化模型。

Chon利用扭簧模拟接头，并指出在一些极端情况下，可忽略某些参数，将接头视为刚性连接[4]。Nikolaidis等在接头等效简化模型方面做了一系列的工作[5-9]，在[5]中建立了两种面向设计的三维模型，两个模型均由扭簧组成，区别在于角位移是否耦合，作者还提出了一种基于结构的静态响应推测模型参数的方法，并将这种方法应用到一个简单的立方体框架和车身中，比较了两种模型预测静态响应的能力。在[6]中提出了一种识别车辆柔性接头的方法。该方法通过测量整体结构的位移，确定接头模型中最重要的参数，并估计这个参数的值。这种方法可以用于开发简单的、面向设计的初步接头模型，作者在文中验证了该方法的可行性。在[7][8]中作者建立了一种简单、面向设计的车辆接头模型，该模型考虑了接头的柔度、接头几何中心到接头分支旋转中心的偏移量，前者还研究了车辆结构静态响应对接头模型参数的敏感性，以此确定最重要的参数。后者还介绍了一种识别重要参数的统计工具，并将其应用于B柱接头参数的估计。在[9]中作者研究了接头分支长度对接头性能的影响，并将该方法应用到了由简单箱梁构成的T型接头和真实的汽车车身结构接头中。

国内的学者对接头模型也开展了许多研究。黄金陵等在文中提出了“接头单元”的概念，以车身A柱上接头为例，计算了接头柔度，分析了接头柔度对整车刚度的影响[10]。鞠伟建立了汽车B柱下接头的弹簧—刚梁简化模型，验证了该模型的有效性，并实现了接头简化模型建立的流程自动化[11]。迟瑞丰等利用扭转弹簧单元和刚性连接单元模拟车身的接头，计算了不同接头对弯曲刚度和扭转刚度的影响[12]。

以上专家学者对接头的研究采取了多种方法，取得了很好的效果，但是这些方法计算复杂，尤其是在有限元仿真计算中，没有相应的单元类型模拟接头，工程应用中很难实现，尤其在车身概念设计中，详细接头很难分析接头的受力特征，用简化的接头形式，在车身框架的设计中有重要的意义。

鉴于此种原因，本文提出一种以梁、刚性单元RBE2和弹簧组合为等效模型的车身接头等效简化方法，建立了通用的车身接头刚度计算方法，并用一个车身实例验证了该方法的正确性。

1 接头定义

车身接头是梁与梁之间的连接结构，轿车主要接头分布于侧围区域，如图1三厢将车所示。并将接头依次命名为JA、JB、JC、JD、JE、JF、JH.接头的数量根据车型而定。

根据接头端点的数量和形状，车身结构典型接头主要分为L型和T型。为便于区分接头各分支，将接头的分支划分为主梁和支梁，在车身系统坐标中，沿车身纵向的梁为主梁，其余方向的梁为支梁。在车身上截取接头时，应根据接头的类型，在接头过渡圆弧切点外的直边区域进行截断，由于接头分支长度、各分支之间的圆弧过渡区域对接头刚度的影响不容忽略，为保证接头模型的准确性，可根据以下推荐尺寸确定主、支梁的直边尺寸，L型接头主、支梁提取的直边推荐尺寸均为30mm;T型接头主梁提取的直边推荐尺寸为30mm，支梁则为50mm。如圖2所示。

（a）L型接頭            （b）T型接头

2 接头等效简化方法

2.1 接头简化方法

车身的接头是薄壳梁连接构成的，接头的简化是将复杂的薄壳梁结构简化成一维梁单元和弹簧单元模型，便于接头的受力分析和刚度优化。接头的简化工作主要分为梁单元的简化和接头的连接。

梁单元的简化是将薄壳构成的接头模型划分成主、支梁区域，各区域按照截取母线简化成一维梁单元，T型接头主梁截取成两段，支梁截取成一段，L型接头主梁和支梁都截取成一段，如图3所示。

接头简化得到的梁单元中，端点P1、P2、P3的坐标应与壳单元模型对应点的坐标保持一致。根据梁截面定义梁单元的几何参数，图4为L接头主梁截面，根据截面尺寸计算其截面面积A，惯性矩Ix、Iy和扭转常数J，作为梁单元模型计算参数。

接头的连接主要用刚性单元RBE2和弹簧单元。接头的平动自由度1，2，3用刚性单元 RBE2连接，转动自由度4、5、6用三个扭转弹簧单元连接。见图5。

2.2 接头刚度等效计算

等效简化接头模型的主梁、支梁的刚度由梁截面和长度定义，连接两个梁的扭转弹簧刚度决定接头的刚度，所以简化接头的刚度计算就是求解接头中连接弹簧的刚度。等效简化接头模型可视为在刚性模型的基础上串联扭转弹簧，如图6所示。

简化接头模型         刚性连接模型           弹簧连接模型

令刚性连接模型刚度为Kr，等效简化模型刚度为Kj，连接弹簧的刚度为KS，根据弹簧的串联公式可得简化接头刚度为：

要保证简化接头模型刚度Kj与原薄壳单元模型刚度K0相等，有：

从而可求解得弹簧的刚度为：

将弹簧刚度Ks代入公式（1）即可计算的简化接头的刚度。

2.3 简化接头刚度计算实例

下面以三厢将车白车身为例，验证车身接头简化计算方法和模型精度。现以车身A柱下接头JF为例说明简化接头刚度计算过程，计算模型包括壳单元接头模型，刚性连接简化模型和弹簧连接简化模型。加载方式见图7，在主梁节点P2点约束，在支梁节点P1点施加弯曲和扭转载荷。计算布置如下：

1）壳单元模型     2）刚性连接模型     3）弹簧连接模型

（1）计算壳单元模型刚度K0。约束主梁节点P2点，在支梁节点P1点加载X向弯矩Mx=10000 N?mm，求得转动刚度K0= 401083245.63 N?mm/rad;

（2）计算刚性连接模型刚度Kr。约束P2点，在P1点加载X轴向的转矩Mx=10000 N?mm，求得转动刚度Kr= 828820406.22 N?mm/rad;

（3）计算连接扭转弹簧刚度Ks。根据公式（4）可求得这一方向上的连接扭转弹簧刚度Ks为：

（4）同理可以可分别求出其他接头扭转弹簧刚度，见表1。

a.详细接头车身框架           b.简化接头车身框架

将简化接头模型替换详细接头，计算车身扭转刚度和弯曲刚度，计算结果如表2所示，车身框架扭转刚度降低-2.38%，弯曲刚度降低-1.89%，这是因为简化接头弹簧刚度与梁的连接减弱所致，也有一些操作的误差。虽然接头简化后车身静态刚度稍微降低一些，但是偏差在2%左右。完全满足概念设计车身框架设计精度要求。

3 结论

为了建立稳定可靠、满足较高精度要求的接头等效简化模型以实现精准的参数化框架车身概念模型，本文基于对多款车型车身接头结构的等效方法和模拟精度的研究，提出了一种车身接头等效简化方法，为车身接头的设计与理论分析提供新的实用方法。

本文提出的车身接头等效简化方法具有以下特点：

（1）可提高计算车身的力学特性的计算效率，同时，接头等效简化模型在主自由度方向上具有与壳单元模型相同的转动刚度，极大程度地提高了接头的等效精度;

（2）操作简单，只需提取少量参数便可得到参数化接头模型，将各个接头等效后更利于车身模型的参数化处理;

（3）利用这种等效简化方法获得的接头等效模型的结构与壳单元模型较为一致，根据转动刚度值对等效简化模型的一维梁单元和弹簧刚度值进行优化，便可得到接头分支的界面特性和连接强度等，从而可指导接头的设计工作。

参考文献

[1] 黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 宋章迪，沈景凤.汽车车身T型接头的刚度分析与研究[J].农业装备与车辆工程，2017，55（10）：67-70.

[3] Chang D C.Effects of flexible connections on body structural resp -onse[R]. SAE Technical Paper， 1974.

[4] Chon C T.Sensitivity of overall vehicle stiffness to local joint stiffness[J]. 1987.

[5] Gangadharan S N， NIKOLAIDIS E， Haftka R T. Probabilistic system identification of two flexible joint models[J]. AIAA journal， 1991， 29（8）： 1319-1326.

[6] Lee K， Nikolaidis E. Identification of flexible joints in vehicle structures[J]. AIAA journal， 1992， 30（2）： 482-489.

[7] Lee K， Nikolaidis E. A two-dimensional model for joints in vehicle structures[J]. Computers & structures， 1992， 45（4）： 775-784.

[8] Nikolaidis E， Lee K. A 3-D joint model for automotive structures[R]. SAE Technical Paper， 1992.

[9] Lee K， Nikolaidis E. Effect of member length on the parameter estimates of joints[J]. Computers & structures， 1998， 68（4）： 381- 391.

[10] 黄金陵，娄永强，龚礼洲.轿车车身结构概念模型中接头的模拟[J].机械工程学报，2000（03）：78-81.

[11] 鞠伟.车身结构中接头简化模型的研究[D].吉林大学，2009.

[12] 迟瑞丰，侯文彬，胡平.接头在车身结构概念设计阶段对刚度的影响[J].机械设计与制造，2009（11）：180-181.