李金树
重庆同济汽车设计有限公司 重庆 402247
摘要：CAE分析是白车身性能(NVH开发，应用模态），特别是白车身扭转刚度、弯曲刚度过程中的重要技术，通过分析和验证相结合的方式指导白车身NVH性能开发，分析结果和验证结果表明CAE分析方法的有效性和科学性，在汽车开发中可以有效地指导严酷的白车身NVH性能开发。
关键词：白车身；模态；弯曲刚度；扭转刚度
1前言
随着科学技术的发展，人们对汽车的舒适性要求越来越高，而良好的平顺性和NVH是汽车的一个重要标志，因而汽车的NVH性能开发与设计受到了广泛的重视。在汽车的NVH性能开发中，白车身模态、白车身弯曲刚度、白车身扭转刚度，严重影响着整车的NVH性能，所以这几项分析与设计尤为重要。本文以Hyperwork为前、后处理器，以Nastran为求解器，对某车型的白车身模态、白车身弯曲刚度、白车身扭转刚度，作了详细的分析和试验验证，结果表明：采用该分析方法在设计阶段控制白车身的NVH性能是有效可行的方法。
2国内外CAE和模态技术研究
CAE是Computer Aided Engineering的简称。指用计算机辅助求解分析复杂的工程和产品的结构力学性能。CAE是从60年代初在工程上开始应用到今天，已经经历了50多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程。现已成为工程和产品结构分析中（例如航空、航天、机械、土木结构、汽车等领域）必不可少的数值计算工具。同时也是分析连续力学各问题的一种重要工具。CAE系统的核心是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体。
2.1国内外发展现状
根据相关资料显示，国外汽车厂家在大力推行CAE相关技术后，在费用方面，新车开发阶段的费用从最初的75%-85%明显下降到现在的10%-15%。在设计周期上也有着显著的提高。例如，美国通用汽车公司在1995年应用有限元分析技术后，其新车型的开发周期从最初的36个月下降到当时的12-18个月；计后期的错误修正率较之前相比下降了50个百分点；试验车的生产制造成本均降低到元成本的三分之二；投资收益比重则上升60个百分点。经过了多年的经验积累和数据收集，目前CAE技术逐渐形成了属于自己的一套行业规范，运用计算机技术仿真分析开始渐渐地取代了试验车试验。综上所述，经历了将近50年的发展，现如今新车开发中CAE技术主要应用于以下几个方面
（1）概念车设计及可行性研究。
（2）概念车设计和试验车确认。
（3）样车定型生产。
中国汽车行业中，CAE分析大概起步于20世纪80年代中叶。在经历了前期十几年的逐步发展，在90年代CAE技术应用达到了一种“井喷”的态势，现如今，CAE分析技术已经进入到高速发展阶段。目前中国国内汽车企业分为两类：第一类为中外合资企业；第二类为拥有独立知识产权的自主品牌。在中外合资企业中，包括相应的零部件供应商当中，应用CAE分析技术的水平普遍不高。原因在于合资品牌汽车的研发和设计都在国外，造成了合资品牌汽车企业的水平目前仅停留在改造工艺之后的一些验证层次。
3白车身有限元模型的建立
汽车是一个复杂的集合体，它是由发动机、底盘、车身、电气设备四部分组成。各个零部件和零部件之间又存在着多种多样的连接方式，这其中就包括焊接、螺栓连接等等。其中车身作为承载发动机、底盘、电气设备的载体，其结构是整个汽车当中最复杂的部件。对车身建立模型将会是十分繁琐的过程。在对车身的物理性能和整体刚度已知的前提下，需要选择一种功能十分强大的软件是至关重要的。
3.1白车身模型简化
车身由数个钣金件组成，且钣金件结构复杂、数目繁多。车身各个钣金件之间的连接方式为点焊，同时，每一个钣金件上都附着其他一些安装附件，共同构成了车身的构架、尺寸和承受压力等一系列的作用。诸如上述原因，造成了车身内部复杂的结构形态。所以，准确了解各部件之间的连接关系、各部分构件的相关功能是必不可少的，方便后期准确的创建各数学模型、力学模型。以便后期CAE分析提供正确的保障。鉴于车身结构复杂，在保证不破坏整体形状、不影响后期计算的前提下合理简化模型。要严格遵守力学特性，只需要考虑主要的结构件，即保证各个单元同实际结构的一致性。又要保证单元传递的运动力学特性相一致。在车身模型建模过程中，应该遵守下列原则：
（1）结构件中的小尺寸部件，例如，开口、孔洞、翻边、小尺寸的凸台和筋板等可以被简化。因为设计这些部件的目的不仅仅是为了局部附件的连接或保证各个电器设备连接线束、管路更好的分布，与提高车身的刚度的设计毫不相关。这种设计结构同样包括一些小的圆角和倒角。这些圆角和倒角也常常是为了保证制造工艺、装配其它设备，将这些圆角倒角简化为尖角，对整车的影响是微乎其微的。
（2）承载式车身由两部分构成。第一类为主要承载结构的车体骨架和非承载重力的结构件。车体骨架结构有车体结构件及覆盖件焊接而成。承载部件包括：门槛、前后纵梁、地板、轮包、ABC柱、行李架等。前后翼子板的设计是为了外形美观、符合空气动力学要求以及装配安全方面考虑的。保险杠是吸收碰撞能量，起到的是保护的作用。在创建模型时，这两个零件不予以考虑，同时还包括非焊接的小零件。
（3）将距离接近但非重合的交叉点简化为一个节点，而作用接近或相同的构件合成为一个零件。
3.2白车身模型的建立
由于车身的结构形状复杂，建立有限元模型是为了将工程结构中的建构建立模型输入电脑，通过有限元原件生成一系列的数学模型。其中数学模型不仅包括了车身结构的详细数据，还需要白车身的材料属性、边界条件、厚度等参数来详细、准确的描绘出模型。本模型建立顺序如下：
1.Hypermesh中导入工程部门提供的CATIA白车身模型；
2.进行模型单元的划分、质量、边界和法向的检查；
3.进行模型的连接；
对简单的结构件之间的连接采用软件自带选项直接生成。通过对坐标的输入会直接生成单元节点，由单元节点生成单元。若模型复杂的结构件之间的连接关系对此方法不适用。
3.3分析模型与试验台架
表1 分析模型与试验台架
4结束语
通过对白车身模态、弯曲刚度和扭转刚度的分析和验证，结果表明，理论分析和试验结果基本一致，说明早期的CAE分析方法在白车身设计阶段的NVH性能开发中发挥了非常重要的作用，它可以有效地指导汽车NVH性能的设计。
参考文献:
[1]黄杰.面向汽车产品开发的CAE数据管理技术研究[D].华中科技大学，2011.
[2]王维.汽车座椅总成CAE分析及二次开发[D].重庆理工大学，2017.
论文作者:李金树
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/26
标签：车身论文; 刚度论文; 模型论文; 结构论文; 汽车论文; 性能论文; 单元论文; 《防护工程》2018年第32期论文;