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刘宏涛
东风柳州汽车有限公司 广西柳州市 545000
摘 要： 为避免车身刚度设计出现突变或不连续的情况，本文探究了均匀应变能密度法在车身结构刚度设计的应用。
首先，对车身关键区域进行划分，分析不同加载工况下车身结构不同区域的应变能密度，并获取其承载系数；其次，根据承载系数的大小对重点关注区域进行刚度调整；最后，基于均匀应变能密度设计准则进行结构更改，调整刚度，使得整体结构刚度均匀连续。优化结果表明调整后结构承载系数出现了一定程度的下降，验证了基于均匀应变能密度设计准则的车身刚度设计的有效性。
关键词：车身刚度 应变能密度 承载系数 刚度设计
1 引言
020服务
刚度是车身结构性能的重要表征之一，并与车身NVH性能、可靠性、耐撞性能以及轻量化都有着重要的联系。因此，提高车身刚度、避免车身刚度设计不连续情况对于车身设计具有重要的实际工程意义，众多学者为此展开了相关研究。
为了能够快速识别不同结构对车身整体刚度的影响大小，一些学者利用灵敏度进行分析。肖杰等人[1]基于有限元方法分析了车身结构的主断面对白车身刚度的灵敏度，获取了影响车身扭转刚度和弯曲刚度的显著断面，在此基础上，研究了主断面面积、主惯性矩等几何参数对白车身刚度的影响，结果表明，车身主断面几何特性对白车身刚度的影响呈非线性相关，并进行了优化分析。刘显贵等人[2]则基于刚度准则对车身刚度进行了灵敏度分析，并进行优化设计。优化后的车身刚度和灵敏度更加合理。由于传统灵敏度分析主要是结构个体为研究对象，为了对结构区域刚
度进行灵敏分析，并优化刚度设计的连续
性，一些学者利用均匀应变能密度法进行
车身刚度设计。王超等人[3]在白车身（BIW）
和带有风挡玻璃的车身结构（BIP）的有限
元模型构建技术基础上，对车身结构的接
头刚度性能进行了分析和评价，并总结了
风挡玻璃对车身接头结构承载特性的影响
规律。吴业全等人[4]则基于均匀应变能密
度的车身结构刚度设计方法，分析了弯曲
和扭转工况下车身的应变能密度，并对关
键结构做了优化设计。结果表明，优化后
的车身结构刚度更加均匀化，基于均匀应
变能密度的车身结构刚度设计方法能有效
量化车身结构关键区域的承载大小，指导
车身关键区域的刚度设计。
由于传统灵敏度分析具有一定的局限
性，故本文详细阐述了均匀应变能密度设计松散回潮
准则，并以某款车型作为研究对象，探究了
扭转、前弯、后弯以及整弯工况下的车身刚
度、应变能密度以及承载系数。最后基于均
匀应变能密度设计准则对车身关键结构进行
刚度调整，最终的优化结果显示，车身关键
结构的承载系数出现了一定程度的下降，验
证了基于均匀应变能密度设计准则的车身刚
度设计方法的有效性。
2 模型描述
白车身是指完成焊接但未涂装之前的车
身，还包括根据工艺等要求将车身部分零件
由焊接改成的总装件，如前后碰撞横梁、上
下弯梁等，不包括四门两盖（或五门一盖）
等运动件。严格定义的白车身应不包括前挡
风玻璃和后三角玻璃，两者对白车身对白车
身的整体刚度和模态会有较大影响，实际试
验过程中往往会测量加上玻璃的模型，因此
白车身一般分为不带前后挡风玻璃的白车身
（BIW）和带前后挡风玻璃白车身（BIP）
两种，本文中用于研究的模型为某车型的带
前后挡风玻璃的白车身。前处理软件选用
Application analysis of homogeneous strain energy density on body structural stiff ness design
Liu Hongtao
Abstract： I n order to avoid the abrupt change or discontinuous in body stiff ness design, In this paper, we explore the applications of body structural stiff ness design based on homogeneous strain energy density. Firstly, classifying the key area of vehicle body, The strain energy densities of diff erent parts of body structure under diff erent loading conditions were analyzed, And acquire its load coeffi cient; Secondly, according to the load coeffi cient, the stiff ness of the key area is adjusted; Finally, The structural modifi cation and stiff ness adjustment Based on homogeneous strain energy density criterion, make the stiff ness of whole vehicle body structural is more homogeneous. Optimization results show that the load coeffi cient of structure has dropped to a certain extent after adjustment, which verifi es the eff ectiveness of body stiff ness design based on homogeneous strain energy density criterion.
Key words：Body stiff ness; Strain energy density; Load coeffi cient; Stiff ness design
hypermesh，求解器为optistruct 和后处理软件则使用hyperview。利用hypermesh 来对白车身进行有限元网格建模，高质量的网格模型是计算结果准确可信的基础，因此在建模过程中，对网格单元的尺
寸、翘曲、长宽比、单元内角、雅克比等参数进行严格控制，钣金件使用壳单元进行网格划分，网格尺寸为10mm，弹性模量设置为，密度设置为
，泊松比设置为
0.3，钣金件之间主要通过螺栓、焊点、烧焊还有粘胶等方式进行连接。使用刚性单元rbe2来模拟螺栓连接和烧焊连接，采用acm 单元模拟焊点连接，采用adhesives 单元模拟粘胶连接，该车型BIP 有限元模型的单元数为657243，质量为335.3kg，白车身模型如图1
所示。
图1 BIP 模型
3 工况描述
汽车在行驶过程中受到垂向荷载时，车身会产生弯曲变形。同时，若汽车在行驶过程中受力不均，会导致车身发生扭转变形，从而产生相对扭转角，因此弯曲刚度和扭转刚度时体现白车身抵抗变形能力的重要指标。故本文研究中，对扭转、前弯、后弯以及整弯四个加载工况下的车身刚度，应变能密度以及承载系数进行分析。
3.1 整车扭转工况
在前悬中心处施加向大小相等，方向相反的两个集中力，力的大小根据各车型前轴许用载荷来确定，本研究车型荷载大小为1180N。约束前防撞梁中心处Z 向的平动自由度，约束左侧后悬螺簧座中心的X 向、Z 向平动自由度，约束右侧后悬螺簧座中心的X 向、Y 向、Z 向平动自由度。如图2所示。
3.2 整车弯曲工况
在前排座椅和第二排座椅的座椅中心分别加载1668N 的负Z 向集中力。分别约束左右前悬中心处的X 向、Y 向、Z 向平动自由度，约束左右后悬螺簧座中心的Z 向平动自由度。如图3所示。
3.3 前舱弯曲工况
在前排座椅的座椅中心分别加载1668N 的负Z 向集中力，分别约束左右前悬中心处的X 向、Y 向、Z 向平动自由度，约束左右后悬螺簧座中心的Z 向平动自由度。如图4所示。
3.4 后舱弯曲工况
在第二排座椅的座椅中心分别加载1668N 的负Z 向集中力，分别约束左右前悬中心处的X 向、Y 向、Z 向平动自由度，约束左右后悬螺簧座中心的Z 向平动自由度。如图5所示。
图2 整车扭转工况示意图
1180N
1180N
SPC3
SPC123
SPC13
jasperreport
鱼塘理论
图3 整车弯曲工况示意图
1668N
1668N 1668N禁播水浒
SPC 123
SPC 123
SPC 3
SPC 3
1668N
图4 前舱弯曲工况示意图
1668N
1668N
SPC 123
SPC 123
SPC3
SPC3
4 均匀应变能密度设计准则
弹性体在外载荷作用下，结构发生弹性变形而存储的能量称为弹性势能或者应变能
[5]
。因此，应变能的大小能够一定程
度上衡量结构的刚度。为避免刚度突变或不连续的情况，由相同材料制成的结构应该具有接近的刚度值。因此，本文提出基于均匀应变能密度设计准则，用于车身结构刚度设计。
将结构的应变能与其质量的比值称为该
结构的质量平均应变能密度，简称为应变能密度。设应变能密度为u，公式如下：
s
u m =
(1)
式中，s 为结构应变能，m 为结构质量。结构处于弹性变形范围内，并且维持
刚度处于一定的条件时，相同特性材料制成的最优结构的应变能密度应该是均匀分布的，为进一步反映车身结构区域刚度与
整体刚度的关系，引入承载系数概念，定义如下：
k
k u u α=
(2)
式中，uk 为子结构应变能密度，u 为整
体结构应变能密度。
当子结构的承载系数k α>1时，说明子结构的应变能密度大于整体结构的应变能密度，进一步说明子结构的相对变形大。
基于均匀应变能密度设计准则，应该增大子结构的刚度，减少变形。同理，当子结构的承载系数k α<1时，说明子结构的应变能密度小于整体结构的应变能密度，进
一步说明子结构的相对变形小。基于均匀应变能密度设计准则，应该减少子结构的
刚度，增大变形。
图5 后舱弯曲工况示意图
1668N 1668N
SPC 123
SPC 123
SPC 3
SPC 3
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5 基于均匀应变能密度设计准则的车身刚度设计
以某车型为研究对象，探究均匀应变能密度设计准则在车身刚度设计的应用。具体研究路线如下：
首先对车身重点关注区域进行划分，基于hypermesh 软件将不同区域划分到相应的component 中。具体车身划分如图6和表1所示。
图6 车身结构关键区域划分示意图
1219
18
3
5
118
10
17
16
1514
64
7
9
表1 车身结构区域划分
其次，以扭转、前弯、后弯以及整弯四个加载工况对车身进行应变能分析。具体应变能云图如图7、8、9、10所示。红区域表示该区域的应变能大，进一步说明该区域
的变形大、刚度相对较小。
图7 车身扭转工况应变能云图
图
8 车身前弯工况应变能云图
图
9 车身后弯工况应变能云图
再次，获取不同关键区域的应变能，结合公式（1）和公式（2）计算不同区域
的应变能密度和承载系数。根据承载系数的大小对相应区域进行刚度调整，基于均匀应变能密度设计准则进行结构更改，调整刚度，使得整体结构刚度均匀连续。计
算结果显示四个加载工况中的具有最大承
载系数结构是地板横梁2、地板横梁3和地板横梁4。
最后，对不同区域的承载系数大小进行排序，基于均匀应变能密度设计准则进行结构更改，调整刚度，使得整体结构刚
度均匀连续。本文选取具有最大承载系数
的结构（地板横梁2、地板横梁3和地板横梁4）进行优化。通过对所选结构增加厚度的方法来增加其刚度，进而降低其承载系数。不同加载工况下，所选结构的优化前后的承载系数如图11所示，可以看出优化后的子结构承载系数一定程度的下降。相比初始结构，车身刚度更加均匀化。
6 结论
本文详细阐述了均匀应变能密度设计准则，并应用于车身结构刚度设计。通过划分车身关键结构区域，分析不同载荷工况下的应变能，获取对应子结构的承载系数，进而基于均匀应变能密度设计准则调整相应子结构的刚度，使得车身整体刚度。优化结果表明调整后结构承载系数出现了一定程度的下降，说明车身整体结构刚度区域均匀，验证了基于均匀应变能密度设计准则的车身刚度设计的有效性。
基金项目：柳州柳东新区科学研究与技术开发计划项目（柳东科攻
手机报网站
2018000003）。
图10 车身整弯工况应变能云图
参考文献：
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[3]王超，吕振华，吕毅 宁. 风挡玻璃对车身结构刚度影响的研究 [J] .汽车工程，
2014，36 （12）：1539-1545.
[4]吴业全，朱灯宏，黄红端，等. 基于均匀应变能密度的车身结构刚度设计方法[J]. 装备维修技术，2018，167（03）：52-57.[5]王兴东. 国产某轿车车身刚度优化 [D] .长
春：吉林大学，2008.
承载系
数
承载系数
(a)扭转工况 (b)前弯工况
(c)后弯工况 (d)整弯工况
图
11 车身结构优化前后的承载系数对比
作者简介
刘宏涛： （1983—），男，东风柳州汽车有限公
司，工程师、经济师职称，湖南大学研究生毕业，硕士学位。工作领域为整车研发技术及管理工作。
可得电池级石墨负极材料。该工艺路线虽然成熟，但是存在流程长、成本高等弊端。目前对负极材料的研究相对较少。
当前，动力电池再生利用技术在实验室层面做了诸多的探索，获得了一些经验数据，但是在成本控制、工艺优化等方面还需进一步优化，以适应产业化的需求。
4 结论
综上所述，废旧动力电池的回收利用问题亟需解决，国家也出台了相关的政策，规范废旧动力电池综合利用产业的发展，提高了相关企业的门槛。综合利用企业应抓住机遇，在降低成本、优化流程、提高效率等方面加大研发投，以提高企业市场
竞争力。基金项目：广东普通高校创新团队项目（2017GKCXTD004）。
参考文献：
[1]《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》[S].
[2]昝文宇，马北越，刘国强.动力锂电池回收利用现状与展望[J].稀有金属与硬质合
金，2020，48（05）：5-9+71.
[3]张英杰，宁培超，杨轩，董鹏，林艳，孟奇.废旧三元锂离子电池回收技术研究新进展[J].
化工进展，2020，39（07）：2828-2840.
作者简介
梁展星： （1987—），男，工程师，主要从事
危险废物处置，固废资源化生产管理与研究，汽车制造与环保产业融合发
展研究工作。
通讯作者
王文祥： （1972—），男，副教授，博士，主要
从事固体废物资源化方向研究。
（上接第122页）
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