车身(车架)刚度CAE分析和试验方法

奇瑞汽车有限公司企业标准车身（车架）刚度CAE分析和试验方法2008-03-25发布2008-04-01实施奇瑞汽车有限公司发布Q/SQRQ/SQRQ/SQRQ/SQRQ/SQR.04.091－2008代替Q/SQR.04.091-2007前言本标准参照国内外行业标准制定，规定了奇瑞汽车车身（车架）静刚度分析和试验方法。编制该标准的目的是为了规范化奇瑞公司用CAE和试验两种方法分析各种车型车身和车架的弯曲、扭转刚度的约束、加载方式和试验数据处理方法。在提高CAE和试验方法准确度的同时，避免两种方法因结果不同而混淆设计人员对车身刚度的判断，帮助设计人员在新车型开发前期，制定合理的车身刚度目标值。因为CAE和试验两种手段本质上的差别，在加载、约束、测量等环节有些难以统一的问题，文中对常见的此类问题也明确了解决方法。本标准自发布之日起代替Q/SQR.04.091-2007。本标准与Q/SQR.04.091-2007相比，主要修改内容如下：1)将标准名称由“轿车白车身静刚度试验规范”改为“车身（车架）刚度CAE分析和试验方法”，扩大了标准的使用范围；2)增加了车身刚度测试时CAE的分析方法，以保证CAE模拟分析跟实验分析保持一致的方法；3)修改了车身刚度测量时实验方法，以减小理论分析与实验测试的差距；实验时以本标准为依据。本标准由奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院和试验技术中心提出。本标准由奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院标准管理科归口。本标准起草单位：汽车工程研究院CAE部和试验技术中心。本标准主要起草人：杨晋、田冠男、章礼文、张厚平。车身（车架）刚度CAE分析和试验方法1范围本标准规定了奇瑞汽车有限公司生产的乘用车和商用车静态扭转、弯曲刚度CAE分析和试验的约束、加载条件和试验数据处理方法。本标准适用于奇瑞汽车有限公司生产的乘用车和商用车静态扭转、弯曲刚度CAE分析和试验。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。无3术语和定义下列术语和定义适用于本标准。3.1白车身本流程内的白车身指带有前后保险杠横梁和前后风挡玻璃的车身金属骨架。如果车身侧围开有小窗，且小窗玻璃和车身用胶粘连，这部分窗玻璃也应包含在内。如果副车架与车身刚性连接（副车架与车身连接处没有胶套），或者有其它通过螺栓连接的用于提高车身刚度的零部件，也应包含在本流程定义的白车身概念内。3.2车架车架是非承载式车身安装动力总成、底盘系统的主要承载结构。4约束和加载方法本章节定义了承载式轿车白车身、非承载式轿车白车身、皮卡驾驶室和车架（H系列商务车）的扭转、弯曲刚度的约束和加载方式。4.1扭转刚度用CAE方法计算扭转刚度时，不需要考虑扭转载荷方向的影响。而试验中载荷方向对结果会有微小影响，因此应分别做两个方向的扭转刚度试验，并将两次试验结果的平均值作为最终结果。4.1.1承载式轿车白车身该方法适用于采用承载式车身的SEDAN、SUV、COUPLE、CROSSOVER和敞篷车等车型。白车身扭转刚度约束和加载方法如图1所示。Q/SQR××××—××××II载荷2000Nm图1白车身扭转刚度约束和加载方法约束方法：1.约束白车身前保险杠中间处，保证约束点的Y坐标的值为零，约束该点的Z向的平动自由度（）。Z∆2.约束白车身后左、右弹簧座X、Y、Z三个方向的平动自由度（）。YXZ∆∆∆、、注：⑴若白车身的后悬架结构采用的是钢板弹簧结构，约束点为每侧钢板弹簧两个安装点中间位置X坐标对应的后纵梁处。⑵对于约束方法的第一条，在试验中如果已通过专用加载设施实现，就不必再用额外约束装置实现。加载方法：在白车身前左、右减震器座上施加一大小为2000N·m的力矩，力的方向沿正、负Z向。4.1.2皮卡驾驶室皮卡驾驶室扭转刚度约束和加载方法如图2所示。载荷2000N·m约束驾驶室和车架的后两个安装点X、Y、Z三个方向的平动自由度图2皮卡驾驶室扭转刚度约束和加载方法约束方法：1.约束驾驶室和车架的前两个安装点中间处，要保证约束点的Y坐标的值为零，约束该点的Z向的平动自由度（）。Z∆2.约束驾驶室和车架的后两个安装点X、Y、Z三个方向的平动自由度（）。YXZ∆∆∆、、Q/SQR××××—××××III注：对于约束方法的第一条，在试验中如果已通过专用加载设施实现，就不必再用额外约束装置实现。加载方法：在驾驶室和车架的前两个安装点上施加一大小为2000N·m的力矩，力的方向沿Z向。4.1.3非承载式车身非承载式车身扭转刚度约束和加载方法如图3所示。载荷2000N·m约束车身和车架的最后两个安装点X、Y、Z三个方向的平动自由度图3皮卡驾驶室扭转刚度约束和加载方法约束方法：1.约束车身和车架在前档板下面两个安装点中间处，要保证约束点的Y坐标的值为零，约束该点的Z向的平动自由度（）。Z∆2.约束车身和车架的最后两个安装点X、Y、Z三个方向的平动自由度（）。YXZ∆∆∆、、注：对于约束方法的第一条，在试验中如果已通过专用加载设施实现，就不必再用额外约束装置实现。加载方法：在车身和车架的前两个安装点上施加一大小为2000N·m的力矩，力的方向沿Z向。4.1.4车架车架扭转刚度约束和加载方法如图4所示（适用于公司P系列和H系列车）。约束两个后弹簧座X、Y、Z平动自由度载荷2000N·m图4车架扭转刚度约束和加载方法约束方法：Q/SQR××××—××××IV1.约束车架前保险杠横梁中间处，要保证约束点的Y坐标的值为零，约束该点的Z向的平动自由度（）。Z∆2.约束车架后减振器座安装点X、Y、Z三个方向的平动自由度（）。YXZ∆∆∆、、注：⑴若后悬架结构采用的是钢板弹簧结构，约束点为每侧钢板弹簧两个安装点中间位置X坐标对应的后纵梁处。⑵对于约束方法的第一条，在试验中如果已通过专用加载设施实现，就不必再用额外约束装置实现。加载方法：在驾驶室和车架的前两个安装点上施加一大小为2000N·m的力偶，力的方向沿Z向。4.2弯曲刚度4.2.1承载式轿车白车身白车身弯曲刚度约束和加载方法如图5所示。约束车身前左、右减振器座Y、Z平动自由度约束车身后左、右弹簧座X、Y、Z平动自由度载荷为1500N图5白车身弯曲刚度约束和加载方法约束方法：1.约束白车身前左、右减振器座Y、Z二个方向的平动自由度（）。YZ∆∆、2.约束白车身后左、右弹簧座X、Y、Z三个方向的平动自由度（）。YXZ∆∆∆、、注：若白车身的后悬架结构采用的是钢板弹簧结构，计算时约束点时就约束钢板弹簧的安装点处。加载方法：在通过前座椅处于导轨中间位置时H点的YOZ平面与门槛相交的位置（试验时可根据实际情况在本方法约定的加载点位置附近寻找最近的可实现加载点。分析和试验可依据5.1.3对比、评价弯曲刚度。）施加沿Z轴负向F=1500N（试验时，可依据CAE分析出的刚度结果和测试设备量程设定合理的载荷大小）的载荷（分别加于左右两处）。座椅H点为假人的髋部与躯干的交点，加载点的选取要求其X坐标值与座椅H点X坐标相等。4.2.2皮卡驾驶室皮卡驾驶室弯曲刚度约束和加载方法如图6所示。Q/SQR××××—××××VFz=1500N约束驾驶室和车架的前两个安装点Y、Z平动自由度。约束驾驶室和车架后两个安装点X、Y、Z自由度Fz=1500N图6皮卡驾驶室弯曲刚度约束和加载方法约束方法：1.约束驾驶室和车架的前两个安装点Y、Z二个方向的平动自由度（）。YZ∆∆、2.约束驾驶室和车架的后两个安装点X、Y、Z三个方向的平动自由度（）。YXZ∆∆∆、、加载方法：在通过前座椅处于导轨中间位置时H点的YOZ平面与门槛相交的位置（试验时可根据实际情况在本方法约定的加载点位置附近寻找最近的可实现加载点。分析和试验可依据5.1.3对比、评价弯曲刚度。）施加沿Z轴负向F=1500N（试验时，可依据CAE分析出的刚度结果和测试设备量程设定合理的载荷大小）的载荷（分别加于左右两处）。座椅H点为假人的髋部与躯干的交点，加载点的选取要求其X坐标值与座椅H点X坐标相等。4.2.3非承载式车身弯曲刚度约束和加载方法如图7所示。Fz=1500N车身和车架的前两个安装点Y、Z平动自由度。约束车身和车架最后两个安装点X、Y、Z自由度Fz=1500N图7皮卡驾驶室弯曲刚度约束和加载方法约束方法：3.约束车身和车架的前两个安装点Y、Z二个方向的平动自由度（）。YZ∆∆、4.约束车身和车架的最后两个安装点X、Y、Z三个方向的平动自由度（）。YXZ∆∆∆、、加载方法：在通过前座椅处于导轨中间位置时H点的YOZ平面与门槛相交的位置（试验时可根据实际情况在本方法约定的加载点位置附近寻找最近的可实现加载点。分析和试验可依据5.1.3对比、评价弯曲刚度。）施加沿Z轴负向F=1500N（试验时，可依据CAE分析出的刚度结果和测试设备量程设定合理的载Q/SQR××××—××××VI荷大小）的载荷（分别加于左右两处）。座椅H点为假人的髋部与躯干的交点，加载点的选取要求其X坐标值与座椅H点X坐标相等。4.2.4车架车架弯曲刚度约束载荷条件如图8所示。Fz=1500N约束两个后弹簧座X、Y、Z平动自由度图8车架弯曲刚度约束和加载方法约束方法：1.约束驾驶室和车架的前两个安装点Y、Z二个方向的平动自由度（）。YZ∆∆、2.约束车架后减振器座安装点X、Y、Z三个方向的平动自由度（）。YXZ∆∆∆、、注：若后悬架结构采用的是钢板弹簧结构，约束点为每侧钢板弹簧两个安装点中间位置X坐标对应的纵梁处。加载方法：在前后约束点中间位置对应的纵梁处施加沿Z轴负向F=1500N（试验时，可依据CAE分析出的刚度结果和测试设备量程设定合理的载荷大小）的载荷（分别加于左右两处）。4.3试验设备对于质量较小的乘用车、微型车，可以用根据英国Lotus公司的建议所做的静刚度试验专用试验台架完成扭转和弯曲刚度试验；对于质量较大的商用车可以采用MTS设备进行扭转和弯曲刚度试验。5数据处理5.1刚度值计算本刚度分析和试验方法评价的是车身整体刚度，需要去除扭转刚度中约束点处局部刚度对整体刚度的影响，以及弯曲刚度中刚体位移对结果的影响。因此在计算扭转何弯曲刚度时需要对扭转角和弯曲变形结果进行处理，消除上述两种不良影响，才能获得真正的刚度值。对于弯曲刚度计算这里介绍了两种方法。方法一为常用算法，计算相对简便，但结果和加载、测试位置有关；方法二用于由于当理论上的加载点和测量点在实际中难以实现的弯曲试验，结果和加载、测试位置无关。5.1.1扭转刚度计算整体扭转刚度的计算公式为(1)RFTTKφφ−=式中，——车身整体扭转刚度（Nm/Deg）；TKT——加载的扭矩(N·m)；——前部扭转角(Deg)；Fφ约束驾驶室和车架前面两个安装点Y、Z平动自由度。Fz=1500NQ/SQR××××—××××VII——后部扭转角(Deg)。Rφ在试验中，并考虑试验设备具有零漂的特性，且需要分步加载，上述刚度计算公式可修正为(2)RFTTKφφ△△△−=式中，——车身整体扭转刚度（Nm/Deg）；TK——为加载时从1600N·m到2000N·m的变化扭矩(N·m)；T△——载荷从1600N·m到2000N·m时前部扭转角的变化量(Deg)；Fφ△——载荷从1600N·m到2000N·m时后部扭转角的变化量(Deg)。Rφ△5.1.1.1扭转角测量获取试验时扭转角可用位移间接计算法或直接扭转角测量法；对于CAE分析，数据处理方式为位移间接计算法。位移间接计算法的扭转角是通过测点的Z向变形位移与其Y方向上横向座标来计算的方法见式3（图9）：，(3)xYx1xLLtan−=φxYx1xRRtan−=φ其中：Rx——右取值点的z向变形；Lx——左取值点的z向变形；Yx——横向上左右取值点间的整车坐标系下y坐标（或左右取值点距离的一半）。LxwxφxRx图9一对左右取值点处扭转角示意图变形前变形后Yx