现代轿车车身的刚度分析已经贯穿于车身结构设计的全过程，是现代轿车车身设计开发的重要环节，对轿车车身的结构设计意义重大。汽车车身设计对车身刚度具有较高的强度要求，尤其是车身扭转刚度，它是车身抵抗较恶劣的扭转工况载荷的关键保证指标。汽车白车身刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度。弯曲刚度可用车身在铅垂载荷作用下产生的挠度大小来描述，或者用单位轴距长度最大挠度量评价。扭转刚度可以用车身在扭转载荷作用下产生的扭转角大小来描述，或用单位轴距长度轴间相对扭转角评价［1］。

目前，国外对车身刚度的分析成果主要有：HOWARD等［2］利用有限元方法对某轿车车身扭转刚度和车身轻量化灵敏度进行了研究；CHOI等［3］分析了T型接头对整车刚度的影响；NIMA等［4］研究了轿车车身刚度对车身振动及汽车噪声的影响。目前国内对轿车车身刚度的分析有：马迅等［5］分析车身常用薄壁构件的刚度；胡宁［6］采用有限元方法研究了某轿车的车身弯曲刚度和扭转刚度。国内相关研究机构对车身刚度做了大量研究分析［7－16］，但很少见到有关对全景天窗车身的研究报道。天窗对其车身刚度的影响至关重要，因此分析全景车窗车身刚度具有重要的工程价值。

1 车身刚度计算理论

1.1 车身扭转刚度计算

计算车身扭转刚度时，假定轿车车身是一个具有均匀扭转刚度的杆体，轿车车身前后轴间平均扭转刚度的计算公式为

式中：GJ为轿车车身扭转刚度，N·m／（°）；L为车身轴距，m；T为车身上施加扭力，N；θ为车身轴间相对扭转角度，（°）。

1.2 车身弯曲刚度计算

车身弯曲刚度是评价车身性能的一个重要指标，弯曲刚度可看作是在车身垂直力作用时车身的纵向张力，是表示挠度的量。车身弯曲刚度可由车身前后变形量来衡量。计算时假定车身张力一样并且车身整体是一根具有均匀弯曲刚度的简支梁，在中央一点集中加载，求得前后轴间的弯曲刚度值。按材料力学公式计算简支梁的弯曲刚度，根据加载力和最大弯曲挠度值计算车身弯曲刚度［1］。

可知，当x≤b时：

当b＜x≤L时：

式中：EI为轿车车身弯曲刚度；F为集中载荷力；L为前后悬挂固定座支撑点纵向距离；b，a分别是前后支撑点与载荷的距离；z为垂直方向弯曲挠度；x为计算z值点到前支撑点与集中载荷的距离。轿车白车身整体的弯曲刚度也可用车身载荷F与最大弯曲挠度z的比值来衡量，此时弯曲刚度计算公式为

式中：M为车身弯曲刚度，N／m。

2 车身刚度仿真与试验分析

2.1 材料属性及单位

车身板件的材料属性通常由密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、屈服极限等物理量来表示。在添加材料属性时，为使计算正确，要保证各参数单位统一。本文采用的是t－mm－s单位制，即时间单位为s，长度单位为mm。轿车车身主要具体的材料性能如表1所示。

表1 轿车白车身材料性能Tab.1 Car white body material performances材料 抗拉强度／MPa屈服强度／MPa弹性模量／GPa密度／（kg·m－3） 泊松比板钢 300 245 210 7 850 0.31

2.2 边界及载荷条件

本文对某全景天窗轿车白车身进行车身刚度分析，首先确定刚度分析的边界条件。车身刚度分析的边界条件包括扭转刚度边界条件和弯曲刚度边界条件，其约束如下。

1）扭转刚度约束

前端约束Z向移动，左后减震器位置约束X，Y，Z向移动，右后减震器位置约束X，Z向移动；左右前减震器位置分别施加2 604.6N的力，其约束如图1a）所示。

2）弯曲刚度约束

左前减震器位置约束Y，Z向移动，右前减震器位置约束Z向移动，左后减震器位置约束X，Y，Z向移动，右后减震器位置约束X，Z向移动；载荷：左右门槛梁位置分别施加1 500N的力，其弯扭刚度分析边界条件如图1b）所示。

图1 车身刚度分析约束边界条件Fig.1 Constraint boundary conditions of body stiffness analysis

2.3 白车身有限元模型划分

采用有限元分析软件对白车身（BIW）进行网格划分，经过网格处理，得到了该SUV白车身有限元模型如图2所示，其中节点数（nodes）782 095，2D单元中（Tria3）41 582个，焊接单元5 036个，白车身单元划分信息如表2所示。

图2 白车身有限元模型Fig.2 White body finite element model

表2 白车身单元划分信息表Tab.2 Units classification information table of the white body类型 节点数 焊点单元 三角单元 单元总数BIW 782 095 5 036 41 582 863 568

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