白车身强度分析及优化设计

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来源：安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心

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汽车的结构强度主要由车身强度来决定。汽车在行驶过程中，必须要求车身结构能承受各种各样的载荷，不能产生塑性变形，更不能产生裂纹和损坏。

若车身强度不足，将会造成车身零部件产生塑性变形，局部开裂或整体断裂，严重影响汽车的安全性能和使用寿命。

所以车身都必须进行强度计算和校核，使其满足强度要求。

1. 车身强度分析简述 

（1）车身强度分析的目的 

汽车的白车身承载着汽车在包括静止起步、制动、左转、 右转和垂直冲击等各种工况下的整车重力，加速度等，白车身的各个零部件在各种工况下的受力方向及大小也各不相同。

为了保证白车身在正常行驶过程中不发生开裂，变形等严重影响客户体验和产品质量的问题，白车身设计时就必须保证其各个零部件有足够的强度。

车身强度分析的目的便是在设计阶段对白车身各个零部件在各种工况下的受力大小进行考核，考核其是否低于零部件材料本身的强度。

若低于零部件本身的强度，则表示此处 车身强度不足，必须进行加强。若高于零部件本身的强度则 表示此处车身强度合格。

（2）车身强度分析的方法

根据整车静止起步、制动、左转、右转和垂直冲击五种工况，在ADAMS里面计算提取出各工况下前后悬架、前后 减震器连接点的载荷，施加到相应点。

考虑重力场作用，对轮心进行约束，并对于约束惯性释放。据此分析白车身在五种工况下各个零部件的受力大小。

车身强度分析结果判断的准则是：车身最大应力不超过其零件的屈服强度。

2. 基于强度考虑的车身设计方法

强度分析时，在五种工况下，白车身所受的力是从下图1所示的悬架，副车架安装点向周边件传递的。也就是说，悬架，副车架在车身上的安装点受力最大，然后通过焊点向周边的零部件传递。

图1 悬架、副车架在车身上安装点示意图

因此，车身设计时需要注意以下几点： 

①悬架、副车架安装点处，车身需要设计足够的强度，数据设计时需要重点关注。

②悬架、副车架安装点力的传递路径上，焊点间距设 计建议30±5mm，尽量增加焊点数量，以避免单个焊点力的传递过多，造成焊点位置处应力集中。

③悬架、副车架安装点处力的传递路径上，车身结构件设计过渡要顺畅，避免出现剧烈的变化，导致应力集中。

3. 白车身强度优化车型实例

下面以某型汽车的侧围C柱局部位置强度不足问题为例，分析强度问题原因及方案制定的过程。

（1）某型汽车强度分析 

首先根据整车静止起步、制动、左转、右转和垂直冲击 五种工况，在 ADAMS 里面计算提取出各工况下前后悬架、 前后减震器连接点的载荷，施加到白车身模型中相应位置，分析白车身各个零部件在静止起步、制动、左转、右转和垂直冲击五种工况下的最大受力值。

图 2 某型汽车在五种工况下应力云图

（2）某车型C柱区域强度问题描述 

下图4为侧围外板和C柱上拐角加强板在静止起步、制动、左转、右转和垂直冲击五种工况下零件最大应力值示意图。

图4 CAE分析应力大小

依据CAE模拟分析结果，该车型在垂直工况下，在如下图3所示位置处，侧围外板和C柱上拐角加强板，应力值分别为230MPa，178.9MPa。

图3 应力出现在图中圈示位置

C柱上拐角加强板如下图5、图6所示：

图5 应力出现在图中所圈示位置

图5的左图为从车外方向看，右图为从车内方向看。可以看出，侧围外板和C 柱上拐角 加强板应力集中出现的位置是相似的，均出现在卷轴器过孔旁边的位置。

图6：为图5 中断面A-A的示意图

而侧围外板材料设计为DC56D+ZF，材料本身的最低屈服强度为150MPa。C 柱上拐角加强板材料设计为SPCEN，材料本身的屈服强度150MPa。

由此可以得出如下结论： 

①侧围外板在垂直工况下零件所受应力值大于其材料本身的屈服强度，安全系数为0.65，不合格。

①C柱上拐角加强板在垂直工况下零件所受应力值大于其材料本身的屈服强度，安全系数为0.84，不合格。

（3）原因分析及优化方案制定

①原因分析：

如上图5、图6所示，后减震器安装点位于后轮包内板上，在垂直工况下，减震器安装点的力为垂直向上方向，经过轮包内外板，直接传递至C柱内板。而C柱内板上设计有孔径较大的安全带卷轴器过孔，极大的削弱了C柱内板在该位置处的强度。

而且，如断面 A-A 所示，C柱内板仅在上拐 角区域设计有加强板，（即C柱上拐角加强板，材质为SPCD， 料厚为1.5mm），而在卷轴器过孔区域无加强板。导致卷轴 器过孔区域强度很弱。力传递至此时，C柱内板在此区域发生变形，进而导致侧围外板也在此处发生变形。

下图7为沿上图3中箭头方向看，应力集中位置的局部放大图。

图7

门洞造型在应力较大的位置出现弯曲， 在垂直工况下，此处的弯曲也会导致力传递的不顺畅，也对 此区域的结构强度进行了削弱。

悬架、副车架安装点处力的传递路径上，车身结构强度设计在卷轴器安装孔处出现严重减弱，导致此处应力集中。因此，需要对此处进行加强。

②优化方案

如下图8所示，在卷轴器过孔区域增加C柱加强板，上面与C柱上拐角加强板通过点焊进行焊接，下面与轮包内、外板通过点焊进行焊接。

使后悬架安装点的力可以沿着C柱内板向上传递，C柱加强板，C柱上拐角加强板传递，而且中间不存在强度薄弱区域。

图8：为本优化方案在图5中 A-A 处的断面示意图

由此，对此处结构进行加强，减少侧围外板和C柱内板的受力，从而降低应力。

（4）CAE分析验证 

如下图9所示， 在垂直工况下，侧围外板应力为 149.93MPa，C柱上拐角加强板应力为143.74MPa。此两个件的应力均小于材料的屈服强度，满足设计要求。

图9

END