Car Based on MSC.Nastran
汪强 李龙 李利 王园
（长安汽车股份汽车公司汽车工程研究总院CAE工程所，重庆 401120）
摘 要:以某乘用车白车身为例，分别对车用结构粘胶及结构泡沫进行有限元建模，并应
用MSC.Nastran分析软件，对该乘用车白车身进行门框变形量分析，考察上述两种车用结构胶对白车身门框变形量的优化效果，需求最佳的优化方案，为后续该类车用结构胶在汽车上的应用提供参考依据。
关键词:MSC.Nastran 结构粘胶 结构泡沫 门框变形量
Abstract: With a passenger car for example，a finite element mode of Adhesive
bonding and Structure foam will be built，and the doorframe diagonals of the passenger car will be analyzed by using MSC.Nastran. The effect of the two methods mentioned above will be considered, and the better method could be selected in order to providing reference for the application of structure agglutinant on automobiles.
Key words: MSC.Nastran，Adhesive bonding，Structure foam，doorframe diagonals
1 概述
随着胶粘技术的发展，车用胶粘在汽车设计中的应用越来越广泛，密封胶、减振胶、阻尼胶、折边胶、结构胶等粘胶都已成为汽车产品中的必要材料。然而，密封胶、减振胶、折边胶等大部分车用粘胶都属于功能性用胶，主要以PVC材料为基材，强度较低，不适合用于结构连接，而以环氧树脂及PU材料为基材的结构胶可效地用于车身结构连接。车用结构胶不但能够提高车身刚度、耐久性能，降低结构应力集中，而且能够进行不同材料的异质连接（镁铝合金等材料在车身上的应用），对汽车轻量化的研究也有着重要的意义，同时结构胶中的结构泡沫可用于填充车体结构空腔，通过迅速提高腔体局部刚强度，从而实现对车体整体性能的提升。
白车身的门框变形量分析是白车身扭转工况下的一个常规分析，白车身的门框变形量过大可能导致异响性能衰减过快等系列问题，因此扭转工况下的白车身门框变形量必须严格控制在一定范围之内。本文以某乘用车的白车身为例，分别对结构粘胶（Adhesive bonding）及结构泡沫（Structure foam）进行有限元建模，并应用MSC.Nastran分析软件对该乘用车白车身进行门框变形量分析。在不改变该车体结构的前提下，借助CAE手段，考察两种不同的车用结构胶对该白车身门框变形量的优化效果，需求对白车身门框变形量最佳的优化方案。
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2 结构胶的应用背景及优势
随着汽车行业的发展，人们对汽车性能要求的不断提高，传统的车身连接技术已经不能够完全满足人们的需求。随着汽车胶连技术的不断成熟，结构胶能够有效地提高车身刚度、耐久性能，降低结构应力集中，同时进行不同材质的有效连接，因此结构胶在车身上的应用越来越广泛。
图1 结构胶在车身上的应用
与传统的焊点连接比较，结构胶有着较明显的优势：
1. 可消除结构应力突变，降低连接处的应力，使载荷均匀分布； 2. 提高结构抗疲劳寿命，具备更高的承载能力； 3. 进行不同材质的连接，提高连接强度等。
3 车身结构胶的有限元模拟
3.1结构粘胶Adhesive bonding的模拟
结构粘胶可用Solid、RBE2及RBE3单元模拟，粘胶实体单元与粘连基板之间的连接用RBE2单元模拟，与被粘连基板之间的连接用RBE3模拟，如下图所示：
图3 结构粘胶模拟
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根据车体结构应变能情况，在车体结构应变能较大的区域作为涂抹结构粘胶的区域（下图绿色区域），确定好连接与被连接板件，合理地控制粘连板件之间的容差及粘胶厚度（约为0.2--0.5mm），即可创建，如下图所示：
图4 结构粘胶的应用
3.2 结构泡沫structuctral foam的模拟
结构泡沫的有限元模型可采用四面体实体单元进行模拟，需注意的是，模拟的结构泡沫网格需与该车体空腔区域共节点，具体步骤如下所示：
图5 结构泡沫模拟
4 结构胶在某乘用车白车身门框变形量优化中的应用
4.1白车身在扭转工况下的门框变形量分析
下图所示为某乘用车带前后风挡的白车身有限元模型，其中节点数704763个，单元数693983个.扭转工况下的门框变形量分析的边界条件如下： 约束左后减震器及右后安装支座安装孔中心点； 左右两侧的前减震器安装孔中心建立关系约束；
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施加某一扭矩作用在左右前减震器安装支座安装孔之间，可等效为图示节点的Z向作
用力。
图6 某乘用车白车身（带前后风挡） 图7 边界条件
将建立好的白车身有限元模型提交给MSC.Nastran分析软件,经CAE分析,可得到该白车身门框变形量的分析结果，如下所示：
图8 门框变形量分析位移云图 图9门框变形量分析应变能云图
表1 白车身门框变形量优化结果
白车身 门框 D C O G H 门框对角间距（mm） 无工况 1307.523 877.658 877.247 1014.211 1140.969 扭转工况 1307.176 878.096 877.637 1014.761 1140.518 0.027 0.05 0.044 0.054 0.04 改变量% 无工况是指白车身水平放置、不施加任何工况时，测量门框对角线距离时的状态。 从分析结果可知，该白车身前、后门框各方向上的变形量均较大，其中前门C方向及后门G方向上的门框变形量甚至高达0.05%以上，远高于合资品牌汽车福特、凯美瑞等车型相应门框位置的变现量，后期该车型出现异响衰减过快等NVH性能问题的风险较大，需进一步开展后续优化工作。
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4.2应用结构粘胶Adhesive粘连技术进行门框变形量优化
基于MSC.Nastran分析输出的白车身扭转工况下的应变能结果，在白车身前后门框、车体前壁板、地板纵梁、备胎地板等结构的应变能较大区域按照上述介绍的结构粘胶建模方法涂抹粘胶，具体位置如下图所示：
图10 结构粘胶优化方案
经CAE分析，经该方案优化后的分析结果如下表所示：
表2 白车身门框变形量优化结果
白车身 门框 D C O G H 变形量% 扭转工况 0.027 0.05 0.044 0.054 0.04 优化方案 0.025 0.046 0.041 0.05 0.035 改变量% -7.49 -7.53 -7.69 -7.64 -11.09 从分析结果可知，经优化的前、后门框各方向上的门框变形量降低均在7.5%左右，仅后门框H方向上的变形量降低略高，为11.09%。考虑该优化方案在车体上涂抹粘胶的区域较广、成本较高，而白车身门框变形量的性能提升并不显著，因此该方案的整体优化效果不理想。
4.3应用结构泡沫structuctral foam技术进行门框变形量优化
根据白车身扭转工况下的应变能情况，在应变能较大的区域填充结构泡沫，如下图所示：
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图11 结构泡沫优化方案
经CAE分析，经该方案优化后的分析结果如下表所示：
表3 白车身门框变形量优化结果 表4 扭转刚度及模态变化
从分析结果可知，经优化的各门框变形量均十分显著的降低，均在30%以上，扭转刚度值的提升幅度高达18.84%,扭转模态也提高了1.76Hz，整体优化效果较理想。
5 结论
本文分别对车用结构粘胶及结构泡沫进行了有效的有限元模拟，并借助MSC.Nastran分析软件，对某乘用车白车身进行门框变形量分析。同时，根据MSC.Nastran输出的白车身门框变形量位移云图及应变能云图，找到了涂抹结构胶的优化位置。在不改变车体结构的前提下，考察了两种结构胶对扭转工况下的白车身门框变形量的优化效果。从分析结果可知，结构粘胶及结构泡沫对降低各门框变形量均有一定作用，其中结构泡沫粘连技术对
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降低车体的门框变形量的效果十分显著，降低量均在30%以上，扭转刚度的提升也高达18.84%，扭转模态提高了1.76Hz，是较理想的优化方案。
6参考文献
[1] MSC.Nastran 基础培训教程，科学出版社，2005
[2]陶氏化学汽车事业部《结构胶在车身上的应用和仿真》2011 [3] 汉高技术客户服务部《汉高空腔内嵌增强件建模方法》2012 [4] 黄金陵等编 《汽车车身设计》机械工业出版社 2007
[5] E.Y.Kuo and P.R.Mehta《The Effects of Body Joints Designs On Liftgate Chunking Performance》SAE N&V Paper 2005
[6] S.Shibuya and H.Yamshita 《Rigidty Analysis of Body Shell with Lift Gate》 IBEC96， Materials &Body Testing，1996
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