本文针对某轻卡白车身前地板应力过大、出现开裂的现象，建立白车身和翻转机构的有限元模型，通过对翻转机构的结构进行优化，确定两个方案，用有限元分析的方法，对不同方案下白车身强度进行计算和研究，分析结构可行性，从而指导车辆的改进后后续车型的研发。

目前我国的载货汽车驾驶室已经平头化，为了便于发动机的维修保养，要求驾驶室能够向前翻转，即白车身通过翻转支承结构与车架相连接，该翻转机构在起支承驾驶室作用的同时，还具有减振作用，以保证驾驶室具有良好的平顺性。

本文针对道路试验中，轻卡驾驶室前地板出现开裂现象，对其白车身进行强度CAE分析，得到白车身在3.5g垂直工况、1g制动工况和1g转弯工况下的最大应力值，并对翻转支承结构进行优化设计，对比优化前后的车身应力值大小，同时评价其改进可行性，从而得出车身应力分布最优状态，并指导后续车型白车身和翻转支承结构的匹配设计。

翻转机构结构特点及工作原理

轻型载货汽车驾驶室前翻转结构形式如图1所示，主要由左、右支架总成，驾驶室前支承轴管总成，扭杆和扭杆臂等组成。其特点是驾驶室前支承轴管中心、翻转中心与扭杆中心重合，驾驶室前支承轴管中心即为翻转中心，使驾驶室前翻转机构具有支承、减振和翻转功能三位一体的效果。

其工作原理如下：图1中，扭杆一端插入驾驶室左支承轴管内花键中，另一端由扭杆臂固定在前右支架上，驾驶室前支承臂与驾驶室左右地板纵梁骨架连接。驾驶室为锁止状态时，该结构使扭杆的扭转角为最大，此时扭杆的转矩最大，即驾驶室的重力矩最大；当锁止解除后,扭杆的转矩作用于驾驶室前支承，克服驾驶室重力矩，并施加较小的向上推力可使驾驶室实现翻转。当驾驶室翻转到最大角位置时，扭杆的能量基本释放，驾驶室的翻转速度逐渐衰减，轻轻上推驾驶室，依靠驾驶室支承杆将驾驶室锁在最大翻转角的位置。当放下驾驶室时，驾驶室利用自身的重力下落，其重力矩逐渐增大，驾驶室前支承对扭杆作用使其扭转角增大，则扭转阻力力矩也增大，克服重力矩，使驾驶室的回落速度逐渐减小，略施加外力，向下拉动驾驶室即可使其锁住。

有限元模型建立

商用车轻卡驾驶室为非承载式车身，驾驶室通过翻转锁止机构与车架相连接，白车身结构由冲压件冷轧钢板通过点焊的方式联接。

1.白车身有限元模型建立

本文对某轻卡白车身进行分析简化，在HYPERMESH中采用4节点或3节点壳单元Shell63对白车身钣金件进行有限元网格划分，其中三角形网格的数目占总网格数目的比例应低于10%，理想的网格取边长为20mm的四边形。对于螺栓联结，利用Rigids单元模拟刚性连接，而对于焊点，运用Spotweld面板在模型焊接部位的两个相对的单元之间创建沿法向排列的单元，形成焊接单元。

综上所述，建立的驾驶室有限元模型如图2所示。模型中Shell63单元为92487个，其中三角形7450个，四边形85037个，三角形数目占总数目的8.06%；焊接单元2132个。涂胶材料选用Glue，钣金件采用弹性材料Steel，材料属性如表1所示，白车身质量为210kg。

2.模型约束

除有限元模型之外，为了正确施加约束，以及更好地模拟实际情况，在驾驶室前部建立一个扭杆以模拟实际翻转机构。驾驶室的后端采用全约束，即约束其3个方向上的位移以及绕3轴的转动自由度。具体的约束以及模拟的翻转机构如图3、图4所示。驾驶室前部约束在扭杆上，约束扭杆两端的x、y、z 3个方向的位移，释放其绕3轴的扭转自由度。而扭杆驾驶室的连接则采用Rigids刚性单元并与驾驶室地板的纵梁连接。

3.驾驶室翻转状态下载荷

（1）驾驶室自身的质量 加载时要考虑驾驶室自身的重力，因此需要设置相应的质量信息。

（2）转矩的加载 实际翻转机构在驾驶室处于落下的情况时，对驾驶室纵梁有很大转矩。根据试验测试数据及相关计算得出，驾驶室右端施加550N.m力矩，左端施加3000N.m力矩，力臂取0.29m，两个力矩方向相反；为了模拟实际驾驶室纵梁的受力情况，在加载时采取线性分布加载，如图5所示，将力臂等分为8段，即L＝290mm/8＝36.25mm。而力F1～F8分别为施加在等分点上的集中力，且满足线性关系，O点为扭杆的中心。

翻转结构的优化方案

基于前期的建模与分析，与翻转前支承臂相连接区域的地板钣金应力较集中，在道路试验中地板前横梁出现开裂现象。经分析需要加强前支承臂作用力矩周边钣金的局部刚度，则应通过加强结构把力分散，均匀地传给地板，避免因应力集中而引起地板变形及开裂。具体可通过以下方式来实现：在驾驶室落下后，卸除或降低预转矩；设计新型翻转装置，使左右支承臂均匀受力，改善地板局部受力条件；加长前支承臂，降低力的峰值（力矩不变）；对前横梁等主要部件选用高强度材料并适当调整厚度。

经过对比分析，制定两个优化方案：

方案一为加长翻转前支承的力臂，即分别计算1.3倍、1.5倍和2倍原力臂长度尺寸情况下，驾驶室底板主要部件的应力情况，以及驾驶室左右两侧在对称载荷作用下主要部件的应力情况。

方案二保持原力臂长度不变，使左、右两侧力矩相等。原结构中，由于左、右支承臂力矩不等，使底板处于不利受力状况。通过左、右支承臂给底板预先施加一个力矩，预加的力矩方向与原支承臂处于水平位置时所产生的力矩方向相反，从而平衡原结构所受的力矩，使左、右支承臂力矩相等。将左、右两支承臂错开一定角度（经计算错开理论角度为5.4°，考虑力矩损耗，实际角度可以取为5.5°）。将前支承臂轴管连同前支承臂先安装到驾驶室底板上，给驾驶室底板施加一预载荷，此预载荷与翻转机构的重力矩相互叠加，使作用在驾驶室底板上的左、右力矩相等。

结果分析

1.驾驶室底板主要部件应力分析

在HYPERWORKS中查看应力云图，驾驶室地板几个主要件应力如图6、图7、图8和图9所示，分别为前地板加强板、前地板、纵梁支承板和前横梁，即道路可靠性试验中出现开裂的部件，并提取各工况下的应力最大值（见表2）。

从表2中可以看出，驾驶室在静态时，由于单扭杆翻转装置对整个驾驶室地板前部的转矩作用，使得地板部件的应力过大，且应力施加较集中；当车辆处于行驶状态时，驾驶室地板受到的应力就是上述应力以及动应力的叠加，最终导致接近材料强度极限，使得结构部件出现开裂并进一步造成裂纹扩展；方案一中，随着前支承力臂的加长，前地板、纵梁支承板和前横梁的最大应力值都有明显下降趋势，前地板加强板的应力略上升，变动幅度较小；方案二为左、右前支承臂错开一定角度，通过左、右支承臂给底板预先施加一个力矩，分析得出该状态下车体钣金件应力值都有较大程度的减小。

2.结构可行性分析

我们通过对CAE结果的分析，结合车身本体结构，以及翻转支承结构可行性，加长翻转机构前支承臂，需要对车体纵梁结构和地板结构进行变更，由于总布置空间问题，存在较大困难，且方案一的分析结果显示车体钣金部分件最大应力值下降趋势不明显；而方案二中，通过降低扭杆机构施加在地板上的预应力，可以很明显地减小车体钣金件的最大应力值。在结构上，仅通过变更翻转机构的夹具即可实现，变动成本最小，变更效果最明显。

结语

本文建立了轻卡白车身和翻转机构的有限元模型，对其进行应力分析，并结合道路试验和CAE分析的结果进行对比研究。驾驶室结构强度分析表明，在翻转力矩作用下在车身底板相关部件上会产生较大的应力，而这是现有驾驶室翻转装置作用下不可避免的，针对此问题，建立优化方案，在CAE分析结果中进行模拟验证，最终根据实际情况制定可行的方案，通过变更翻转支承左右前支承臂的角度可以有效地改善前地板区域的应力状态，有效地解决了地板应力过大的问题，并为后续车型的开发提供了参考和借鉴。