楊得敏,方取玉,溫秀海,李程
(奇瑞汽車股份有限公司,安徽 蕪湖 241000)
汽車車身前地板局部剛度設計研究
楊得敏,方取玉,溫秀海,李程
(奇瑞汽車股份有限公司,安徽 蕪湖 241000)
通過某車型設計開發過程中的CAE輔助分析模擬和實車驗證測算,解決了前地板本體局部剛度不足問題,并在剛度提升的基礎上進行了減重和降本,重量和成本下降了約 15%,由此提出了一種前地板筋的排布及截面設計思路。
前地板加強筋;結構設計;剛度
CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-39-03
汽車前地板為承載乘員的主要結構,其主要功能是隔絕振動和噪聲,為乘員提供安全、舒適的乘坐環境。若前地板剛度差,易和激勵源共振,降低乘坐舒適性,且隨著車身輕量化,燃油經濟性的不斷提高,通過優化零部件結構,提升零件剛度,降低零件重量和成本,顯得尤為重要。本文通過理論分析前地板局部剛度的設計原理,并以某車型為例借助CAE分析和實車驗證,對前地板局部剛度進行研究。
某車型試制驗證過程中,前地板總成圖1區域a無踩踏變形缺陷;區域b發生多次焊裝踩踏變形缺陷,初步分析主要原因是區域a附近門檻、縱梁、橫梁起到較好的支撐作用,薄板的面積較小,剛度較好,不易變形。區域b附近雖有中通道、橫梁支撐,但薄板面積較大,導致前地板局部剛度不足。故需要對區域b加強筋結構進行優化提升剛度,規避踩踏變形問題,后文將進行詳細分析研究和實車驗證。
圖1 某車型前地板總成示意
圖2所示為薄板(未加筋)的零件截面,圖3所示為薄板(加筋后)的零件截面。
圖中L為 零件總長度;L1為零件未起筋部位長度;L2為零件起筋部位長度;H為 零件起筋后零件高度;h為 零件起筋后形心高度;t為 零件厚度;為零件起筋后的截面慣性矩;為零件起筋部位的截面慣性矩;為零件未起筋部位的截面慣性矩;
I為零件剛度
圖2 薄板(未加筋)的零件截面示意
圖3 薄板(加筋后)的零件截面示意
根據材料力學可知,整個零件的慣性矩和剛度分別為:
代入參數計算可得:
由上面公式可得出結論:
1)當筋高度(H)增大,零件剛度(i)提升,從而可有效抑制地板本體變形[1]。
2)當筋寬度(L2)變化,零件剛度(i)和 NVH 性能相應發生改變。
分析表明:前地板本體厚度一般在0.6mm-1.0mm之間,其板厚遠小于零件的長和寬,屬于薄板零件,其彎曲剛度較低[2],可通過優化其加強筋的排布形式、截面尺寸(L1,L2,L,H),以提升板件局部剛度(i),規避鈑金局部踩踏變形問題。
圖4 排布方案示意
前地板加強筋按照排布形式劃分:通常有X向筋、Y向筋(相對于車身坐標方向)、交叉筋、圓弧筋、等多種排布形式。針對區域b部位的筋結構優化設計,采用CATIA軟件構建了以下多種排布方案(如圖4),借助nastran分析軟件,對每種排布方案選取同一坐標,同等面積大小的區域,施加一定大小的集中力,分析考察哪種結構方案局部剛度較好。
圖5 不同排布形式局部剛度分析值對比
不同排布形式的局部剛度分析值對比折線圖如圖 5,由折線趨勢可知:區域b排布Y向筋較優,其剛度比其他形式筋大幅度提高。
圖6 分析概念模型示意
因筋的寬度、高度值對鈑金局部剛度有最直接的影響,故需進一步分析研究較為合理的截面尺寸值,即筋寬度、間距、高度等。
鈑金件加強筋的截面有圓形、矩形、梯形、三角形、凸起、下凹等多種形式[2],為了兼顧工藝、感官質量等因素,區域b部位的加強筋截面形式采取的是梯形結構。
優化過程采用了多組截面寬度和間距值進行組合分析,圖6為區域b部位的分析概念模型示意圖。分析方法為借助nastran軟件于P點施加一定大小的集中力F,對組合方案的局部剛度值i進行分析對比,得出哪種截面尺寸組合(寬度,間距)較優。
圖7 不同截面的剛度分析對比圖
選取5組不同截面寬度和間距值進行CAE分析得出的剛度值如圖7。對比分析表明:當區域b筋寬度、間距值設計值選取約為20mm-30mm時,前地板本體局部剛度較優。
進行變量組合設計分析時,需考慮鈑金件加強筋寬度w≈1/2*L(總寬度)時,截面慣性矩最大,剛度最優[3],即筋的間距設計選取約等于筋寬度(W),剛度較優。
還有一影響局部剛度的重要截面尺寸是筋高度(H)值。由第1節剛度(i)與筋高度(H)公式可知:當筋的高度值(H)增大,零件局部剛度(i)增大。但H值過高會產生零件沖壓會開裂缺陷,因此在筋高度設計過程中,需考慮零件的成型性。圖8為設計加強筋后的截面示意圖,L為成型前加強筋區域的材料長度,L’為成型后加強筋的剖面材料長度。為了避免開裂,應滿足:(L’-L)/L<=0.75n。其中,n為材料允許拉伸率[2]。
圖8 加筋后的截面示意
經上續力學理論分析和CAE分析優化,最終得出區域b部位的筋結構示意如圖 9,下節將針對該方案進行了實車驗證。
圖9 優化后方案示意
為驗證分析研究優化的準確性,并確保解決踩踏局部變形問題,針對不同排布形式的方案實車局部剛度進行了驗證,驗證方法為在實車相同位置選取一定面積大小的區域,施加一定大小的面載荷于該區域,測量施力位置的最大位移量,實測位移值如圖10。
圖10 不同排布形式實車驗證測量對比
(圖10)曲線圖表明優化方案測量結果和理論分析優化研究(圖5)相符,優化后的結構方案位移量最小。
為提升產品競爭力,對優化后方案進一步的進行了減薄料厚的實車驗證。驗證方法為人為進行踩踏,驗證測量塑性變形的位移變化量,具體驗證方法為對白車身的區域b部位(圖a)踩踏N次、N+20次、N+40次、N+60次和N+80次,分別記錄踩踏后的變形量。測量結果如圖11。
圖11 優化方案實車驗證位移測量
從多次踩踏驗證可知:減薄料厚的前地板本體經過踩踏試驗后的最大變形量為3.4mm,沒有增大趨勢;實車貼瀝青板之后,乘員踩踏基本無明顯塑性變形,滿足該部位的局部功能和性能要求,且綜合路試和碰撞驗證均滿足相關法規的要求。
參考該車型的設計開發經驗,后新車型前期開發過程中,前地板局部結構剛度設計,可參考以下流程開展。
圖12
本文依據力學基礎知識,結合實際車型設計開發過程中的CAE輔助分析模擬和實車驗證剛度測算,解決了前地板本體局部剛度不足踩踏變形問題,并在剛度提升的基礎上進行了減重和降本,重量和成本下降了約15%。且提出了一種前地板筋的排布及截面尺寸形式設計思路方法,參照此方法,可縮短設計周期,降低成本,進而提升產品競爭力。
[1] 鄧兆祥等.拓撲優化的轎車車身低噪聲設計.
[2] 段昀輝等.車身鈑金件形貌設計優化.
[3] 王承.基于形貌優化的鈑金支架加強筋布置方法研究.
Study on the local stiffness of BIW front floor
Yang Demin, Fang Quyu, Wen Xiuhai, Li Cheng
( Chery automobile co., LTD., Anhui Wuhu 241000 )
Through the CAE aided analysis, simulation and real vehicle verification during the design and development process of a certain type of vehicle was carried out, the problem of the local stiffness of the front floor body is solved, Weight and cost are reduced about 15% on the basis of stiffness enhancement, a train of thought about the arrangement of the floor reinforcement and the design of the section is put forward》.
front floor; Structural design; stiffness
U462.1 文獻標識碼:A 文章編號:1671-7988 (2017)20-39-03
楊得敏(1983-),男,本科,助理工程師,研究方向:車身設計。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.013