乘用車備胎池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

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摘要：零部件薄壁化現(xiàn)已成為汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的一個(gè)重要的手段，備胎池作為汽車車身地板的主要零部件之一，其材料厚度也逐漸從0.8mm、0.7mm減薄為0.65mm，備胎池厚度的減少給零件的剛度、強(qiáng)度帶來了巨大的挑戰(zhàn)。而本文中提及的車型為緊湊型乘用車，其備胎池底部沒有縱梁和橫梁，其優(yōu)化難度更加苛刻。通過對(duì)被備胎池的白車身自由模態(tài)、整備車身模態(tài)、備胎池強(qiáng)度的三個(gè)方向去進(jìn)行CAE仿真優(yōu)化對(duì)比，確認(rèn)優(yōu)化方向及最終的使用方案。研究的結(jié)果在備胎池底部無(wú)縱橫梁的情況下，對(duì)備胎池筋的布置形式及筋高度具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：薄壁化輕量化備胎池

1前言

節(jié)能環(huán)保是現(xiàn)代汽車工業(yè)重要的主題，也是關(guān)系社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題。大量試驗(yàn)表明，汽車的質(zhì)量與汽車石油消耗量有直接關(guān)系，汽車的質(zhì)量每減輕100kg，百公里油量將減少0.4～1.0L。汽車質(zhì)量每減少10％，燃油消耗可降低6％～8％，同時(shí)車輛廢氣排放量也有明顯的降低[1]。由此表明，汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段和方法之一，也是未來汽車發(fā)展方向的一個(gè)重要主題。目前通用的汽車輕量化有兩大途徑：一是采用輕質(zhì)材料，如鋁合金、高強(qiáng)度鋼材、塑料、碳纖維等新型材料；二是采用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)對(duì)汽車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化[2]?；趥鹘y(tǒng)的鋼車身，零部件薄壁化現(xiàn)已成為汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的一個(gè)重要的手段[3]，備胎池作為汽車車身地板的主要零部件之一，其材料厚度也逐漸從0.8mm、0.7mm挑戰(zhàn)為0.65mm，厚度的減少給零件的剛度、強(qiáng)度帶來了巨大的挑戰(zhàn)。備胎池強(qiáng)度、剛度不足將在使用過程中產(chǎn)生局部模態(tài)失穩(wěn)，甚至?xí)a(chǎn)生異響或者零部件失效。我們?cè)谀吵擞密図?xiàng)目中定義備胎池厚度為0.65mm，實(shí)現(xiàn)了局部零部件減重7.14%～18.75%，備胎池重量為5.582kg。由于該車為緊湊型乘用車，后地板框架中間有一根橫梁，備胎池底部無(wú)縱梁或橫梁進(jìn)行加強(qiáng)，因此此處在設(shè)計(jì)考慮及驗(yàn)證分析具有極大難度及挑戰(zhàn)性。

2備胎池及整車狀態(tài)下的建模分析

涉及汽車備胎池的CAE分析主要從白車身自由模態(tài)、整備車身模態(tài)、備胎池強(qiáng)度三個(gè)方面進(jìn)行分析確認(rèn)。

2.1模型描述

2.1.1有限元模型-白車身。白車身的某乘用車全景天窗模型重量為346.2Kg，包含前風(fēng)擋、左右懸置本體和前副車架。白車身的SHELL單元尺寸為6mm×6mm；白車身的焊點(diǎn)用ACM單元模擬，焊點(diǎn)直徑為6mm；焊縫用RBE2模擬；白車身的粘膠用SOLID單元模擬；總裝件的螺栓連接用RBE2單元連接。按以上要求建立白車身模型。2.1.2白車身材料信息。白車身模型中對(duì)應(yīng)的材料信息，見白車身材料信息表，如表1。2.1.3前后處理器及求解器前、后處理器軟件：Hypermesh、Hyperview求解器：Nastran

2.2備胎池BIW局部模態(tài)

采用1.1中的白車身模型，自由邊界狀態(tài)，模態(tài)頻率：0Hz—100Hz。查看備胎池局部模態(tài)情況，要求備胎池BIW局部模態(tài)≥55Hz。

2.3備胎池TB局部模態(tài)

采用1.1中的白車身模型，并將其他零部件加進(jìn)并形成連接關(guān)系，由此即為整車模型，自由邊界狀態(tài)，模態(tài)頻率：0Hz—100Hz。查看備胎池局部模態(tài)情況，要求備胎池TB局部模態(tài)≥32Hz。

2.4備胎池強(qiáng)度

截取1.1中的半個(gè)白車身模型，見圖1，以B柱后側(cè)為界截取白車身模型，并將備胎放進(jìn)去，分別做三個(gè)工況向上加載工況、向下加載工況、轉(zhuǎn)彎+制動(dòng)加載工況，要求塑性應(yīng)變≤0.2%。

3方案優(yōu)化對(duì)比

相對(duì)于備胎池強(qiáng)度，備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)的關(guān)聯(lián)性和整體性要求更強(qiáng)，因此本項(xiàng)目的優(yōu)化方向，優(yōu)先優(yōu)化備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)，然后基于此優(yōu)化模型再進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證及優(yōu)化。

3.1備胎池局部模態(tài)分析

備胎池的料厚選型為0.65mm，備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)主要是對(duì)備胎池的筋的方向及走向進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，因此優(yōu)選了三個(gè)典型筋布置方案：縱向筋（見圖2）、輪輻貫穿筋（見圖3）、弧形沉臺(tái)斷筋（見圖4）。通過分析，提取對(duì)應(yīng)的結(jié)果，如表2。縱向筋的備胎池TB局部模態(tài)，距離目標(biāo)要求差很遠(yuǎn)，因此該方案首先排除?；⌒纬僚_(tái)斷筋相對(duì)于輪輻貫穿筋的結(jié)果狀態(tài)綜合性能更為優(yōu)異，但是備胎池TB局部模態(tài)仍然不滿足目標(biāo)要求，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2備胎池局部模態(tài)二次優(yōu)化分析

弧形沉臺(tái)斷筋由八個(gè)支撐面改為十個(gè)支撐面，增加筋的密度，如圖5示意。通過分析，備胎池BIW局部模態(tài)為56.9Hz，備胎池TB局部模態(tài)為32.5Hz，滿足要求。結(jié)合以上四個(gè)方案，進(jìn)行對(duì)比備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)。其中縱向筋方案雖然滿足備胎池BIW局部模態(tài)，但是其備胎池TB局部模態(tài)離目標(biāo)要求太遠(yuǎn)，排除此結(jié)果，將其他三方案進(jìn)行對(duì)比，見圖6和圖7。對(duì)比弧形沉臺(tái)斷筋和弧形沉臺(tái)斷筋2的備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)，發(fā)現(xiàn)特定狀態(tài)下，兩種性能是此消彼長(zhǎng)的情況?；⌒纬僚_(tái)斷筋2，從內(nèi)部看呈弧形底、斷筋，但是反過來從底部看，就像病毒發(fā)散狀，整體結(jié)構(gòu)性非常強(qiáng)。

3.3備胎池強(qiáng)度分析及優(yōu)化

將備胎重量約束到安裝點(diǎn)，并且分別做向上加載工況、向下加載工況、轉(zhuǎn)彎+制動(dòng)加載工況，基于弧形沉臺(tái)斷筋2的方案進(jìn)行強(qiáng)度分析，其中向上加載工況最大塑性應(yīng)變?yōu)?.5%，見圖8，不滿足要求，分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3。強(qiáng)度不滿足要求，因此需要再進(jìn)行優(yōu)化，三個(gè)方案將料厚加厚至0.7mm以確認(rèn)料厚的影響、將圓角球化、將筋的高度加高，圓角球化的模型見圖9。重點(diǎn)優(yōu)化向上加載工況，將運(yùn)算后的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分析結(jié)果，分別見圖10、見圖11、見圖12和表4。通過對(duì)比驗(yàn)證后的結(jié)果：加厚材料，可以改善備胎池的在向上加載工況的最大塑性應(yīng)變，其結(jié)果不滿目標(biāo)要求，且不符合輕量化的基本原則；局部球角優(yōu)化沒有明顯的改善效果，甚至結(jié)果變得更差；將筋加高可以明顯改善結(jié)果，并且滿足目標(biāo)要去；因此優(yōu)選加高筋的方案。

3.4最終優(yōu)化方案驗(yàn)算

將加高筋的方案替代到BIW模型和TB模型中，驗(yàn)算提取出備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與無(wú)明顯差異。加高筋的弧形沉臺(tái)斷筋2的備胎池在白車身自由模態(tài)、整備車身模態(tài)、備胎池強(qiáng)度三個(gè)方面均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，因此選取改方案并應(yīng)用在該車型模型中。

4結(jié)論

通過上述分析，總結(jié)基于備胎池底部無(wú)縱橫梁的情況下，備胎池局部模態(tài)和強(qiáng)度的影響如下：1）備胎池縱向筋有利于提升備胎池BIW局部模態(tài)，但是不利于備胎池TB局部模態(tài)；2）提升材料料厚能夠提升局部強(qiáng)度，非必要情況下優(yōu)先進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；3）備胎池輪輻貫穿筋，在某些方面能夠顯著的提升備胎池TB局部模態(tài)。4）備胎池弧形沉臺(tái)斷筋，雖然從內(nèi)部看，斷筋很多為不利機(jī)構(gòu)特征，但是從備胎底部看，其視覺效果呈病毒發(fā)散狀，能夠顯著的提升備胎池TB局部模態(tài)，并且備胎池BIW局部模態(tài)性能也與其他模型相當(dāng)，對(duì)應(yīng)的提升備胎池弧形沉臺(tái)斷筋的高度，能夠提升備胎池的強(qiáng)度。

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作者:周清 申威 薛廣新 李志高 羅培鋒 單位:廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院