乘用車備胎池的結構設計探究

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摘要：零部件薄壁化現(xiàn)已成為汽車行業(yè)實現(xiàn)輕量化的一個重要的手段，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。通過對被備胎池的白車身自由模態(tài)、整備車身模態(tài)、備胎池強度的三個方向去進行CAE仿真優(yōu)化對比，確認優(yōu)化方向及最終的使用方案。研究的結果在備胎池底部無縱橫梁的情況下，對備胎池筋的布置形式及筋高度具有重要的指導意義。

關鍵詞：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，也是關系社會可持續(xù)發(fā)展的重大問題。大量試驗表明，汽車的質(zhì)量與汽車石油消耗量有直接關系，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、高強度鋼材、塑料、碳纖維等新型材料；二是采用計算機輔助工程（CAE）技術對汽車的結構進行優(yōu)化設計，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化[2]。基于傳統(tǒng)的鋼車身，零部件薄壁化現(xiàn)已成為汽車行業(yè)實現(xiàn)輕量化的一個重要的手段[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、強度帶來了巨大的挑戰(zhàn)。備胎池強度、剛度不足將在使用過程中產(chǎn)生局部模態(tài)失穩(wěn)，甚至會產(chǎn)生異響或者零部件失效。我們在某乘用車項目中定義備胎池厚度為0.65mm，實現(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，備胎池底部無縱梁或橫梁進行加強，因此此處在設計考慮及驗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)、備胎池強度三個方面進行分析確認。

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；白車身的焊點用ACM單元模擬，焊點直徑為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。白車身模型中對應的材料信息，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并形成連接關系，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備胎池強度

截取1.1中的半個白車身模型，見圖1，以B柱后側為界截取白車身模型，并將備胎放進去，分別做三個工況向上加載工況、向下加載工況、轉彎+制動加載工況，要求塑性應變≤0.2%。

3方案優(yōu)化對比

相對于備胎池強度，備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)的關聯(lián)性和整體性要求更強，因此本項目的優(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)化模型再進行強度驗證及優(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)主要是對備胎池的筋的方向及走向進行對比優(yōu)化，因此優(yōu)選了三個典型筋布置方案：縱向筋（見圖2）、輪輻貫穿筋（見圖3）、弧形沉臺斷筋（見圖4）。通過分析，提取對應的結果，如表2。縱向筋的備胎池TB局部模態(tài)，距離目標要求差很遠，因此該方案首先排除?；⌒纬僚_斷筋相對于輪輻貫穿筋的結果狀態(tài)綜合性能更為優(yōu)異，但是備胎池TB局部模態(tài)仍然不滿足目標要求，需要在此基礎上進行進一步優(yōu)化。

3.2備胎池局部模態(tài)二次優(yōu)化分析

弧形沉臺斷筋由八個支撐面改為十個支撐面，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。結合以上四個方案，進行對比備胎池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)離目標要求太遠，排除此結果，將其他三方案進行對比，見圖6和圖7。對比弧形沉臺斷筋和弧形沉臺斷筋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的情況。弧形沉臺斷筋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，整體結構性非常強。

3.3備胎池強度分析及優(yōu)化

將備胎重量約束到安裝點，并且分別做向上加載工況、向下加載工況、轉彎+制動加載工況，基于弧形沉臺斷筋2的方案進行強度分析，其中向上加載工況最大塑性應變?yōu)?.5%，見圖8，不滿足要求，分析結果統(tǒng)計如表3。強度不滿足要求，因此需要再進行優(yōu)化，三個方案將料厚加厚至0.7mm以確認料厚的影響、將圓角球化、將筋的高度加高，圓角球化的模型見圖9。重點優(yōu)化向上加載工況，將運算后的結果進行統(tǒng)計，并分析結果，分別見圖10、見圖11、見圖12和表4。通過對比驗證后的結果：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變，其結果不滿目標要求，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，甚至結果變得更差；將筋加高可以明顯改善結果，并且滿足目標要去；因此優(yōu)選加高筋的方案。

3.4最終優(yōu)化方案驗算

將加高筋的方案替代到BIW模型和TB模型中，驗算提取出備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)，發(fā)現(xiàn)結果與無明顯差異。加高筋的弧形沉臺斷筋2的備胎池在白車身自由模態(tài)、整備車身模態(tài)、備胎池強度三個方面均滿足設計目標要求，因此選取改方案并應用在該車型模型中。

4結論

通過上述分析，總結基于備胎池底部無縱橫梁的情況下，備胎池局部模態(tài)和強度的影響如下：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度，非必要情況下優(yōu)先進行結構優(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）備胎池弧形沉臺斷筋，雖然從內(nèi)部看，斷筋很多為不利機構特征，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，對應的提升備胎池弧形沉臺斷筋的高度，能夠提升備胎池的強度。

參考文獻：

[1]尹輝俊，汪洋，劉赟，等．某乘用車備胎倉輕量化設計研究[J]．機械設計，2018（5）：1001-2354．

[2]盧進海，葉南海，翟銀秀，等．某車架的可靠性分析及輕量化研究[J]．機械科學與技術，2013（11）：1574-1578．

[3]湯湧，趙廣，麻桂艷，等．某車型備胎盆屈曲問題研究[J]．汽車仿真與測試，2018（5）：1671-7988．

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