曾蔚 楊回 司超群

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車行業(yè)的市場競爭日益激烈，用戶對汽車的各項性能要求也越來越高。因此，汽車生產(chǎn)企業(yè)要不斷滿足客戶各方面要求，不斷提升產(chǎn)品性能。文章主要抓住筋條對產(chǎn)品特性的影響，重點介紹筋條的設(shè)計思路及其應(yīng)用，以零件筋條的布置、大小、位置、形狀為研究對象，對其進行仿真分析，分析筋條對強度、剛度、碰撞等汽車產(chǎn)品各項性能的影響，以確定筋條滿足整車各項性能的要求。

【關(guān)鍵詞】筋條；靜剛度；強度；模態(tài)

【中圖分類號】U463.82 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）05-0110-04

0 引言

目前，汽車行業(yè)競爭日趨激烈，為提高產(chǎn)品競爭能力，必須不斷提高產(chǎn)品的各項性能。因此，對車身零件的每個細節(jié)，汽車生產(chǎn)企業(yè)都應(yīng)非常透徹地研究，其中就包括筋條特征。不同的筋條作用各不相同，零件上筋條的合理布置能大大提高零件的剛度、強度，但布置不合理也有可能削弱零件剛度，甚至影響整車的剛度等性能。本文結(jié)合各零件所要求的性能設(shè)計不同的筋條，做相應(yīng)的對比及結(jié)合仿真分析后進行相應(yīng)的改進，從而滿足各零件的性能要求和整車性能要求。

1 筋條設(shè)計思路

根據(jù)車身在整車性能要求不同，主要分為安全碰撞、剛度、強度三大性能區(qū)域。同時，對車身內(nèi)部零件進行細分，對各區(qū)域進行不同的設(shè)計，零件不同，對筋條的布置也不相同。以下就是分區(qū)域?qū)α慵某醪皆O(shè)計方向。

1.1 碰撞區(qū)域筋條設(shè)計

碰撞區(qū)域主要分成吸能變形、抵抗變形區(qū)域。在筋條吸能區(qū)域設(shè)置誘導(dǎo)變形的筋條，在高低速碰撞中實現(xiàn)充分變形，吸收能量。碰撞吸能區(qū)主要在左、右前縱梁及前防撞梁吸能盒區(qū)域（如圖1所示）。碰撞過程中車身的傳力路徑如下：首先是對防撞梁的撞擊，然后對前縱梁有壓縮變形，充分吸收能量，區(qū)域吸收能量約占總能量的60%[1]。碰撞區(qū)域的剛性區(qū)域主要為駕駛室區(qū)域，該區(qū)域主要為駕駛員及乘客提供保護，以免讓他們受到傷害。例如，對應(yīng)三踏的前縱梁處，前縱梁區(qū)域必須有足夠的剛性，抵抗變形，以保證駕駛員及乘客的安全。

1.2 強度區(qū)域筋條設(shè)計

所謂強度是指結(jié)構(gòu)在零件正常工作時所能承受的載荷，通常以工作應(yīng)力的峰值表示強度水平，它代表整車耐用性、結(jié)構(gòu)可靠性。筋條主要分散應(yīng)力集中，將受力面積增大，使受力均布。車身主要為動力底盤等提供支撐及安裝功能，安裝功能必須安全可靠，經(jīng)久耐用。以TOPmount安裝支座的筋條布置為例，首先得出安裝點的受力情況，并結(jié)合安裝方式，參考車型設(shè)計筋條；再者，結(jié)合CAE仿真效果，針對不足區(qū)域進行改進，合理布置筋條，包括筋條的數(shù)量、位置、大小、形狀。

1.3 剛度區(qū)域筋條設(shè)計

所謂剛度就是結(jié)構(gòu)在正常工作時的許可應(yīng)變，用剛度表示結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，剛度是結(jié)構(gòu)在發(fā)生單位變形時所需要的作用力。一般剛度分為扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度，同時分為動剛度、靜剛度。在受力反方向增加加強筋條，可提高剛度，公式如下：

JEFF= （1）

公式（1）中，S線長增大，剛度明顯增大，而厚度t不變，因此僅改變S，剛度也是明顯增大的。

2 筋條在車身零件中的應(yīng)用

2.1 安全方面的應(yīng)用及推廣

在碰撞中，區(qū)分吸能變形區(qū)與剛性區(qū)域。確定前大梁前端筋條布置：針對前置發(fā)動機布置，在前大梁最前端布置筋條尤為關(guān)鍵，因為發(fā)動機是剛性體，所以在碰撞過程中不變形，同時有可能侵入防火墻，從而進入駕駛艙傷害乘員。因此，要合理地布置前縱梁內(nèi)外板筋條，如圖1所示。

前端位置吸能段L1，設(shè)計碰撞過程中首先誘導(dǎo)變形；筋條尺寸W/H確定，筋條數(shù)量N確定，能量在固定長度下起到吸能量控制作用，以控制第一個最大加速度及反彈時刻，并消化碰撞過程中60%的能量。在與發(fā)動機并行的區(qū)域設(shè)置剛性區(qū)域，主要改變筋條方向的抑制變形，實質(zhì)為增加線長，從而增加截面積，提高剛性。

大梁變形規(guī)則，加速度曲線比較理想，吸能長度約400 mm，方向盤跳動量主要分2個方向，即上下前后方向，按目前設(shè)計其跳動量較小均值控制，如圖2所示，大梁筋條重新優(yōu)化后的仿真效果，變形模式規(guī)則。

首先從整車正面碰撞指標(biāo)分解車架，然后再進行前縱梁設(shè)計，合理布置筋條，從特征、數(shù)量、大小等方面對比多個方案，得出最優(yōu)方案。不僅從仿真效果可以得出筋條的影響，同時結(jié)合實際碰撞過程中大梁的變形模式（如圖3所示），也可以再優(yōu)化筋條，得出最佳方案。

2.2 強度方面的應(yīng)用及推廣

針對車身零件，主要考慮底盤及動力相關(guān)功能的安裝件強度和能支承底盤功能運動件并提供安裝。因此，本小節(jié)主要結(jié)合筋條優(yōu)化在前減震安裝點設(shè)計及強度來進行分析。

首先通過分析得出與車身作用點上承載力的大小，在A12車型中采用的是單點柱狀麥弗遜前懸掛，主要先通過MOUNT與前減振上定位弧面接觸，然后運用這些分析作為仿真參數(shù)，為后續(xù)計算提供驗證依據(jù)。

建立仿真分析模型，從整車模型中截取前懸部分，其中包含車身前圍板、左右側(cè)板、前輪罩焊合件。運用Abaqus處理模型，并加載單邊上跳相應(yīng)的載荷，約束6個自由度在靜態(tài)狀態(tài)下，使用Hyerworks計算。

在實車驗證中，不同階段會出現(xiàn)不同的問題，故障模式均為開裂，隨著大量實車驗證問題的出現(xiàn)，且筋條開裂更加嚴(yán)重，影響整車正常行駛，本課題主要在以下方面予以加強。

預(yù)防筋條處開裂。設(shè)計過程分析結(jié)果表明，筋條處存在應(yīng)力集中的情況。

首先，從沖壓制造分析，避免沖壓減薄嚴(yán)重，減薄率控制在20%以內(nèi)。其中，包含實際測量零件厚度為1.48 mm（設(shè)計厚度為1.6 mm）及采用AUTOFORM分析，零件開裂區(qū)域減薄7%，成型性較好，理論與實際減薄率都得到很好控制。對比分析得出可以避免制造問題的結(jié)論。同時，在配合型面上增加筋條，起到吸料、消除起皺的作用；成型減薄率分析見表1。

其次，特征過渡平順。確定筋條設(shè)計過渡不順，更改筋條與平面間的過渡搭接，有效分散傳遞，初定以下2個方案：方案一，更改筋條Y向長度，緩慢過渡；方案二，更改筋條Y向長度，同時增加X向?qū)挾龋⒃O(shè)計成傘狀筋條。

最后，經(jīng)過分析得出結(jié)論，方案二明顯優(yōu)于方案一，應(yīng)力下降50 MPa，改善效果明顯，經(jīng)整車結(jié)構(gòu)耐久路試驗證，筋條處完好（如圖4所示）。

從案例分析到仿真再到加載載荷計算，直至前減振上定位板結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)仿真計算、實車驗證，解決了不同階段的不同問題，設(shè)計出前減振上定位板最優(yōu)結(jié)構(gòu)。實車驗證表面，筋條設(shè)置合理，完成耐久試驗后，零件完好，筋條處未出現(xiàn)開裂。改進零件筋條結(jié)構(gòu)對零件受力改善明顯。

2.3 剛度方面的應(yīng)用及推廣

以A車架中冷卻液壺安裝支架為例，在B車型中優(yōu)化冷卻液壺支架，同時提出更改水壺外形結(jié)構(gòu)的建設(shè)，以提高支架的模態(tài)、減少振動、減少焊點開裂或者降低支架開裂的風(fēng)險。針對A車存在的問題進行改進設(shè)計，設(shè)計思路如下。

（1）收集裝配關(guān)系信息：更改壺的外形結(jié)構(gòu)以及調(diào)整裝配關(guān)系，由插槽結(jié)構(gòu)更換為插槽初定位，同時連接2顆螺栓。

（2）盡可能地安裝懸臂短：改變壺體與支架裝配相對位置，減小轉(zhuǎn)矩。

（3）確定受力面積：增加受力面積，更改支架結(jié)構(gòu)，使支架基礎(chǔ)面大于水壺與支架受力面。A車型支架與輪罩焊接，焊點共3點布置成一條線，受力恰好為豎直方向，對抵抗左右轉(zhuǎn)彎時出現(xiàn)的受力很不利。B車型經(jīng)改進后，焊點實現(xiàn)五點焊接，布置有前后方向和左右方向焊點，且受力面積增加1倍。

（4）在原支架的基礎(chǔ)上做細節(jié)優(yōu)化，改變筋條數(shù)量，如圖5所示規(guī)格。增加筋條數(shù)量，將筋條高度從5 mm調(diào)整到10 mm。

支架與水壺連接結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，調(diào)整筋條結(jié)構(gòu)，增加筋條數(shù)量，不僅提高了模態(tài)，而且提高了強度，保證支架可靠耐用。支架高應(yīng)力下降48%，模態(tài)從46 Hz提升到48 Hz。

3 結(jié)論

本文以白車身各結(jié)構(gòu)件為研究對象，以筋條為主導(dǎo)，研究其對碰撞性能、強度、剛度模態(tài)的影響，得到如下結(jié)論。

（1）筋條在碰撞吸能因數(shù)、筋條的設(shè)置、數(shù)量、長度、方向等，對碰撞的影響各不相同。

（2）筋條在強度方面同樣有一定貢獻，能分散應(yīng)力，增加受力面積。

（3）筋條數(shù)量特征對剛度、模態(tài)均有影響，貢獻量較大。

總之，在零件上要合理設(shè)置筋條，其中包括數(shù)量、方向、大小、位置等，筋條設(shè)置不同，其貢獻也各不相同。

參 考 文 獻

[1]MAGOSHI Y，F(xiàn)UJ ISAWA H.SUGIURA T1 Simu-lation Technology Applied to Vehicle Development[J].Auto Vehicle Technique，2003，57（3）.

[2]張國勝，孟凡亮，張?zhí)靷b，等.轎車白車身數(shù)字化建模與剛度分析[J].東北大學(xué)學(xué)報，2008，28（S2）.

[3]談?wù)\，梁其續(xù).汽車車身涂裝一體化項目教程[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

[4]屈浩，王曉華，章桐.框架式車身模態(tài)分析與優(yōu)化[J].公路交通科技，2010（27）.

[5]陳昌明，肖強.白車身模態(tài)靈敏度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].山東交通學(xué)院學(xué)報，2009（）.

[6]孟凡亮.轎車車身靜動態(tài)特性及設(shè)計靈敏度分析[D].沈陽：東北大學(xué)，2007.

[7]楊越凱.轎車車身有限元建模及靜動態(tài)特性分析[D].沈陽：東北大學(xué)，2006.

[8]陳軍.MSC_ADAMS技術(shù)與工程分析實例[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[9]王鈺棟.HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]

【作者簡介】曾蔚，男，江西尋烏人，工程碩士，上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心工程師，從事車體設(shè)計工作；楊回，男，廣西梧州人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心工程師，從事車體設(shè)計工作；司超群，男，河南南陽人，本科，上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心工程師，從事車體設(shè)計工作。