筋條在車身零件中的應(yīng)用研究

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(xiàng)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(diǎn)介紹筋條的設(shè)計(jì)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(jìn)行仿真分析，分析筋條對強(qiáng)度、剛度、碰撞等汽車產(chǎn)品各項(xiàng)性能的影響，以確定筋條滿足整車各項(xiàng)性能的要求。

【關(guān)鍵詞】筋條；靜剛度；強(qiáng)度；模態(tài)

【中圖分類號】U463.82 【文獻(xiàn)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(xiàng)性能。因此，對車身零件的每個(gè)細(xì)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(qiáng)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(jì)不同的筋條，做相應(yīng)的對比及結(jié)合仿真分析后進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，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(jì)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(qiáng)度三大性能區(qū)域。同時(shí)，對車身內(nèi)部零件進(jìn)行細(xì)分，對各區(qū)域進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)，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(jì)方向。

1.1 碰撞區(qū)域筋條設(shè)計(jì)

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(shí)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(hù)，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(qiáng)度區(qū)域筋條設(shè)計(jì)

所謂強(qiáng)度是指結(jié)構(gòu)在零件正常工作時(shí)所能承受的載荷，通常以工作應(yīng)力的峰值表示強(qiáng)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(diǎn)的受力情況，并結(jié)合安裝方式，參考車型設(shè)計(jì)筋條；再者，結(jié)合CAE仿真效果，針對不足區(qū)域進(jìn)行改進(jìn)，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(jì)

所謂剛度就是結(jié)構(gòu)在正常工作時(shí)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(shí)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(shí)分為動剛度、靜剛度。在受力反方向增加加強(qiáng)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(jī)布置，在前大梁最前端布置筋條尤為關(guān)鍵，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)是剛性體，所以在碰撞過程中不變形，同時(shí)有可能侵入防火墻，從而進(jìn)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(jì)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(gè)最大加速度及反彈時(shí)刻，并消化碰撞過程中60%的能量。在與發(fā)動機(jī)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(shí)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(gè)方向，即上下前后方向，按目前設(shè)計(jì)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(jìn)行前縱梁設(shè)計(jì)，合理布置筋條，從特征、數(shù)量、大小等方面對比多個(gè)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(shí)結(jié)合實(shí)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(qiáng)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(qiáng)度和能支承底盤功能運(yùn)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(diǎn)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度來進(jìn)行分析。

首先通過分析得出與車身作用點(diǎn)上承載力的大小，在A12車型中采用的是單點(diǎn)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(yùn)用這些分析作為仿真參數(shù)，為后續(xù)計(jì)算提供驗(yàn)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(yùn)用Abaqus處理模型，并加載單邊上跳相應(yīng)的載荷，約束6個(gè)自由度在靜態(tài)狀態(tài)下，使用Hyerworks計(jì)算。

在實(shí)車驗(yàn)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(shí)車驗(yàn)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(qiáng)。

預(yù)防筋條處開裂。設(shè)計(jì)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(shí)際測量零件厚度為1.48 mm（設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，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(jì)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(gè)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(shí)增加X向?qū)挾?，并設(shè)計(jì)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(yàn)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(jì)算，直至前減振上定位板結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)仿真計(jì)算、實(shí)車驗(yàn)證，解決了不同階段的不同問題，設(shè)計(jì)出前減振上定位板最優(yōu)結(jié)構(gòu)。實(shí)車驗(yàn)證表面，筋條設(shè)置合理，完成耐久試驗(yàn)后，零件完好，筋條處未出現(xiàn)開裂。改進(jìn)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(shí)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(diǎn)開裂或者降低支架開裂的風(fēng)險(xiǎn)。針對A車存在的問題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)共3點(diǎn)布置成一條線，受力恰好為豎直方向，對抵抗左右轉(zhuǎn)彎時(shí)出現(xiàn)的受力很不利。B車型經(jīng)改進(jìn)后，焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)五點(diǎn)焊接，布置有前后方向和左右方向焊點(diǎn)，且受力面積增加1倍。

（4）在原支架的基礎(chǔ)上做細(xì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度方面同樣有一定貢獻(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)也各不相同。

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[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(jì)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(jì)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(jì)工作。