乘用車迎賓踏步承載結(jié)構(gòu)校核分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

衛(wèi) 剛

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601 ）

乘用車迎賓踏步承載結(jié)構(gòu)校核分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

衛(wèi) 剛

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601 ）

文章首先闡述了乘用車迎賓踏步的概念、特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，介紹乘用車迎賓踏步的主要功用、組成結(jié)構(gòu)和制造工藝、以及常見(jiàn)分類，根據(jù)分類型式描述不同類型的迎賓踏步結(jié)構(gòu)型式，并詳細(xì)說(shuō)明承載式迎賓踏步各部分組成和功能。其后重點(diǎn)闡述承載式迎賓踏步承載結(jié)構(gòu)校核分析方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和仿真分析應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)流程中。

乘用車迎賓踏步；概念；功能；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；仿真分析

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-65-03

前言

登車踏步在眾多車型中是重要的組成部分，尤其在車身底盤較高的車型中是乘員上下車輛不可或缺的輔助部件，并且具有相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格限制和要求。本文所述登車踏步應(yīng)用于乘用車及皮卡車型。此類登車踏步在滿足法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)更加注重外觀的美化及使用舒適性，突出體現(xiàn)“迎賓”的意義，可提升車輛品質(zhì)感、豪華感。為與其他類型登車踏步進(jìn)行區(qū)分，本文所述踏步僅限為乘用車迎賓踏步。

1、乘用車迎賓踏步簡(jiǎn)介

1.1 乘用車迎賓踏步的功用

本文所述乘用車迎賓踏步是專指適用于M1類和N1類乘用車及皮卡車型，裝配于車身兩側(cè)，其主要功能包括提供登車踩踏、助力的承載裝置，幫助駕乘人員方便上下車輛，以及裝飾美化整車造型，提升車輛品質(zhì)感和豪華感。

1.2 乘用車迎賓踏步的組成和制造工藝

迎賓踏步一般由承載結(jié)構(gòu)、裝飾部件、防滑結(jié)構(gòu)、排泄結(jié)構(gòu)組成，由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式的差異，組成部件結(jié)構(gòu)并非嚴(yán)格區(qū)分。

乘用車迎賓踏步涉及的制造工藝較為廣泛，需要應(yīng)用多種制造工藝生產(chǎn)其組成部件。生產(chǎn)迎賓踏步組成部件常見(jiàn)的制造工藝有沖壓成型、擠出成型、注塑成型、模壓成型等。

1.3 乘用車迎賓踏步的一般分類

本文所述迎賓踏步按其使用功能可分為兩大類：

1）承載式：承載式迎賓踏步可供駕乘人員踩踏、助力上下車輛，此類踏步具有典型的承載結(jié)構(gòu)、必備的防滑結(jié)構(gòu)和排泄結(jié)構(gòu)，以及合理的人機(jī)工程設(shè)定。該類踏步必須滿足相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)要求，其登車踩踏面高度、面積以及承載性等都有嚴(yán)格規(guī)定。

2）非承載式：僅起裝飾美化功能，不可踩踏。此類踏步并無(wú)承載式踏步相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此該類踏步可以容易實(shí)現(xiàn)型式多樣化，只適用于登車高度較低的車輛用于裝飾美觀。

2、乘用車迎賓踏步常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)型式

2.1 承載式迎賓踏步

承載式迎賓踏步具有典型的承載結(jié)構(gòu)，其承載性能至少滿足兩名正常成年人同時(shí)由前車門和后車門踩踏登車或下車，且提供的踩踏面積和登車高度在滿足法規(guī)要求的同時(shí)應(yīng)方便、舒適。承載式迎賓踏步的承載結(jié)構(gòu)具有較高強(qiáng)度、剛度，較好的耐久性和耐腐蝕性，多為鋁合金制品、鋼材制品以及其他合金類制品構(gòu)成。根據(jù)迎賓踏步承載組成部件制造材料的不同，可大致分為四類：1） 鋁合金制承載結(jié)構(gòu)，2）鋼材制承載結(jié)構(gòu)，3）鋁合金、鋼材組合使用承載結(jié)構(gòu)，4）其他材料制承載骨架類，如應(yīng)用高科技材料。

裝飾類部件滿足造型設(shè)計(jì)要求，突出美觀和視覺(jué)效果，實(shí)現(xiàn)方式種類較多，較為常見(jiàn)的有：1）鋁合金制品采用氧化工藝達(dá)到高光、亞光、磨砂效果；2）不銹鋼制品實(shí)現(xiàn)不同色澤的高光、鏡面效果；3）塑料制品采用噴漆、電鍍工藝實(shí)現(xiàn)不同顏色、花紋、仿真效果；4）塑料制品通過(guò)皮紋工藝實(shí)現(xiàn)深淺粗細(xì)、磨砂等不同類型的皮紋效果。

承載式迎賓踏步必須設(shè)計(jì)防滑和排泄結(jié)構(gòu)，確保乘駕人員上下車輛安全性以及防止異物堵塞、填埋、覆蓋防滑結(jié)構(gòu)等因素導(dǎo)致防滑結(jié)構(gòu)失效；防滑結(jié)構(gòu)和排泄結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)型式一般有兩種：1）承載結(jié)構(gòu)本身設(shè)計(jì)有防滑特征和排泄結(jié)構(gòu)，增大踩踏摩擦力，同時(shí)可排泄泥水、異物；2）設(shè)計(jì)具備防滑特征及排泄結(jié)構(gòu)的部件安裝于承載結(jié)構(gòu)之上。

2.2 非承載式迎賓踏步

與承載式迎賓踏步相比，非承載式迎賓踏步不具備供駕乘人員踩踏的功能，同時(shí)為避免出現(xiàn)誘導(dǎo)性危險(xiǎn)，該類踏步設(shè)計(jì)無(wú)踩踏面或無(wú)法實(shí)現(xiàn)踩踏助力的外觀特征。非承載式踏步僅實(shí)現(xiàn)整車造型裝飾美化功能，其組成部件無(wú)須滿足承載性等法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)要求，但同樣需要滿足車輛外部裝飾部件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

3、承載式迎賓踏步承載結(jié)構(gòu)校核分析

承載式迎賓踏步必須滿足法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求，其承載性能和耐久可靠性非常重要，必須防止產(chǎn)生失效風(fēng)險(xiǎn)造成乘駕人員損傷。為確保踏步產(chǎn)品具備足夠的承載性和耐久可靠性，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段需進(jìn)行充分的計(jì)算和分析，使理論狀態(tài)滿足法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求；同時(shí)在產(chǎn)品驗(yàn)證階段需進(jìn)行多種型式的試驗(yàn)驗(yàn)證，以檢測(cè)產(chǎn)品實(shí)物狀態(tài)是否滿足法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求。但若于產(chǎn)品驗(yàn)證階段檢測(cè)發(fā)現(xiàn)踏步的承載性能不滿足要求，開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品則無(wú)法使用，將產(chǎn)生二次開(kāi)發(fā)費(fèi)用，延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期。因此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)完全規(guī)避理論狀態(tài)下不滿足法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求的可能性，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)定合理安全系數(shù)，降低產(chǎn)品實(shí)物不滿足要求的風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹一種應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)校核承載式迎賓踏步承載結(jié)構(gòu)校核分析的方法，用于設(shè)計(jì)階段對(duì)踏步承載結(jié)構(gòu)的理論分析。

3.1 法規(guī)要求

承載式迎賓踏步踩踏高度及踩踏深度必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，避免造成踩踏不便甚至出現(xiàn)安全隱患；同時(shí)必須滿足乘用車外部突出物安全性的相關(guān)要求。承載性能并無(wú)法規(guī)強(qiáng)制規(guī)定，但緣于其重要性及風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重性，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)進(jìn)行嚴(yán)格要求。

3.2 分析方法和內(nèi)容

3.2.1 分析方法

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件建立迎賓踏步3D數(shù)學(xué)模型，并將所建立模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真分析軟件，采用有限元法對(duì)迎賓踏步承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。根據(jù)分析所得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行對(duì)比分析，校核其承載性和耐久性是否滿足要求。建立3D數(shù)學(xué)模型和分析中使用的軟件有CATIA、ANSYS、ABAQUS和HYPERVIEW。

3.2.2 模型建立

本文設(shè)計(jì)一款承載式乘用車迎賓踏步，其承載結(jié)構(gòu)使用鋁合金制品、鋼材制品組合方案：選用鋁合金制品踩踏結(jié)構(gòu)，鋼材制品承載安裝支架。該方案中鋼材制品具有良好的成型性，避免因承載安裝支架形狀復(fù)雜而難以加工；采用鋁合金制品踩踏結(jié)構(gòu)，可降低成本、重量和對(duì)車身承載部位的負(fù)荷。

首先進(jìn)行乘用車迎賓踏步3D數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)約束條件包括：滿足法規(guī)要求的登車高度和踩踏面積，車身駕駛室提供的安裝結(jié)構(gòu)，迎賓踏步的外觀造型效果圖和造型曲面。根據(jù)以上條件，進(jìn)行迎賓踏步的構(gòu)想設(shè)計(jì)和制造工藝、安裝工藝等初步設(shè)定，編制合理的設(shè)計(jì)方案。本文設(shè)計(jì)乘用車迎賓踏步具體實(shí)施方案如下：鋼材制品承載安裝支架，采用沖壓工藝成型，共計(jì)3個(gè)，分別于前、中、后位置支撐迎賓踏步；鋁合金制品踩踏結(jié)構(gòu)，采用擠出工藝成型；可拆卸式防滑結(jié)構(gòu)采用塑料注塑成型；排泄結(jié)構(gòu)與踩踏結(jié)構(gòu)集成，組成排泄系統(tǒng)。

第二步，根據(jù)迎賓踏步及駕駛室3D數(shù)學(xué)模型建立有限元分析模型。固結(jié)踏步踩踏結(jié)構(gòu)和承載安裝支架，設(shè)定為剛性連接。節(jié)選部分駕駛室3D數(shù)學(xué)模型，但是必須包含駕駛室安裝迎賓踏步的結(jié)構(gòu)及其支撐部件，如圖1所示。駕駛室鈑金件數(shù)學(xué)模型采用SHELL單元離散，點(diǎn)焊采用SOLID單元模擬，縫焊采用BEAM單元模擬。

圖1 迎賓踏步有限元分析模型

3.2.3 校核方案

校核標(biāo)準(zhǔn)：承載式迎賓踏步必須滿足在前車門與后車門踩踏區(qū)域同時(shí)加載150kg重作用力時(shí)，承載結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不小于1.2。

模擬分析加載工況：施加Z向均載FZ=1471.5N（等效于前車門與后門踏步踩踏區(qū)域同時(shí)承載體重150kg的人上下車的情況）；加載面積即為踩踏面積，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求：國(guó)標(biāo)98%成人1/2腳掌面積。

模擬分析約束條件：駕駛室截取處全約束。取踏步前車門與后車門兩個(gè)踩踏區(qū)域，施加Z向均載FZ=1471.5N，加載位置位于車門邊框中間位置，邊界約束條件如圖2所示。

圖2 迎賓踏步約束條件

4、優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)意義

迎賓踏步承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)綜合考慮制造成本、重量，在滿足要求的前提下避免性能過(guò)剩。通過(guò)CAE仿真分析計(jì)算結(jié)果，可清楚的觀察到迎賓踏步的承載結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與校核標(biāo)準(zhǔn)差異，針對(duì)性采取優(yōu)化措施。優(yōu)化設(shè)計(jì)目的，即為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在成本、重量最為經(jīng)濟(jì)的條件下，滿足法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

影響迎賓踏步安裝支架強(qiáng)度的因素有：1）制造材料， 2）承載支架結(jié)構(gòu)型式，包括料厚、形狀等。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從較為經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化方法開(kāi)始，編制合理的優(yōu)化流程，按優(yōu)化流程進(jìn)行3D數(shù)學(xué)模型優(yōu)化、分析工作，避免因優(yōu)化方向不明確，造成周期延長(zhǎng)甚至不能達(dá)到理想效果。根據(jù)優(yōu)化流程，首先進(jìn)行迎賓踏步承載安裝支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該方法不會(huì)明顯增加產(chǎn)品重量和成本，具體實(shí)施方案有增加加強(qiáng)筋、更改截面型式等。其次更改承載支架的料厚，包括局部增厚和整體加厚。如果優(yōu)化承載支架結(jié)構(gòu)效果不明顯，增加料厚又影響重量達(dá)標(biāo)，則需考慮更換性能更高的制造材料。性能、成本、重量相互制約、相互影響，設(shè)計(jì)與優(yōu)化時(shí)應(yīng)綜合考慮。

圖3

圖4 優(yōu)化流程圖

5、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹適用于M1類和N1類車型中乘用車及皮卡車型的迎賓踏步常見(jiàn)類別和結(jié)構(gòu)型式，并對(duì)其制造工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述，著重論述承載式迎賓踏步承載性的校核方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)建立乘用車迎賓踏步3D數(shù)學(xué)模型，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真分析，對(duì)承載式迎賓踏步承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論校核分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，將CAD軟件與CAE軟件輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用于汽車部件設(shè)計(jì)過(guò)程中。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，借助計(jì)算機(jī)編程對(duì)其進(jìn)行校核和優(yōu)化，不但速度快而且精度高，極大提高了設(shè)計(jì)效率，而且降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期。

[1] 張洪才.《ANSYS14.0理論解析與工程應(yīng)用實(shí)例》機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 曾攀.《結(jié)構(gòu)的建模與分析—基于ANSYS平臺(tái)有限元分析》機(jī)械工業(yè)出版社.

[3] 何獻(xiàn)忠.《優(yōu)化技術(shù)及其應(yīng)用》北京理工大學(xué)出版社.

[4] 王望予.《汽車設(shè)計(jì)》機(jī)械工業(yè)出版社.

Bearing Structure Of The Passenger Car Foot Rest Analysis And Design

Wei Gang
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd R&D center, Anhui Hefei 230601 )

This article first expounds the concept of the passenger car foot rest, characteristics and application scope. Then introduce the major function of the passenger car foot rest, composition structure and manufacturing process, as well as the common classification. According to the different types of the passenger car foot rest describe the composition structure, and introduce the components and functions of the passenger car foot rest in detail. The next part illustrate the method of analysis and plan of design for the passenger car foot rest. The computer aided design and simulation analysis is applied to the research and development of the actual product design process.

Passenger car foot rest; Concept; Function; Computer aided design; Simulation analysis

U463.8

A

1671-7988 (2017)08-65-03

衛(wèi)剛（1988-），男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，主要從事汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.022