某全景天窗車型設計過程中的車身模態(tài)提升優(yōu)化方案

黎樹貞　王占魁

【摘 要】在某全景天窗車型開發(fā)設計過程中，其車身模態(tài)不能滿足企業(yè)模態(tài)目標。文章通過優(yōu)化天窗加強框材料、改變側圍與天窗頂蓋合件的連接結構等結構優(yōu)化方案，改進模態(tài)。并且應用CAE輔助分析手段進行力學仿真驗證，得出各個結構方案的優(yōu)化值。最后進行方案的綜合分析，選出我們需要的方案組合，從而節(jié)省了模態(tài)試驗費用及反復修改制造的費用，縮短了產品投放周期，取得很好的經濟效益。

【關鍵詞】全景天窗；車身模態(tài)；結構優(yōu)化

【中圖分類號】U463.82 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）01-0045-04

0 前言

隨著技術的提升及消費者對汽車駕乘體驗的關注度提高，汽車配置天窗在我國的普及率逐年攀升。據統(tǒng)計，中國現(xiàn)配置有天窗的車型達到50%以上。同時，越來越多的消費者希望駕乘時有一個開放的環(huán)境去接觸自然、光線和美景，普通天窗已不能滿足消費者的需求，大尺寸的全景天窗成為汽車天窗的趨勢。

一般來說，全景天窗面積較大，甚至是整塊玻璃的車頂，坐在車中可以將車上方的景象一覽無余。它的優(yōu)點如下：①因為天窗面積大，相比一般轎車更能保持車內空氣清新，迅速除去車內異味；②獲得更大的乘坐視野，讓乘客獲得超佳感受；③高速行駛時，相對于側開窗能更有效地降低車內噪音；④散熱快，在太陽下暴曬后可迅速地降低車內溫度[1]。它的缺點如下：①制造成本高；②對車身要求較高。

由于大尺寸的全景天窗成為汽車天窗的發(fā)展趨勢，因此全景天窗車型是各大汽車主機廠當前的研究和開發(fā)重點之一。本文旨在研究某全景天窗車型設計開發(fā)過程中天窗模態(tài)低問題的結構優(yōu)化方案，并且應用CAE輔助分析手段進行力學仿真驗證。

1 背景

配置有天窗的乘用車，其頂蓋總成的結構比無天窗的稍微復雜；相比無天窗的整車，由于有天窗開口的存在，它會降低車身模態(tài)，使主振型頻率降低，引起車身共振，產生異響和震動，降低用戶的體驗感受[2]。因此，在車身改型設計中增加天窗時，要充分考慮天窗處結構對車身模態(tài)的影響。

某車型根據整車模態(tài)分配，其天窗版的白車身模態(tài)目標值為28 Hz。前期初始設計頂蓋總成結構方案如圖1所示：{1}天窗總成通過四周邊16個螺栓連接在天窗加強框上；{2}天窗加強框與頂蓋通過釬焊連接；{3}天窗加強框與前橫梁通過螺栓和結構膠連接；{4}天窗加強框與側圍左右各有5段不連續(xù)搭接通過電阻焊點連接，同時在B柱處有支架螺栓連接。

初始方案經過CAE仿真分析發(fā)現(xiàn)，帶天窗總成的白車身模態(tài)為25.8 Hz，結果如圖2所示。由于不滿足項目制定的目標值，所以接下來我們需要研究該區(qū)域結構的優(yōu)化方案來提升模態(tài)值。

2 原因分析

經查看和分析天窗版白車身的振動模型，我們發(fā)現(xiàn)天窗總成與白車身頂蓋總成的側面和后部的連接處的振動變形較大，對模態(tài)降低貢獻較大，說明天窗總成與白車身頂蓋總成搭接區(qū)域的剛度設計不足。在一定虛擬的激勵條件下，剛度小會導致振動變形大，模態(tài)降低。經分析初始的設計結構發(fā)現(xiàn)5個可能導致模態(tài)不足的原因：{1}天窗加強框自身強度不足；{2}天窗總成與頂蓋總成的側面和后部連接點太少；{3}側圍總成與頂蓋總成連接強度不足；{4}側圍總成上邊梁腔體自身強度不足；{5}頂蓋總成內的加強框與頂蓋外板連接強度不足。

3 解決方案的制訂和驗證

根據以上分析的5個可能導致模態(tài)不足的原因，我們從以下幾個方面對頂蓋總成進行模態(tài)提升的優(yōu)化結構設計。

方案一：天窗加強框料厚由1.2 mm增加到1.5 mm。經過對比其他車型的天窗加強框料厚，我們發(fā)現(xiàn)目前本款車型的料厚賦予是最薄，因此將天窗加強框料厚由1.2 mm增加到1.5 mm，并進行計算。結果如圖3所示，此方案提升模態(tài)1 Hz，達到26.8 Hz。

方案二：天窗左、右兩側各增加3個天窗總成與頂蓋總成的安裝點，天窗加強框與頂蓋增加結構膠連接。原設計天窗加強框與頂蓋在頂蓋翻邊處通過釬焊連接，截面如圖4所示。由截面可知，從釬焊處到與側圍搭接點焊的距離為105 mm，中間沒有連接，力矩太長，導致整體模態(tài)較低。因此，此方案在更改不了力矩長度的前提下，將105 mm中間區(qū)域天窗加強框往上貼合，增加結構膠與頂蓋的連接，使力矩縮短。通過計算，該措施可以提升模態(tài)0.6 Hz。

方案三：天窗尾部增加0.8 mm連接板和3個螺栓。如圖5所示，通過觀察振動模型顯示，天窗總成后部變形較大，說明此處的連接剛度不足，因此在后部通過增加連接板并且通過3個螺栓與天窗加強框連接，加強天窗總成與天窗加強框的連接。計算結果表明，此方案可以提升模態(tài)1.3 Hz，提升幅度較大，說明這個方案的思路是正確的，連接板能有效地改善天窗總成與天窗加強版連接處變形較大的問題，提升模態(tài)值。

方案四：上邊梁加強板延長，天窗加強框涂結構膠。天窗加強框與側圍的搭接方式為左右各5段不連續(xù)搭接的邊，通過電阻焊點連接（如圖6所示）。不連續(xù)搭接導致側圍對整個天窗框的支撐較弱，對整體模態(tài)不利。因此，在Y向延長上邊梁加強板到天窗加強框處，并通過結構膠與天窗加強框連接（由于制造策略限制，不能打點焊，因此涂結構膠連接）。該方案模態(tài)提升1 Hz。

方案五：上邊梁內板延長，加大腔體尺寸。由于腔體的截面尺寸也會影響整車的模態(tài)，因此這個措施在方案四的基礎上通過上邊梁內板延伸到與天窗加強框連接，加大腔體尺寸進行模態(tài)提升。具體結構如圖7所示，該方案模態(tài)提升1 Hz。

方案六：天窗左、右兩側各增加3個天窗總成與頂蓋總成的安裝點。通過觀察振動模型顯示，天窗總成側面和后部變形較大，說明此處的連接剛度不足，因此在兩側各增加3個天窗總成與頂蓋總成的安裝點，加強天窗總成與天窗加強框的連接（如圖8所示）。計算結果表明，此方案可以提升模態(tài)0.7 Hz。

各方案綜合對比分析：根據對以上幾個解決方案的分析和驗證可知，這些優(yōu)化方案都可以不同程度地提升模態(tài)，總計提升量為1+0.6+1.3+1+1+0.7=5.6 Hz。前文已經提到我們的目標是從25.8 Hz提升到28 Hz，目標提升量為2.2 Hz，根據工程分析每個方案的實施代價也是不同的，全部實施會造成設計浪費，就此對幾個方案進行綜合對比分析，選取我們需要的組合，剩下的方案作為設計方案積累。

經過表1的對比分析，我們可以清晰地看到各個方案的優(yōu)、缺點，最終選擇方案1、2、6的更改作為最終設計結構，車身最終模態(tài)為25.8+1+0.6+0.7=28.1 Hz，達到項目目標。

4 結論

在天窗版車型設計開發(fā)過程中，由于天窗開口的影響，初期經常會遇到模態(tài)、剛度、強度等達不到設計目標的情況。我們首先基于初始模型計算可以找到問題點，針對相應問題提出多種優(yōu)化方案，然后借助日益精準的計算機輔助分析，驗證改進設計方案，最后進行各個方案的綜合分析，選出我們需要的方案組合，這中間節(jié)省了模態(tài)試驗費用和反復修改制造的費用，縮短了產品投放周期，取得了很好的經濟效益。

參 考 文 獻

[1]池強，張建勛，付繼飛.電弧螺柱焊技術的發(fā)展與應用[J].工藝和新技術，2003（6）.

[2]陳永新，譚繼錦.轎車白車身模態(tài)試驗研究[J].汽車

技術，2007（11）.

[3]谷賀雄，竇海波.某SUV車型全景天窗車身的驗證分析[J].汽車實用技術，2015（8）.

[責任編輯：鐘聲賢]