如何提升重卡駕駛室頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度

張厚婷

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司國際公司 海外汽車研究所，安徽 合肥 230601)

如何提升重卡駕駛室頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度

張厚婷

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司國際公司 海外汽車研究所，安徽 合肥 230601)

以重卡為基礎(chǔ)介紹駕駛室頂蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。應(yīng)用有限元分析法，按照GB 26512-2011《商用車駕駛室乘員保護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)的要求對駕駛室的頂蓋強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，通過仿真分析結(jié)果的比較，明確加強(qiáng)及改進(jìn)的方向，為完善駕駛室頂蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供思路。

重卡車型；強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；駕駛室；碰撞

隨著我國公路運(yùn)輸對高速、重載要求的不斷提高，重型卡車的需求量越來越大。由于重型卡車自重很大，一旦發(fā)生交通意外，后果極其嚴(yán)重，特別是駕駛室頂蓋部分。發(fā)生翻車事故時，駕駛室的頂蓋受到極大的撞擊，致使頂蓋出現(xiàn)大幅變形，擠壓駕駛室內(nèi)的生存空間，造成人員傷亡。因此，駕駛室被動安全性的性能急需提升，需要引起更多的重視。目前國內(nèi)的商用車駕駛室乘員保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)是GB 26512-2011,該標(biāo)準(zhǔn)于2011年5月12日發(fā)布，2012年1月1日實(shí)施，其內(nèi)容包括3種試驗(yàn)方法：正面撞擊試驗(yàn)。頂部強(qiáng)度試驗(yàn)和后部撞擊試驗(yàn)，其中頂部強(qiáng)度試驗(yàn)是為了模擬商用車在發(fā)生翻滾時車頂受到強(qiáng)沖擊力所引起的駕駛室的變形是否對乘員造成傷害。

GB 26512-2011頂部強(qiáng)度試驗(yàn)具體內(nèi)容：駕駛室頂部應(yīng)能承受相當(dāng)于車輛前部的一個軸或多個軸的最大軸荷的靜載荷，但最大為98kN，此靜載荷應(yīng)通過形狀合適的剛體部件均勻地施加在駕駛室或座艙頂部構(gòu)架的所有支承件上。

本文先對國內(nèi)某重型卡車駕駛室建立有限元模型，進(jìn)行頂蓋強(qiáng)度分析，找出頂蓋產(chǎn)生變形過大的原因，進(jìn)行頂蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化，明確改進(jìn)的方向，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 頂蓋的設(shè)計(jì)原則

對頂蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要從以下幾個方面著手：

(1)結(jié)構(gòu)：滿足其他分組安裝要求及整車造型的條件約束，要求頂蓋具有一定的強(qiáng)度和抗凹性[1]。一種好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地將應(yīng)力傳遞到其他區(qū)域，減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

(2)材料：頂蓋外板形狀比較復(fù)雜，應(yīng)選用材質(zhì)成型較好的DC04或DC05[2]。對于抗凹需求高的區(qū)域采用高強(qiáng)鋼，可以提升整體的強(qiáng)度和剛度；對于安裝板或是強(qiáng)度要求不高的區(qū)域，采用DC03或是DC01的普通板材，可以有效地降低成本。

(3)工藝：保證提供的零部件的質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不允許存在開裂、起皺現(xiàn)象，同時設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要盡可能為焊裝工藝提供操作方便性。良好的操作方便性不僅能提高生產(chǎn)節(jié)拍，而且還可以提高頂蓋焊接總成的精度，為總裝線內(nèi)飾頂棚的順利安裝提供了保障。

2 某重卡的頂蓋結(jié)果分析

該駕駛室頂蓋結(jié)構(gòu)為半高頂鈑金頂，其頂蓋與前圍、側(cè)圍、后圍的焊接方式為點(diǎn)焊焊接，頂蓋內(nèi)部有兩根橫梁結(jié)構(gòu)。應(yīng)用有限元法建立了該車駕駛室的仿真模型，由接觸力曲線看出，接觸面的最大壓力約為57kN(如圖2)，此時處于0.175s。查看分析部件，出現(xiàn)的最大塑性應(yīng)變?yōu)?2.53%，未超過斷裂百分比，可認(rèn)為57kN是頂蓋可抗的最大壓力。

圖1 駕駛室模型

圖2 頂部抗壓示意圖

3 頂蓋結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，駕駛室車體結(jié)構(gòu)偏弱，頂蓋與后圍、側(cè)圍的搭接結(jié)構(gòu)不合理。鑒于目前狀況，不做大幅度調(diào)整，可以從兩方面著手進(jìn)行修改：一是增強(qiáng)側(cè)圍、后圍骨架結(jié)構(gòu)與頂蓋的連接強(qiáng)度，二是增強(qiáng)頂蓋骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下面將根據(jù)上述思路進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

(1)方案一：在安全帶固定板處增加安全帶固定板左/右加強(qiáng)板各1個；在左右側(cè)圍內(nèi)板處增加側(cè)圍內(nèi)板左/右加強(qiáng)板各1個；在后圍內(nèi)板上增加后圍內(nèi)板左/右加強(qiáng)板各1個；材質(zhì)均為B250P1。以上的連接方式均采用點(diǎn)焊的方式。安全帶固定板加強(qiáng)板先與安全帶固定板連接，連接后的安全帶固定板總成再與側(cè)圍內(nèi)板連接。側(cè)圍內(nèi)板加強(qiáng)板直接與側(cè)圍內(nèi)板連接，后圍內(nèi)板加強(qiáng)板直接與與后圍內(nèi)板連接，以上的連接方式均采用點(diǎn)焊的方式。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了駕駛室骨架(無頂蓋)與頂蓋的連接強(qiáng)度，在頂蓋受到壓力時，可以緩解頂蓋與側(cè)圍、后圍搭接處的沖擊。

根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，接觸面的最大壓力約為72kN(如圖4)，此時處于0.22s，頂棚側(cè)板塑性變形未超過斷裂百分比，可認(rèn)為72kN是頂蓋可抗的最大壓力。強(qiáng)度提高了26.3%。

圖3 方案一

圖4 頂部抗壓示意圖

(2)方案二：在頂蓋后部增加骨架式結(jié)構(gòu)，采用方管焊接而成。此結(jié)構(gòu)為整體式結(jié)構(gòu)，通過螺栓固定的方式與頂蓋、側(cè)圍、后圍進(jìn)行連接。在頂蓋受到壓力時，通過分布在不同方向的管梁把頂蓋受到的力傳遞到后圍及側(cè)圍處[3]，而不是集中在某一點(diǎn)，很大程度上解決了頂蓋與側(cè)圍、后圍連接處應(yīng)力集中的問題。

根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，接觸面的最大壓力約為82kN(如圖6)，此時處于0.21s。查看分析部件，出現(xiàn)的最大塑性應(yīng)變?yōu)?2.37%，未超過斷裂百分比，可認(rèn)為82kN是頂蓋可抗的最大壓力。強(qiáng)度提高了43.8%。

圖5 方案二

圖6 頂部抗壓示意圖

(3)方案三：在方案一的基礎(chǔ)上增加頂蓋骨架結(jié)構(gòu)，此骨架結(jié)構(gòu)使用的零部件均為沖壓件，骨架結(jié)構(gòu)與頂蓋的連接方式為點(diǎn)焊焊接。在頂蓋受到壓力時，力可以從骨架結(jié)構(gòu)傳遞到后圍及側(cè)圍的區(qū)域，同時，在設(shè)計(jì)時，又對側(cè)圍、后圍的局部區(qū)域進(jìn)行了加強(qiáng)，從而極大地提高了頂蓋抗壓的能力。

根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，接觸面的最大壓力約為99.3kN(如圖8)，此時處于0.31s。強(qiáng)度提高了74.2%。

4 對比分析

比較三個方案，方案一頂蓋所能承受壓力的提升幅度最小，可達(dá)到72kN，提升幅度為26.3%，從整改角度來看，增加的零部件較少，對焊裝夾具的調(diào)整影響最??；方案三頂蓋所能承受壓力的提升幅度最大，提升幅度為74.2%，同時，因?yàn)樵黾拥牧悴考^多，對焊裝夾具的調(diào)整影響最大，增加了更多的產(chǎn)品開發(fā)成本。

圖7 方案三

圖8 頂部抗壓示意圖

5 結(jié)論

在頂蓋設(shè)計(jì)過程中，首先要清楚地了解薄弱的區(qū)域，根據(jù)薄弱的區(qū)域進(jìn)行方案制訂。制訂方案后，通過模擬仿真進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時要進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，既考慮目標(biāo)值的實(shí)現(xiàn)，也要考慮現(xiàn)狀及成本的影響，從而尋找到最優(yōu)方案。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造(第四版)[M].北京：人民交通出版社，2002：156-158.

[2]鄧文英，郭曉鵬.金屬工藝學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008:101-102.

[3]趙九江，張少實(shí)，王春香.材料力學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1995：78-80.

責(zé)任編輯：富春凱

How to Enhance the Design Intension of the Heavy Truck Cab Roof Structure

ZHANG Hou-ting

(Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd. , Hefei 230601, China)

Based on the heavy truck, we introduced the design of the roof structure.Using finite element analysis. according to the requirements of GB 26512-2011 "Commercial vehicle cab occupant protection",the finite element analysis method is used to simulate the roof strength of the cab. Through the simulation analysis of the results of comparison, we clear the direction of strengthening and improvement.Through this way,provides a way of thinking about improving the cab roof structure design.

Heavy truck model; Strength; Structural design; Cab; Collision

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.03.014

2017-04-20

張厚婷(1991—)，女,安徽淮南人，助理工程師。研究方向：車身設(shè)計(jì)。

U463.83

A

1674-6341(2017)03-0037-03