某車(chē)型前圍板與制動(dòng)踏板搭接處結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王瑞哲

(廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

車(chē)身作為汽車(chē)上的四大總成之一，其最主要功能是為乘員提供安全、舒適的乘坐環(huán)境[1]。而車(chē)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定車(chē)身的強(qiáng)度和剛度，影響到汽車(chē)的安全和壽命。前圍板作為前艙件與車(chē)廂內(nèi)的隔板，它應(yīng)該有較高的強(qiáng)度和剛度。制動(dòng)踏板作為汽車(chē)減速停車(chē)的操縱件，使用頻率非常高，直接影響汽車(chē)駕駛的安全。因此前圍板與制動(dòng)踏板支架搭接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

近年來(lái)有限元分析法在汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了深入的應(yīng)用和推廣。CAE的應(yīng)用是從有限元分析開(kāi)始的，它極大程度上降低了設(shè)計(jì)成本，減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的理論指導(dǎo)[2]。

針對(duì)某車(chē)型前圍板與制動(dòng)踏板支架搭接處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的問(wèn)題，利用CAE仿真分析軟件，建立模型，找出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的根本原因，提出幾種不同的優(yōu)化方案，綜合考慮成本、開(kāi)發(fā)周期，最終確定一個(gè)最優(yōu)方案。

1 問(wèn)題描述

在某車(chē)型前期開(kāi)發(fā)時(shí)，通過(guò)CAE分析發(fā)現(xiàn)與前圍板相搭接處的制動(dòng)踏板安裝面剛度均未達(dá)標(biāo)。此問(wèn)題的出現(xiàn)直接影響到整車(chē)剛度性能要求，需要通過(guò)優(yōu)化此區(qū)域的結(jié)構(gòu)來(lái)提升剛度。前圍板與制動(dòng)踏板搭接區(qū)域結(jié)構(gòu)如圖1所示。前圍板與制動(dòng)踏板搭接處剛度不足區(qū)域如圖2所示。

圖1 前圍板與制動(dòng)踏板支架搭接結(jié)構(gòu)

圖2 前圍板與制動(dòng)踏板支架搭接處結(jié)構(gòu)剛度不足區(qū)域

2 原因分析以及對(duì)標(biāo)車(chē)研究

2.1 原因分析

通過(guò)初步分析，前圍板與制動(dòng)踏板搭接處剛度不足的原因如下：

(1)前圍板單件厚度0.8 mm，材質(zhì)BUSD，屈服強(qiáng)度為120～210 MPa，材料強(qiáng)度級(jí)別相對(duì)較低。

(2)前圍板與制動(dòng)踏板支架搭接區(qū)域結(jié)構(gòu)單一，沒(méi)有加強(qiáng)板、橫梁等結(jié)構(gòu)來(lái)支撐。當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，施加力大部分集中在安裝點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)力無(wú)法有效地傳遞出去，應(yīng)力集中明顯。這是剛度不足的主要原因。

2.2 對(duì)標(biāo)車(chē)研究

通過(guò)對(duì)某車(chē)型的制動(dòng)踏板支架與前圍板搭接區(qū)域?qū)?biāo)車(chē)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其零件厚度以及材質(zhì)均相同，但是對(duì)標(biāo)車(chē)在前圍板前面區(qū)域搭接了一個(gè)貫通的橫梁，如圖3所示。這在一定程度上結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到很好的保障。對(duì)后續(xù)優(yōu)化方案提供了思路[3]。

圖3 對(duì)標(biāo)車(chē)前圍板焊合總成結(jié)構(gòu)

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述原因分析，共制定了4種優(yōu)化方案，如圖4所示。

圖4 4種優(yōu)化方案

方案一：采用對(duì)標(biāo)車(chē)的結(jié)構(gòu)，在前圍板前部增加一個(gè)貫通橫梁，如圖4(a)所示，材料為BLC-FB-D，料厚1.5 mm。

方案二：考慮到工裝工藝要求，在前圍板與制動(dòng)踏板支架搭接區(qū)域增加一小段橫梁,如圖4(b)所示。橫梁材料為BLC-FB-D，料厚1.5 mm。

方案三：在方案二的基礎(chǔ)上，優(yōu)化加速踏板支架，使橫梁搭接在加速踏板支架腔體內(nèi)，如圖4(c)所示。

方案四：在方案三的基礎(chǔ)上，加速踏板支架內(nèi)腔體追加一個(gè)加速踏板加強(qiáng)板，如圖4(d)所示。材料為BLC-FB-D，料厚1.2 mm。

原方案以及4種優(yōu)化方案CAE分析應(yīng)力云圖、位移云圖如圖5—9所示,分析結(jié)果如表1所示。

圖5 原方案CAE分析結(jié)果

圖6 方案一CAE分析結(jié)果

圖7 方案二CAE分析結(jié)果

圖8 方案三CAE分析結(jié)果

圖9 方案四CAE分析結(jié)果

方案前圍板強(qiáng)度/MPa前圍板位移/mm踩制動(dòng)踏板時(shí)前圍板位移/mm前圍板對(duì)最大位移貢獻(xiàn)量/mm原方案168．02．006．515．46方案一137．40．834．063．01方案二107．90．793．652．60方案三73．30．512．881．60方案四59．00．432．651．08

4 方案選擇與實(shí)施

方案一，由于其他區(qū)域的零件已經(jīng)布局完成，占據(jù)了前艙很多空間，前圍板新增貫通橫梁很難避讓其他零件，故此方案很難實(shí)施。方案二，新增一小段橫梁，提升了前圍板與制動(dòng)踏板搭接區(qū)域的剛度，但橫梁不能做貫通，距最優(yōu)方案還有一定差距，剛度還需進(jìn)一步的提升。方案三，考慮到方案二中的橫梁不是貫通的，借助制動(dòng)踏板支架的周邊零件加速踏板支架，并把加速踏板支架與前圍板接搭接區(qū)域接觸面做大，使橫梁貫通到加速踏板支架腔體中，剛度得到顯著的提升。方案四，追加加速踏板支架加強(qiáng)板之后的結(jié)構(gòu)極大提高了前圍板結(jié)構(gòu)剛度，進(jìn)而提高了整車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

結(jié)合以上4個(gè)優(yōu)化方案的應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果，方案四的優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，改善效果最為明顯，故選擇方案四。

5 結(jié)論

在處理前圍板與制動(dòng)踏板支架搭接區(qū)域剛度不足問(wèn)題，嘗試著研究對(duì)標(biāo)車(chē)型結(jié)構(gòu)，結(jié)合CAE分析，最終得到滿意的改進(jìn)方案。避免零件開(kāi)模后進(jìn)行較大的設(shè)計(jì)變更，減少了不必要的時(shí)間浪費(fèi)以及費(fèi)用支出。

文中的研究思路可為今后類(lèi)似零件剛度不足的情況提供參考。

參考文獻(xiàn):

[1]黃金陵.汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]容兵，門(mén)永新，趙鵬程，等.某車(chē)型安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度分析及優(yōu)化[C]//中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)論文集精選.北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.

[3]高博，熊本勝，魏玉功.前圍板離合踏板安裝處開(kāi)裂研究與改進(jìn)[C]//中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016:1415-1418.