某乘用車(chē)備胎池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周清 申威 薛廣新 李志高 羅培鋒

摘 要：零部件薄壁化現(xiàn)已成為汽車(chē)行業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的一個(gè)重要的手段，備胎池作為汽車(chē)車(chē)身地板的主要零部件之一，其材料厚度也逐漸從0.8mm、0.7mm減薄為0.65mm，備胎池厚度的減少給零件的剛度、強(qiáng)度帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。而本文中提及的車(chē)型為緊湊型乘用車(chē)，其備胎池底部沒(méi)有縱梁和橫梁，其優(yōu)化難度更加苛刻。通過(guò)對(duì)被備胎池的白車(chē)身自由模態(tài)、整備車(chē)身模態(tài)、備胎池強(qiáng)度的三個(gè)方向去進(jìn)行CAE仿真優(yōu)化對(duì)比，確認(rèn)優(yōu)化方向及最終的使用方案。研究的結(jié)果在備胎池底部無(wú)縱橫梁的情況下，對(duì)備胎池筋的布置形式及筋高度具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：薄壁化 輕量化 備胎池

Abstract：The thinning of parts has become an important means to realize lightweight in the automotive industry. As one of the main parts of the automobile body floor， the material thickness of the spare tire pool has gradually decreased from 0.8mm and 0.7mm to 0.65mm. The reduction of the thickness of the spare tire pool has brought great challenges to the stiffness and strength of the parts. The model mentioned in this paper is a compact passenger car， and there is no longitudinal beam and cross beam at the bottom of the spare wheel pool， so it is more difficult to optimize. Through the CAE simulation and optimization comparison of the free mode of the BIW， the curb mode and the strength of the spare tire pool， the optimization direction and the final use scheme are confirmed. The research results have important guiding significance for the arrangement form and height of spare tire pool reinforcement when there is no longitudinal and transverse beam at the bottom of spare tire pool.

Key words：thin wall， lightweight， the spare tire pool

1 前言

節(jié)能環(huán)保是現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)重要的主題，也是關(guān)系社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題。大量試驗(yàn)表明，汽車(chē)的質(zhì)量與汽車(chē)石油消耗量有直接關(guān)系，汽車(chē)的質(zhì)量每減輕100kg，百公里油量將減少0.4～1.0L。汽車(chē)質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%，同時(shí)車(chē)輛廢氣排放量也有明顯的降低[1]。由此表明，汽車(chē)輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段和方法之一，也是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展方向的一個(gè)重要主題。

目前通用的汽車(chē)輕量化有兩大途徑：一是采用輕質(zhì)材料，如鋁合金、高強(qiáng)度鋼材、塑料、碳纖維等新型材料;二是采用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)對(duì)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化[2]。

基于傳統(tǒng)的鋼車(chē)身，零部件薄壁化現(xiàn)已成為汽車(chē)行業(yè)實(shí)現(xiàn)輕量化的一個(gè)重要的手段[3]，備胎池作為汽車(chē)車(chē)身地板的主要零部件之一，其材料厚度也逐漸從0.8mm、0.7mm挑戰(zhàn)為0.65mm，厚度的減少給零件的剛度、強(qiáng)度帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。備胎池強(qiáng)度、剛度不足將在使用過(guò)程中產(chǎn)生局部模態(tài)失穩(wěn)，甚至?xí)a(chǎn)生異響或者零部件失效。我們?cè)谀吵擞密?chē)項(xiàng)目中定義備胎池厚度為0.65mm，實(shí)現(xiàn)了局部零部件減重7.14%～18.75%，備胎池重量為5.582kg。由于該車(chē)為緊湊型乘用車(chē)，后地板框架中間有一根橫梁，備胎池底部無(wú)縱梁或橫梁進(jìn)行加強(qiáng)，因此此處在設(shè)計(jì)考慮及驗(yàn)證分析具有極大難度及挑戰(zhàn)性。

2 備胎池及整車(chē)狀態(tài)下的建模分析

涉及汽車(chē)備胎池的CAE分析主要從白車(chē)身自由模態(tài)、整備車(chē)身模態(tài)、備胎池強(qiáng)度三個(gè)方面進(jìn)行分析確認(rèn)。

2.1 模型描述

2.1.1 有限元模型-白車(chē)身

白車(chē)身的某乘用車(chē)全景天窗模型重量為346.2Kg，包含前風(fēng)擋、左右懸置本體和前副車(chē)架。

白車(chē)身的SHELL單元尺寸為6mm×6mm;白車(chē)身的焊點(diǎn)用ACM單元模擬，焊點(diǎn)直徑為6mm;焊縫用RBE2模擬;白車(chē)身的粘膠用SOLID單元模擬;總裝件的螺栓連接用RBE2單元連接。按以上要求建立白車(chē)身模型。

2.1.2 白車(chē)身材料信息

白車(chē)身模型中對(duì)應(yīng)的材料信息，見(jiàn)白車(chē)身材料信息表，如表1。

2.1.3 前后處理器及求解器

前、后處理器軟件：Hypermesh、Hyperview

求解器： Nastran

2.2 備胎池BIW局部模態(tài)

采用1.1中的白車(chē)身模型，自由邊界狀態(tài)，模態(tài)頻率：0Hz—100Hz。查看備胎池局部模態(tài)情況，要求備胎池BIW局部模態(tài)≥55Hz。

2.3 備胎池TB局部模態(tài)

采用1.1中的白車(chē)身模型，并將其他零部件加進(jìn)并形成連接關(guān)系，由此即為整車(chē)模型，自由邊界狀態(tài)，模態(tài)頻率：0Hz—100Hz。查看備胎池局部模態(tài)情況，要求備胎池TB局部模態(tài)≥32Hz。

2.4 備胎池強(qiáng)度

截取1.1中的半個(gè)白車(chē)身模型，見(jiàn)圖1，以 B柱后側(cè)為界截取白車(chē)身模型，并將備胎放進(jìn)去，分別做三個(gè)工況向上加載工況、向下加載工況、轉(zhuǎn)彎+制動(dòng)加載工況，要求塑性應(yīng)變≤0.2%。

備胎建模簡(jiǎn)化為輪輞、外胎橡膠及鋼絲帶束層三部分，備胎為20kg。

3 方案優(yōu)化對(duì)比

相對(duì)于備胎池強(qiáng)度，備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)的關(guān)聯(lián)性和整體性要求更強(qiáng)，因此本項(xiàng)目的優(yōu)化方向，優(yōu)先優(yōu)化備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)，然后基于此優(yōu)化模型再進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證及優(yōu)化。

3.1 備胎池局部模態(tài)分析

備胎池的料厚選型為0.65mm，備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)主要是對(duì)備胎池的筋的方向及走向進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，因此優(yōu)選了三個(gè)典型筋布置方案：縱向筋（見(jiàn)圖2）、輪輻貫穿筋（見(jiàn)圖3）、弧形沉臺(tái)斷筋（見(jiàn)圖4）。

通過(guò)分析，提取對(duì)應(yīng)的結(jié)果，如表2?？v向筋的備胎池TB局部模態(tài)，距離目標(biāo)要求差很遠(yuǎn)，因此該方案首先排除?；⌒纬僚_(tái)斷筋相對(duì)于輪輻貫穿筋的結(jié)果狀態(tài)綜合性能更為優(yōu)異，但是備胎池TB局部模態(tài)仍然不滿(mǎn)足目標(biāo)要求，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2 備胎池局部模態(tài)二次優(yōu)化分析

弧形沉臺(tái)斷筋由八個(gè)支撐面改為十個(gè)支撐面，增加筋的密度，如圖5示意。

通過(guò)分析，備胎池BIW局部模態(tài)為56.9Hz，備胎池TB局部模態(tài)為32.5Hz，滿(mǎn)足要求。

結(jié)合以上四個(gè)方案，進(jìn)行對(duì)比備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)。其中縱向筋方案雖然滿(mǎn)足備胎池BIW局部模態(tài)，但是其備胎池TB局部模態(tài)離目標(biāo)要求太遠(yuǎn)，排除此結(jié)果，將其他三方案進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖6和圖7。對(duì)比弧形沉臺(tái)斷筋和弧形沉臺(tái)斷筋2的備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)，發(fā)現(xiàn)特定狀態(tài)下，兩種性能是此消彼長(zhǎng)的情況。

弧形沉臺(tái)斷筋2，從內(nèi)部看呈弧形底、斷筋，但是反過(guò)來(lái)從底部看，就像病毒發(fā)散狀，整體結(jié)構(gòu)性非常強(qiáng)。

3.3 備胎池強(qiáng)度分析及優(yōu)化

將備胎重量約束到安裝點(diǎn)，并且分別做向上加載工況、向下加載工況、轉(zhuǎn)彎+制動(dòng)加載工況，基于弧形沉臺(tái)斷筋2的方案進(jìn)行強(qiáng)度分析，其中向上加載工況最大塑性應(yīng)變?yōu)?.5%，見(jiàn)圖8，不滿(mǎn)足要求，分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3。

強(qiáng)度不滿(mǎn)足要求，因此需要再進(jìn)行優(yōu)化，三個(gè)方案將料厚加厚至0.7mm以確認(rèn)料厚的影響、將圓角球化、將筋的高度加高，圓角球化的模型見(jiàn)圖9。

重點(diǎn)優(yōu)化向上加載工況，將運(yùn)算后的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分析結(jié)果，分別見(jiàn)圖10、見(jiàn)圖11、見(jiàn)圖12和表4。

通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證后的結(jié)果：加厚材料，可以改善備胎池的在向上加載工況的最大塑性應(yīng)變，其結(jié)果不滿(mǎn)目標(biāo)要求，且不符合輕量化的基本原則;局部球角優(yōu)化沒(méi)有明顯的改善效果，甚至結(jié)果變得更差;將筋加高可以明顯改善結(jié)果，并且滿(mǎn)足目標(biāo)要去;因此優(yōu)選加高筋的方案。

3.4 最終優(yōu)化方案驗(yàn)算

將加高筋的方案替代到BIW模型和TB模型中，驗(yàn)算提取出備胎池BIW局部模態(tài)和備胎池TB局部模態(tài)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與無(wú)明顯差異。

加高筋的弧形沉臺(tái)斷筋2的備胎池在白車(chē)身自由模態(tài)、整備車(chē)身模態(tài)、備胎池強(qiáng)度三個(gè)方面均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，因此選取改方案并應(yīng)用在該車(chē)型模型中。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析，總結(jié)基于備胎池底部無(wú)縱橫梁的情況下，備胎池局部模態(tài)和強(qiáng)度的影響如下：

1）備胎池縱向筋有利于提升備胎池BIW局部模態(tài)，但是不利于備胎池TB局部模態(tài);

2）提升材料料厚能夠提升局部強(qiáng)度，非必要情況下優(yōu)先進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化;

3）備胎池輪輻貫穿筋，在某些方面能夠顯著的提升備胎池TB局部模態(tài)。

4）備胎池弧形沉臺(tái)斷筋，雖然從內(nèi)部看，斷筋很多為不利機(jī)構(gòu)特征，但是從備胎底部看，其視覺(jué)效果呈病毒發(fā)散狀，能夠顯著的提升備胎池TB局部模態(tài)，并且備胎池BIW局部模態(tài)性能也與其他模型相當(dāng)，對(duì)應(yīng)的提升備胎池弧形沉臺(tái)斷筋的高度，能夠提升備胎池的強(qiáng)度。

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