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        筋條在車身零件中的應(yīng)用研究

        2016-05-30 00:57:15曾蔚楊回司超群
        企業(yè)科技與發(fā)展 2016年5期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)

        曾蔚 楊回 司超群

        (上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007)

        【摘 要】隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展,汽車行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,用戶對(duì)汽車的各項(xiàng)性能要求也越來(lái)越高。因此,汽車生產(chǎn)企業(yè)要不斷滿足客戶各方面要求,不斷提升產(chǎn)品性能。文章主要抓住筋條對(duì)產(chǎn)品特性的影響,重點(diǎn)介紹筋條的設(shè)計(jì)思路及其應(yīng)用,以零件筋條的布置、大小、位置、形狀為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行仿真分析,分析筋條對(duì)強(qiáng)度、剛度、碰撞等汽車產(chǎn)品各項(xiàng)性能的影響,以確定筋條滿足整車各項(xiàng)性能的要求。

        【關(guān)鍵詞】筋條;靜剛度;強(qiáng)度;模態(tài)

        【中圖分類號(hào)】U463.82 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688(2016)05-0110-04

        0 引言

        目前,汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,為提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力,必須不斷提高產(chǎn)品的各項(xiàng)性能。因此,對(duì)車身零件的每個(gè)細(xì)節(jié),汽車生產(chǎn)企業(yè)都應(yīng)非常透徹地研究,其中就包括筋條特征。不同的筋條作用各不相同,零件上筋條的合理布置能大大提高零件的剛度、強(qiáng)度,但布置不合理也有可能削弱零件剛度,甚至影響整車的剛度等性能。本文結(jié)合各零件所要求的性能設(shè)計(jì)不同的筋條,做相應(yīng)的對(duì)比及結(jié)合仿真分析后進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),從而滿足各零件的性能要求和整車性能要求。

        1 筋條設(shè)計(jì)思路

        根據(jù)車身在整車性能要求不同,主要分為安全碰撞、剛度、強(qiáng)度三大性能區(qū)域。同時(shí),對(duì)車身內(nèi)部零件進(jìn)行細(xì)分,對(duì)各區(qū)域進(jìn)行不同的設(shè)計(jì),零件不同,對(duì)筋條的布置也不相同。以下就是分區(qū)域?qū)α慵某醪皆O(shè)計(jì)方向。

        1.1 碰撞區(qū)域筋條設(shè)計(jì)

        碰撞區(qū)域主要分成吸能變形、抵抗變形區(qū)域。在筋條吸能區(qū)域設(shè)置誘導(dǎo)變形的筋條,在高低速碰撞中實(shí)現(xiàn)充分變形,吸收能量。碰撞吸能區(qū)主要在左、右前縱梁及前防撞梁吸能盒區(qū)域(如圖1所示)。碰撞過(guò)程中車身的傳力路徑如下:首先是對(duì)防撞梁的撞擊,然后對(duì)前縱梁有壓縮變形,充分吸收能量,區(qū)域吸收能量約占總能量的60%[1]。碰撞區(qū)域的剛性區(qū)域主要為駕駛室區(qū)域,該區(qū)域主要為駕駛員及乘客提供保護(hù),以免讓他們受到傷害。例如,對(duì)應(yīng)三踏的前縱梁處,前縱梁區(qū)域必須有足夠的剛性,抵抗變形,以保證駕駛員及乘客的安全。

        1.2 強(qiáng)度區(qū)域筋條設(shè)計(jì)

        所謂強(qiáng)度是指結(jié)構(gòu)在零件正常工作時(shí)所能承受的載荷,通常以工作應(yīng)力的峰值表示強(qiáng)度水平,它代表整車耐用性、結(jié)構(gòu)可靠性。筋條主要分散應(yīng)力集中,將受力面積增大,使受力均布。車身主要為動(dòng)力底盤等提供支撐及安裝功能,安裝功能必須安全可靠,經(jīng)久耐用。以TOPmount安裝支座的筋條布置為例,首先得出安裝點(diǎn)的受力情況,并結(jié)合安裝方式,參考車型設(shè)計(jì)筋條;再者,結(jié)合CAE仿真效果,針對(duì)不足區(qū)域進(jìn)行改進(jìn),合理布置筋條,包括筋條的數(shù)量、位置、大小、形狀。

        1.3 剛度區(qū)域筋條設(shè)計(jì)

        所謂剛度就是結(jié)構(gòu)在正常工作時(shí)的許可應(yīng)變,用剛度表示結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力,剛度是結(jié)構(gòu)在發(fā)生單位變形時(shí)所需要的作用力。一般剛度分為扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度,同時(shí)分為動(dòng)剛度、靜剛度。在受力反方向增加加強(qiáng)筋條,可提高剛度,公式如下:

        JEFF= (1)

        公式(1)中,S線長(zhǎng)增大,剛度明顯增大,而厚度t不變,因此僅改變S,剛度也是明顯增大的。

        2 筋條在車身零件中的應(yīng)用

        2.1 安全方面的應(yīng)用及推廣

        在碰撞中,區(qū)分吸能變形區(qū)與剛性區(qū)域。確定前大梁前端筋條布置:針對(duì)前置發(fā)動(dòng)機(jī)布置,在前大梁最前端布置筋條尤為關(guān)鍵,因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)是剛性體,所以在碰撞過(guò)程中不變形,同時(shí)有可能侵入防火墻,從而進(jìn)入駕駛艙傷害乘員。因此,要合理地布置前縱梁內(nèi)外板筋條,如圖1所示。

        前端位置吸能段L1,設(shè)計(jì)碰撞過(guò)程中首先誘導(dǎo)變形;筋條尺寸W/H確定,筋條數(shù)量N確定,能量在固定長(zhǎng)度下起到吸能量控制作用,以控制第一個(gè)最大加速度及反彈時(shí)刻,并消化碰撞過(guò)程中60%的能量。在與發(fā)動(dòng)機(jī)并行的區(qū)域設(shè)置剛性區(qū)域,主要改變筋條方向的抑制變形,實(shí)質(zhì)為增加線長(zhǎng),從而增加截面積,提高剛性。

        大梁變形規(guī)則,加速度曲線比較理想,吸能長(zhǎng)度約400 mm,方向盤跳動(dòng)量主要分2個(gè)方向,即上下前后方向,按目前設(shè)計(jì)其跳動(dòng)量較小均值控制,如圖2所示,大梁筋條重新優(yōu)化后的仿真效果,變形模式規(guī)則。

        首先從整車正面碰撞指標(biāo)分解車架,然后再進(jìn)行前縱梁設(shè)計(jì),合理布置筋條,從特征、數(shù)量、大小等方面對(duì)比多個(gè)方案,得出最優(yōu)方案。不僅從仿真效果可以得出筋條的影響,同時(shí)結(jié)合實(shí)際碰撞過(guò)程中大梁的變形模式(如圖3所示),也可以再優(yōu)化筋條,得出最佳方案。

        2.2 強(qiáng)度方面的應(yīng)用及推廣

        針對(duì)車身零件,主要考慮底盤及動(dòng)力相關(guān)功能的安裝件強(qiáng)度和能支承底盤功能運(yùn)動(dòng)件并提供安裝。因此,本小節(jié)主要結(jié)合筋條優(yōu)化在前減震安裝點(diǎn)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行分析。

        首先通過(guò)分析得出與車身作用點(diǎn)上承載力的大小,在A12車型中采用的是單點(diǎn)柱狀麥弗遜前懸掛,主要先通過(guò)MOUNT與前減振上定位弧面接觸,然后運(yùn)用這些分析作為仿真參數(shù),為后續(xù)計(jì)算提供驗(yàn)證依據(jù)。

        建立仿真分析模型,從整車模型中截取前懸部分,其中包含車身前圍板、左右側(cè)板、前輪罩焊合件。運(yùn)用Abaqus處理模型,并加載單邊上跳相應(yīng)的載荷,約束6個(gè)自由度在靜態(tài)狀態(tài)下,使用Hyerworks計(jì)算。

        在實(shí)車驗(yàn)證中,不同階段會(huì)出現(xiàn)不同的問(wèn)題,故障模式均為開裂,隨著大量實(shí)車驗(yàn)證問(wèn)題的出現(xiàn),且筋條開裂更加嚴(yán)重,影響整車正常行駛,本課題主要在以下方面予以加強(qiáng)。

        預(yù)防筋條處開裂。設(shè)計(jì)過(guò)程分析結(jié)果表明,筋條處存在應(yīng)力集中的情況。

        首先,從沖壓制造分析,避免沖壓減薄嚴(yán)重,減薄率控制在20%以內(nèi)。其中,包含實(shí)際測(cè)量零件厚度為1.48 mm(設(shè)計(jì)厚度為1.6 mm)及采用AUTOFORM分析,零件開裂區(qū)域減薄7%,成型性較好,理論與實(shí)際減薄率都得到很好控制。對(duì)比分析得出可以避免制造問(wèn)題的結(jié)論。同時(shí),在配合型面上增加筋條,起到吸料、消除起皺的作用;成型減薄率分析見表1。

        其次,特征過(guò)渡平順。確定筋條設(shè)計(jì)過(guò)渡不順,更改筋條與平面間的過(guò)渡搭接,有效分散傳遞,初定以下2個(gè)方案:方案一,更改筋條Y向長(zhǎng)度,緩慢過(guò)渡;方案二,更改筋條Y向長(zhǎng)度,同時(shí)增加X向?qū)挾?,并設(shè)計(jì)成傘狀筋條。

        最后,經(jīng)過(guò)分析得出結(jié)論,方案二明顯優(yōu)于方案一,應(yīng)力下降50 MPa,改善效果明顯,經(jīng)整車結(jié)構(gòu)耐久路試驗(yàn)證,筋條處完好(如圖4所示)。

        從案例分析到仿真再到加載載荷計(jì)算,直至前減振上定位板結(jié)構(gòu)優(yōu)化,經(jīng)仿真計(jì)算、實(shí)車驗(yàn)證,解決了不同階段的不同問(wèn)題,設(shè)計(jì)出前減振上定位板最優(yōu)結(jié)構(gòu)。實(shí)車驗(yàn)證表面,筋條設(shè)置合理,完成耐久試驗(yàn)后,零件完好,筋條處未出現(xiàn)開裂。改進(jìn)零件筋條結(jié)構(gòu)對(duì)零件受力改善明顯。

        2.3 剛度方面的應(yīng)用及推廣

        以A車架中冷卻液壺安裝支架為例,在B車型中優(yōu)化冷卻液壺支架,同時(shí)提出更改水壺外形結(jié)構(gòu)的建設(shè),以提高支架的模態(tài)、減少振動(dòng)、減少焊點(diǎn)開裂或者降低支架開裂的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)A車存在的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)思路如下。

        (1)收集裝配關(guān)系信息:更改壺的外形結(jié)構(gòu)以及調(diào)整裝配關(guān)系,由插槽結(jié)構(gòu)更換為插槽初定位,同時(shí)連接2顆螺栓。

        (2)盡可能地安裝懸臂短:改變壺體與支架裝配相對(duì)位置,減小轉(zhuǎn)矩。

        (3)確定受力面積:增加受力面積,更改支架結(jié)構(gòu),使支架基礎(chǔ)面大于水壺與支架受力面。A車型支架與輪罩焊接,焊點(diǎn)共3點(diǎn)布置成一條線,受力恰好為豎直方向,對(duì)抵抗左右轉(zhuǎn)彎時(shí)出現(xiàn)的受力很不利。B車型經(jīng)改進(jìn)后,焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)五點(diǎn)焊接,布置有前后方向和左右方向焊點(diǎn),且受力面積增加1倍。

        (4)在原支架的基礎(chǔ)上做細(xì)節(jié)優(yōu)化,改變筋條數(shù)量,如圖5所示規(guī)格。增加筋條數(shù)量,將筋條高度從5 mm調(diào)整到10 mm。

        支架與水壺連接結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,調(diào)整筋條結(jié)構(gòu),增加筋條數(shù)量,不僅提高了模態(tài),而且提高了強(qiáng)度,保證支架可靠耐用。支架高應(yīng)力下降48%,模態(tài)從46 Hz提升到48 Hz。

        3 結(jié)論

        本文以白車身各結(jié)構(gòu)件為研究對(duì)象,以筋條為主導(dǎo),研究其對(duì)碰撞性能、強(qiáng)度、剛度模態(tài)的影響,得到如下結(jié)論。

        (1)筋條在碰撞吸能因數(shù)、筋條的設(shè)置、數(shù)量、長(zhǎng)度、方向等,對(duì)碰撞的影響各不相同。

        (2)筋條在強(qiáng)度方面同樣有一定貢獻(xiàn),能分散應(yīng)力,增加受力面積。

        (3)筋條數(shù)量特征對(duì)剛度、模態(tài)均有影響,貢獻(xiàn)量較大。

        總之,在零件上要合理設(shè)置筋條,其中包括數(shù)量、方向、大小、位置等,筋條設(shè)置不同,其貢獻(xiàn)也各不相同。

        參 考 文 獻(xiàn)

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        [8]陳軍.MSC_ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

        [9]王鈺棟.HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

        [責(zé)任編輯:陳澤琦]

        【作者簡(jiǎn)介】曾蔚,男,江西尋烏人,工程碩士,上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心工程師,從事車體設(shè)計(jì)工作;楊回,男,廣西梧州人,本科,上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心工程師,從事車體設(shè)計(jì)工作;司超群,男,河南南陽(yáng)人,本科,上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心工程師,從事車體設(shè)計(jì)工作。

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