張露平，單長洲

（江淮汽車股份公司技術(shù)中心車身設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230601）

基于某重卡駕駛室的玻璃鋼頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張露平，單長洲

（江淮汽車股份公司技術(shù)中心車身設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230601）

文章通過對某種重卡駕駛室玻璃鋼頂蓋的結(jié)構(gòu)方案描述，經(jīng)過CAE強(qiáng)度分析和頂壓試驗(yàn)雙重驗(yàn)證，證明可以提供一種滿足變動(dòng)變型產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的玻璃鋼頂蓋結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在成本、工藝、周期、強(qiáng)度以及工藝性能這些方面，都存在優(yōu)勢。

玻璃鋼頂蓋；CAE分析；頂壓試驗(yàn)

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.042

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-132-04

前言

重卡窄體產(chǎn)品是重卡銷量的重要組成部分，為了拓展市場，只有及時(shí)推陳出新，不斷豐富產(chǎn)品力，開發(fā)出周期短且投入小的產(chǎn)品品種，才能提升產(chǎn)品的競爭力，實(shí)現(xiàn)投資價(jià)值最大化。為了較快的開發(fā)出新的重卡窄體駕駛室，在現(xiàn)有產(chǎn)品的平臺(tái)上，進(jìn)行二次變動(dòng)變型開發(fā)，改變駕駛室造型，以豐富重卡窄體車型的產(chǎn)品力。

本文通過對某種重卡駕駛室玻璃鋼頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明，以及理論和實(shí)際驗(yàn)證，證明可以提供一種投入少、周期短、強(qiáng)度好且造型美觀，符合變動(dòng)變型產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的玻璃鋼頂蓋結(jié)構(gòu)。

1、玻璃鋼（FRP）頂蓋方案說明

表1 玻璃鋼材料主要特性

為了開發(fā)一種成本低，周期短，強(qiáng)度滿足法規(guī)要求的頂蓋結(jié)構(gòu)，擬采用玻璃鋼頂蓋。玻璃鋼（FRP）學(xué)名玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Fiber Reinforced Plastic），是由玻璃纖維氈、玻璃纖維物與合成樹脂復(fù)合而成的一種非金屬材料，是以塑代鋼的理想加工材料，主要特性如下表1所示：

根據(jù)玻璃鋼材料的上述性能，頂蓋總成采用外板加骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如下圖1所示，具體設(shè)計(jì)過程見下文。

1.1 頂蓋總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 頂蓋外板設(shè)計(jì)

頂蓋外板材料為FRP，料厚為3.5mm，結(jié)構(gòu)如下圖2所示，頂蓋上表面有凸起的條形筋，在X方向上貫穿前后，每條筋寬150mm，側(cè)壁也有凸起的筋，使頂蓋造型更加有立體感；在示廓燈、氣喇叭、遮陽罩、導(dǎo)流罩的安裝位置，做凸起的平臺(tái)特征，以保證安裝面貼合。整個(gè)頂蓋為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，無需分塊，采用手糊法成型，生產(chǎn)工藝簡單，模具為樹脂模，成本低。

頂蓋外板的設(shè)計(jì)性能要滿足以下要求：

氣喇叭、示廓燈、遮陽罩、導(dǎo)流罩的安裝要求；

外觀要求：造型美觀，產(chǎn)品表面應(yīng)光潔平整，無裂紋、氣泡、固化不良等缺陷，弧面或圓角過渡流暢，無折光現(xiàn)象，顏色一致；產(chǎn)品邊緣整齊，弧面過渡流暢，邊厚均勻，切割面無分層、毛刺；氈面(或背面)平整，無缺損、毛刺、固化不良等缺陷；

沖擊韌性大于50kJ/㎡；彎曲強(qiáng)度大于120MPa；彎曲彈性模量大于5000MPa；巴氏硬度大于35ba；熱變形溫度大于95℃。

1.1.2 頂蓋骨架設(shè)計(jì)

骨架結(jié)構(gòu)根據(jù)頂蓋外板設(shè)計(jì)，如下圖3所示：由矩形管和L型板拼焊成“井”字型結(jié)構(gòu)，通過L型板預(yù)埋到頂蓋外板上，尺寸依據(jù)頂蓋尺寸設(shè)定，前后兩根矩形管間距550mm，左右兩根矩形管間距870mm，材料均為Q235，料厚為2.0mm，矩形管的尺寸有20×40、20×50兩種。骨架直接使用型材，只需要開一副焊接定位模具，縮短了開發(fā)時(shí)間。

頂蓋骨架的設(shè)計(jì)要滿足與頂蓋外板、與側(cè)后圍以及頂內(nèi)飾的安裝需求；直角邊進(jìn)行圓角處理，拼焊處無焊穿、假焊、裂紋等焊接缺陷；要有足夠的強(qiáng)度，與頂蓋一起安裝在車身上后，按GB26512中頂壓要求進(jìn)行試驗(yàn)，不能被壓潰，使乘員有生存空間。

1.2 連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

白車身的地板、側(cè)后圍、前圍等幾部分之間都是焊接在一起，而玻璃鋼（FRP）是一種非金屬材料，與其他部分無法焊接。所以頂蓋外板與側(cè)、后圍通過流水槽打膠實(shí)現(xiàn)連接，頂蓋骨架則是通過螺栓連接到其他結(jié)構(gòu)上。

1.2.1 頂蓋與側(cè)圍的連接

頂蓋外板直接卡進(jìn)側(cè)圍流水槽內(nèi)，斷面如下圖5a所示，從內(nèi)部打聚氨酯膠，起密封和連接的作用；左右側(cè)圍流水槽結(jié)構(gòu)對稱，分前、后兩段，兩段同時(shí)與側(cè)圍外板焊接為一個(gè)總成，如下圖5b所示；兩端流水槽之間，通過型面特征定位，搭接處X向保留2mm可調(diào)整的間隙，Y向保留1mm間隙，如下圖5c所示；流水槽的材料為SPCC，料厚為0.8mm，結(jié)構(gòu)斷面圖如下圖5d所示。

1.2.2 頂蓋與后圍的連接

頂蓋與后圍的連接方式類似側(cè)圍，如下圖6a所示；流水槽為整段結(jié)構(gòu)，整段通過輥壓、拉彎成型；材料與側(cè)圍相同，結(jié)構(gòu)要匹配后圍外板，斷面如下圖6c所示，側(cè)后圍的流水槽都帶有翻邊結(jié)構(gòu)，防止在裝配過程中劃傷工人。

1.2.3 骨架與側(cè)后圍的連接

頂蓋骨架與側(cè)后圍搭接結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，可以使頂蓋所受的壓力傳遞到側(cè)后圍上，根據(jù)頂蓋骨架以及側(cè)后圍的鈑金結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)連接方式為螺栓連接，安裝方便，連接處的結(jié)構(gòu)斷面如下圖7所示：

2、玻璃鋼頂蓋的特點(diǎn)

玻璃鋼頂蓋結(jié)構(gòu)，主要開發(fā)件為兩部分，頂蓋外板與頂蓋骨架，且頂蓋總成與其他結(jié)構(gòu)通過螺栓連接，不需要對基礎(chǔ)車型生產(chǎn)線進(jìn)行改造，這種結(jié)構(gòu)的頂主要具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）投入成本低：整個(gè)頂蓋投入的模具費(fèi)用僅需12萬元，具體如下表2所示：

表2 玻璃鋼頂開發(fā)成本

2）開發(fā)周期短：從數(shù)據(jù)確定到樣件驗(yàn)證，共需要40天，模具為樹脂模，模具制作時(shí)間僅需15天；

表3 玻璃鋼頂工藝流程圖

3）可設(shè)計(jì)性好：可以根據(jù)駕駛室整體造型的需要，靈活的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，大尺寸產(chǎn)品可整體成型，不會(huì)出現(xiàn)鈑金頂中需要分塊和無法成型的問題；

4）生產(chǎn)工藝簡單：頂蓋通過手糊法成型，骨架用型材直接焊接，整個(gè)頂蓋總成的生產(chǎn)工藝流程如下表3所示。

3、頂壓CAE分析驗(yàn)證

為了驗(yàn)證玻璃鋼頂蓋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，進(jìn)行頂壓CAE仿真分析：首先建立有限元分析模型，駕駛室頂部用一剛性平面沿-Z向以恒定1m/s（準(zhǔn)靜態(tài)）速度垂直下壓，當(dāng)駕駛室頂部承受作用力達(dá)到要求的52KN（設(shè)計(jì)前軸載荷5.3t）時(shí)，考察乘員的頭部生存空間；分析結(jié)果如下所示，當(dāng)頂部作用力達(dá)到52KN時(shí)，頂部變形下壓量為56.5mm，假人頭部距離頂蓋內(nèi)板389.8mm，還有很大的生存空間。

4、頂壓試驗(yàn)驗(yàn)證

上述過程中用到的CAE分析手段，只是一種理論依據(jù)，實(shí)物必須要通過真實(shí)有效的試驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品才能被消費(fèi)者更好地信任。所以根據(jù)《GB 26512-2011商用車駕駛室乘員保護(hù)》要求，對駕駛室進(jìn)行頂壓試驗(yàn)，以此來檢驗(yàn)玻璃鋼頂蓋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

頂壓試驗(yàn)主要模擬翻車時(shí)，駕駛室頂部受到擠壓的情況。

試驗(yàn)要求：測量假人與頂內(nèi)飾的初始頭部空間，然后對駕駛室頂部施加59KN的壓力（按前軸載荷6t）后，測量假人頭部生存空間，試驗(yàn)如下圖10所示：

按要求試驗(yàn)后，測得具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表4所示：

表4 頂壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

觀察試驗(yàn)結(jié)果：假人頭部存在很大的生存空間。與理論CAE分析有所不同的是，試驗(yàn)加載59KN的力，比理論分析的52.5KN更大，理論分析模型使用的是白車身，試驗(yàn)使用的是駕駛室，更接近實(shí)際使用狀態(tài)。通過CAE和試驗(yàn)雙重驗(yàn)證，頂蓋強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

5、結(jié)論

本文主要論述了一種基于重卡駕駛室的玻璃鋼頂蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，該結(jié)構(gòu)主要有以下特點(diǎn)：

（1）玻璃鋼結(jié)構(gòu)的模具費(fèi)用低，大大降低了投入成本；

（2）開發(fā)周期短，數(shù)據(jù)下發(fā)到提供樣件，僅需要40天；

（3）工藝簡單，且產(chǎn)品的造型可設(shè)計(jì)性靈活，外板通過手糊法成型，成型性好；

（4）骨架拼焊而成，制作工藝簡單，頂蓋總成通過打膠及螺栓進(jìn)行連接，相對于焊接，更易操作；

（5）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好，通過CAE分析及頂壓試驗(yàn)，玻璃鋼頂蓋的白車身的使用安全性也得到了很好的驗(yàn)證。

所以，對于二次開發(fā)的一些變動(dòng)變型產(chǎn)品，在周期及成本的壓力下，玻璃鋼結(jié)構(gòu)的頂蓋，是一種較為合適的選擇。

[1] 劉波.玻璃鋼在汽車上的應(yīng)用及發(fā)展.橡膠資源利用.2007.

[2] 王忠校,郭茂林.車身產(chǎn)品開發(fā)過程中的CAE分析的應(yīng)用.汽車工程.2007.

Design of FRP Roof structure based on a heavy truck cab

Zhang Luping, Shan Changzhou
( AnHui JiangHuai AutoMobile CO., LTD technology center Body Design Institute, Anhui Hefei 230601 )

This article through to some heavy card bridge FRP roof structure scheme described, double top pressure intensity of CAE analysis and test, that can provide a FRP roof structure that could satisfy the requirement of variant product design changes. This kind of structure in cost, process, cycle, strength and performance of these aspects, there are advantages.

FRP Roof; CAE Analysis; Top pressure test

U467.3

A

1671-7988(2016)10-132-04

張露平，（1989.5-)，女，工程師，就職于江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心?，F(xiàn)從事車身設(shè)計(jì)工作。