黎樹貞　王占魁

【摘 要】在某全景天窗車型開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，其車身模態(tài)不能滿足企業(yè)模態(tài)目標(biāo)。文章通過優(yōu)化天窗加強(qiáng)框材料、改變側(cè)圍與天窗頂蓋合件的連接結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，改進(jìn)模態(tài)。并且應(yīng)用CAE輔助分析手段進(jìn)行力學(xué)仿真驗(yàn)證，得出各個(gè)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化值。最后進(jìn)行方案的綜合分析，選出我們需要的方案組合，從而節(jié)省了模態(tài)試驗(yàn)費(fèi)用及反復(fù)修改制造的費(fèi)用，縮短了產(chǎn)品投放周期，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】全景天窗；車身模態(tài)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

【中圖分類號(hào)】U463.82 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）01-0045-04

0 前言

隨著技術(shù)的提升及消費(fèi)者對(duì)汽車駕乘體驗(yàn)的關(guān)注度提高，汽車配置天窗在我國(guó)的普及率逐年攀升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)現(xiàn)配置有天窗的車型達(dá)到50%以上。同時(shí)，越來越多的消費(fèi)者希望駕乘時(shí)有一個(gè)開放的環(huán)境去接觸自然、光線和美景，普通天窗已不能滿足消費(fèi)者的需求，大尺寸的全景天窗成為汽車天窗的趨勢(shì)。

一般來說，全景天窗面積較大，甚至是整塊玻璃的車頂，坐在車中可以將車上方的景象一覽無余。它的優(yōu)點(diǎn)如下：①因?yàn)樘齑懊娣e大，相比一般轎車更能保持車內(nèi)空氣清新，迅速除去車內(nèi)異味；②獲得更大的乘坐視野，讓乘客獲得超佳感受；③高速行駛時(shí)，相對(duì)于側(cè)開窗能更有效地降低車內(nèi)噪音；④散熱快，在太陽(yáng)下暴曬后可迅速地降低車內(nèi)溫度[1]。它的缺點(diǎn)如下：①制造成本高；②對(duì)車身要求較高。

由于大尺寸的全景天窗成為汽車天窗的發(fā)展趨勢(shì)，因此全景天窗車型是各大汽車主機(jī)廠當(dāng)前的研究和開發(fā)重點(diǎn)之一。本文旨在研究某全景天窗車型設(shè)計(jì)開發(fā)過程中天窗模態(tài)低問題的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并且應(yīng)用CAE輔助分析手段進(jìn)行力學(xué)仿真驗(yàn)證。

1 背景

配置有天窗的乘用車，其頂蓋總成的結(jié)構(gòu)比無天窗的稍微復(fù)雜；相比無天窗的整車，由于有天窗開口的存在，它會(huì)降低車身模態(tài)，使主振型頻率降低，引起車身共振，產(chǎn)生異響和震動(dòng)，降低用戶的體驗(yàn)感受[2]。因此，在車身改型設(shè)計(jì)中增加天窗時(shí)，要充分考慮天窗處結(jié)構(gòu)對(duì)車身模態(tài)的影響。

某車型根據(jù)整車模態(tài)分配，其天窗版的白車身模態(tài)目標(biāo)值為28 Hz。前期初始設(shè)計(jì)頂蓋總成結(jié)構(gòu)方案如圖1所示：{1}天窗總成通過四周邊16個(gè)螺栓連接在天窗加強(qiáng)框上；{2}天窗加強(qiáng)框與頂蓋通過釬焊連接；{3}天窗加強(qiáng)框與前橫梁通過螺栓和結(jié)構(gòu)膠連接；{4}天窗加強(qiáng)框與側(cè)圍左右各有5段不連續(xù)搭接通過電阻焊點(diǎn)連接，同時(shí)在B柱處有支架螺栓連接。

初始方案經(jīng)過CAE仿真分析發(fā)現(xiàn)，帶天窗總成的白車身模態(tài)為25.8 Hz，結(jié)果如圖2所示。由于不滿足項(xiàng)目制定的目標(biāo)值，所以接下來我們需要研究該區(qū)域結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案來提升模態(tài)值。

2 原因分析

經(jīng)查看和分析天窗版白車身的振動(dòng)模型，我們發(fā)現(xiàn)天窗總成與白車身頂蓋總成的側(cè)面和后部的連接處的振動(dòng)變形較大，對(duì)模態(tài)降低貢獻(xiàn)較大，說明天窗總成與白車身頂蓋總成搭接區(qū)域的剛度設(shè)計(jì)不足。在一定虛擬的激勵(lì)條件下，剛度小會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)變形大，模態(tài)降低。經(jīng)分析初始的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)5個(gè)可能導(dǎo)致模態(tài)不足的原因：{1}天窗加強(qiáng)框自身強(qiáng)度不足；{2}天窗總成與頂蓋總成的側(cè)面和后部連接點(diǎn)太少；{3}側(cè)圍總成與頂蓋總成連接強(qiáng)度不足；{4}側(cè)圍總成上邊梁腔體自身強(qiáng)度不足；{5}頂蓋總成內(nèi)的加強(qiáng)框與頂蓋外板連接強(qiáng)度不足。

3 解決方案的制訂和驗(yàn)證

根據(jù)以上分析的5個(gè)可能導(dǎo)致模態(tài)不足的原因，我們從以下幾個(gè)方面對(duì)頂蓋總成進(jìn)行模態(tài)提升的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

方案一：天窗加強(qiáng)框料厚由1.2 mm增加到1.5 mm。經(jīng)過對(duì)比其他車型的天窗加強(qiáng)框料厚，我們發(fā)現(xiàn)目前本款車型的料厚賦予是最薄，因此將天窗加強(qiáng)框料厚由1.2 mm增加到1.5 mm，并進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果如圖3所示，此方案提升模態(tài)1 Hz，達(dá)到26.8 Hz。

方案二：天窗左、右兩側(cè)各增加3個(gè)天窗總成與頂蓋總成的安裝點(diǎn)，天窗加強(qiáng)框與頂蓋增加結(jié)構(gòu)膠連接。原設(shè)計(jì)天窗加強(qiáng)框與頂蓋在頂蓋翻邊處通過釬焊連接，截面如圖4所示。由截面可知，從釬焊處到與側(cè)圍搭接點(diǎn)焊的距離為105 mm，中間沒有連接，力矩太長(zhǎng)，導(dǎo)致整體模態(tài)較低。因此，此方案在更改不了力矩長(zhǎng)度的前提下，將105 mm中間區(qū)域天窗加強(qiáng)框往上貼合，增加結(jié)構(gòu)膠與頂蓋的連接，使力矩縮短。通過計(jì)算，該措施可以提升模態(tài)0.6 Hz。

方案三：天窗尾部增加0.8 mm連接板和3個(gè)螺栓。如圖5所示，通過觀察振動(dòng)模型顯示，天窗總成后部變形較大，說明此處的連接剛度不足，因此在后部通過增加連接板并且通過3個(gè)螺栓與天窗加強(qiáng)框連接，加強(qiáng)天窗總成與天窗加強(qiáng)框的連接。計(jì)算結(jié)果表明，此方案可以提升模態(tài)1.3 Hz，提升幅度較大，說明這個(gè)方案的思路是正確的，連接板能有效地改善天窗總成與天窗加強(qiáng)版連接處變形較大的問題，提升模態(tài)值。

方案四：上邊梁加強(qiáng)板延長(zhǎng)，天窗加強(qiáng)框涂結(jié)構(gòu)膠。天窗加強(qiáng)框與側(cè)圍的搭接方式為左右各5段不連續(xù)搭接的邊，通過電阻焊點(diǎn)連接（如圖6所示）。不連續(xù)搭接導(dǎo)致側(cè)圍對(duì)整個(gè)天窗框的支撐較弱，對(duì)整體模態(tài)不利。因此，在Y向延長(zhǎng)上邊梁加強(qiáng)板到天窗加強(qiáng)框處，并通過結(jié)構(gòu)膠與天窗加強(qiáng)框連接（由于制造策略限制，不能打點(diǎn)焊，因此涂結(jié)構(gòu)膠連接）。該方案模態(tài)提升1 Hz。

方案五：上邊梁內(nèi)板延長(zhǎng)，加大腔體尺寸。由于腔體的截面尺寸也會(huì)影響整車的模態(tài)，因此這個(gè)措施在方案四的基礎(chǔ)上通過上邊梁內(nèi)板延伸到與天窗加強(qiáng)框連接，加大腔體尺寸進(jìn)行模態(tài)提升。具體結(jié)構(gòu)如圖7所示，該方案模態(tài)提升1 Hz。

方案六：天窗左、右兩側(cè)各增加3個(gè)天窗總成與頂蓋總成的安裝點(diǎn)。通過觀察振動(dòng)模型顯示，天窗總成側(cè)面和后部變形較大，說明此處的連接剛度不足，因此在兩側(cè)各增加3個(gè)天窗總成與頂蓋總成的安裝點(diǎn)，加強(qiáng)天窗總成與天窗加強(qiáng)框的連接（如圖8所示）。計(jì)算結(jié)果表明，此方案可以提升模態(tài)0.7 Hz。

各方案綜合對(duì)比分析：根據(jù)對(duì)以上幾個(gè)解決方案的分析和驗(yàn)證可知，這些優(yōu)化方案都可以不同程度地提升模態(tài)，總計(jì)提升量為1+0.6+1.3+1+1+0.7=5.6 Hz。前文已經(jīng)提到我們的目標(biāo)是從25.8 Hz提升到28 Hz，目標(biāo)提升量為2.2 Hz，根據(jù)工程分析每個(gè)方案的實(shí)施代價(jià)也是不同的，全部實(shí)施會(huì)造成設(shè)計(jì)浪費(fèi)，就此對(duì)幾個(gè)方案進(jìn)行綜合對(duì)比分析，選取我們需要的組合，剩下的方案作為設(shè)計(jì)方案積累。

經(jīng)過表1的對(duì)比分析，我們可以清晰地看到各個(gè)方案的優(yōu)、缺點(diǎn)，最終選擇方案1、2、6的更改作為最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，車身最終模態(tài)為25.8+1+0.6+0.7=28.1 Hz，達(dá)到項(xiàng)目目標(biāo)。

4 結(jié)論

在天窗版車型設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，由于天窗開口的影響，初期經(jīng)常會(huì)遇到模態(tài)、剛度、強(qiáng)度等達(dá)不到設(shè)計(jì)目標(biāo)的情況。我們首先基于初始模型計(jì)算可以找到問題點(diǎn)，針對(duì)相應(yīng)問題提出多種優(yōu)化方案，然后借助日益精準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)輔助分析，驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，最后進(jìn)行各個(gè)方案的綜合分析，選出我們需要的方案組合，這中間節(jié)省了模態(tài)試驗(yàn)費(fèi)用和反復(fù)修改制造的費(fèi)用，縮短了產(chǎn)品投放周期，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]池強(qiáng)，張建勛，付繼飛.電弧螺柱焊技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].工藝和新技術(shù)，2003（6）.

[2]陳永新，譚繼錦.轎車白車身模態(tài)試驗(yàn)研究[J].汽車

技術(shù)，2007（11）.

[3]谷賀雄，竇海波.某SUV車型全景天窗車身的驗(yàn)證分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015（8）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]