某全景天窗車身扭轉(zhuǎn)剛度的分析與改進(jìn)

孫靜瑤，武金科，張雷,高鳳武

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車企業(yè)對產(chǎn)品配置不斷提升，全景天窗使前后座位乘客都有天窗的感受，甚至是整塊玻璃的車頂，坐在車中可以一覽無余沿途風(fēng)景。全景天窗超大視野的享受，受到了眾多消費(fèi)者的青睞[1-2]。

采用全景天窗的汽車車身，頂蓋天窗開口面積擴(kuò)大到2/3以上，并取消了頂蓋中間橫梁(B環(huán))，削弱了車身整體剛度，同時(shí)當(dāng)頂蓋天窗口扭轉(zhuǎn)位移量超出全景天窗玻璃的扭轉(zhuǎn)界限時(shí)玻璃會破碎，因此在增加全景天窗配置時(shí)，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足車身剛度和全景天窗要求。

評估全景天窗結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法有：車身模態(tài)優(yōu)化方案、頂蓋剛度優(yōu)化方案等[3-5]。作者根據(jù)全景天窗扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)要求，通過分析車身扭轉(zhuǎn)剛度定量評估天窗口變形量，完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化，縮短產(chǎn)品后期整改周期，減少產(chǎn)品上市風(fēng)險(xiǎn)。

1 車身結(jié)構(gòu)有限元模型建立

1.1 白車身有限元模型劃分

根據(jù)某SUV的車身CAD模型，采用HyperMesh軟件對各零部件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，采用fastener定義焊點(diǎn)模型，建立得到該SUV白車身有限元模型，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)(nodes)772 082，2D單元中(Tria3)30 364個(gè)，焊接單元4 505個(gè)。白車身單元?jiǎng)澐中畔⑷绫?所示。

表1 白車身單元?jiǎng)澐中畔⒈?/p>

1.2 扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件及載荷確定

為避免車身超靜定，計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，對車身模型做如下約束：前端約束Z向平動，左后減震器位置約束X、Y、Z平動，右后減震器位置約束X、Z平動；在左、右前減震器位置分別施加大小相等、方向相反的2 600 N垂直方向載荷，其分析模型如圖1所示。

圖1 扭轉(zhuǎn)剛度的邊界條件

將分析模型導(dǎo)入ABAQUS軟件的非線性模塊進(jìn)行剛度計(jì)算分析，得到該車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。

1.3 車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)

為分析全景天窗結(jié)構(gòu)的頂蓋對車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響，將設(shè)計(jì)全景天窗的車身扭轉(zhuǎn)剛度A與未配置天窗的車身扭轉(zhuǎn)剛度B分別進(jìn)行了仿真及試驗(yàn)分析，其仿真與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比

由表2可知：車A與車B的仿真與試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)剛度比值分別為0.492、0.484，扭轉(zhuǎn)剛度比值基本一致，試驗(yàn)結(jié)果略大于仿真值。增加汽車全景天窗會使汽車的車身剛度降低約50%。從測試的結(jié)果對比分析，有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果誤差均在6%以內(nèi)，仿真模型可以考察車身行駛扭轉(zhuǎn)變形。

2 天窗口變形量及模態(tài)分析

為分析天窗口變形量，同時(shí)兼顧計(jì)算效率，在車身天窗邊框含角點(diǎn)選定14個(gè)測點(diǎn)，其中單側(cè)X向布置5個(gè)點(diǎn)，Y向布置4個(gè)點(diǎn)，如圖2所示：測點(diǎn)1、5、9、11為角點(diǎn)，輸出三向位移；其他為非角點(diǎn)，輸出垂向位移。

圖2 天窗頂蓋測點(diǎn)示意圖

變形量計(jì)算方法定義如下：選取天窗邊框1、5、9、11四角點(diǎn)三向相對于靜止?fàn)顟B(tài)的位移量，作為點(diǎn)A、B、C、D的坐標(biāo)值，分別計(jì)算點(diǎn)A、B、C、D相對于其他三點(diǎn)所確定平面的距離lA、lB、lC、lD；如圖3：lA為點(diǎn)A到其他三點(diǎn)(B、C、D)所確定平面距離，lB、lC、lD同理。

圖3 變形量計(jì)算方法

計(jì)算距離的最大值:

lM=max(lA,lB,lC,lD)

用以判斷此時(shí)玻璃變形量大小，lM等于0時(shí)，A、B、C、D四點(diǎn)在同一平面上，玻璃僅有空間位移，無變形；lM越大，表明玻璃扭曲變形越嚴(yán)重。

通過扭曲路路面仿真模擬分析得到天窗和非天窗垂向位移數(shù)據(jù)對比曲線，如圖4所示。

圖4 測量點(diǎn)變形量

從數(shù)據(jù)仿真對比分析，窗框變形增大，頂蓋Z向位移也增大，非天窗版最大變形量3.4 mm，全景天窗車型玻璃窗框最大變形量為4.29 mm，全景天窗車身窗框變形量不滿足玻璃廠家設(shè)計(jì)允許值。

3 白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 車身結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)過對初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形的分布，查找影響窗框變形的主要因素：(1)A環(huán)上部區(qū)域、頂蓋前橫梁與側(cè)圍搭接區(qū)域接頭剛度不足；(2)C環(huán)與D環(huán)上部區(qū)域剛度不足；(3)側(cè)圍、地板門檻梁區(qū)域剛度不足。

3.2 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果，制定如下優(yōu)化方案：

優(yōu)化一：(1)頂蓋前橫梁總成修改為盒狀斷面，增加頂蓋前橫梁上板，增大截面面積；(2)在側(cè)圍與頂蓋前橫梁下板中部區(qū)域增加兩個(gè)螺栓連接(左右對稱)，優(yōu)化孔洞大小及位置，增強(qiáng)側(cè)圍與頂蓋前橫梁的連接剛度(見表3)。

表3 前橫梁優(yōu)化方案

優(yōu)化二：基于提升扭轉(zhuǎn)剛度的目的，對D、C環(huán)車身部件進(jìn)行厚度靈敏度優(yōu)化，通過增加D、C環(huán)關(guān)鍵部件的厚度提升扭轉(zhuǎn)剛度，如表4所示。

表4 D、C環(huán)料厚優(yōu)化方案

優(yōu)化三：A、B柱加強(qiáng)板改為熱成型材質(zhì)，側(cè)圍地板縱梁采用高強(qiáng)度滾壓型材，提升側(cè)圍、地板剛度。

3.3 優(yōu)化后分析結(jié)果

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后模型進(jìn)行虛擬場仿真，根據(jù)天窗邊框四角點(diǎn)三向位移，計(jì)算扭曲路各時(shí)刻頂蓋窗框變形量。優(yōu)化后分析結(jié)果如表5所示。

此分析結(jié)果可以滿足設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)，對白車身模態(tài)進(jìn)行分析，前部扭轉(zhuǎn)振型、后部扭轉(zhuǎn)振型分別為30.84、39.25 Hz，滿足車身目標(biāo)值要求。

4 結(jié)論

通過對白車身剛度、天窗框變形量的分析，得到如下結(jié)論：

(1)全景天窗會使汽車的扭轉(zhuǎn)剛度下降，在正弦路扭曲工況下天窗開口變形量最大，車身扭轉(zhuǎn)剛度是考評全景天窗的重要指標(biāo)；

(2)通過修改頂蓋前橫梁為閉口截面，增大截面面積，修改部分零部件料厚等措施，將車身扭轉(zhuǎn)剛度提升到某一數(shù)值，可滿足全景天窗的使用要求；

(3)該方法為后續(xù)車型的開發(fā)和改進(jìn)提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn):

[1]周瑛瑛.固定式全景天窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].汽車與配件，2017(14):83-85.

[2]谷賀熊,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):69-70.

GU H X,DOU H B.The Validation Analysis of Panoramic Sunroof Body[J].Automobile Applied Technology,2015(8):69-70.

[3]段月磊.轎車車身剛度有限元分析及優(yōu)化[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[4]劉善英,付靜,張瑞俊,等.某S U V 車型全景天窗頂蓋總成的設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2017(2):55-57.

[5]黎樹貞,王占魁.某全景天窗車型設(shè)計(jì)過程中的車身模態(tài)提升優(yōu)化方案[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2017(1):45-48.