基于仿真分析的汽車前輪罩性能改進

王立鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

隨著汽車行業(yè)競爭不斷加劇和消費者要求的不斷提升，國內(nèi)汽車企業(yè)對車輛安全性、操縱駕駛性和疲勞耐久性也越來越重視。車身作為整車零部件的載體，其性能直接決定整車的各項性能指標(biāo)，而車身重要安裝點結(jié)構(gòu)性能則是設(shè)計的重中之重。車身前輪罩結(jié)構(gòu)上布置底盤前懸架的安裝點，是外部載荷的輸入點，輪罩安裝點剛度和強度是重點關(guān)注性能，直接影響整車 NVH性、操縱性和疲勞耐久性。前輪罩安裝點結(jié)構(gòu)直接承受前懸傳遞的載荷，在汽車行駛過程中承受各種工況的路面載荷，若無法有效的將應(yīng)力分散，輪罩結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，如圖1所示，嚴(yán)重影響整車的品質(zhì)[1]。

圖1 前輪罩安裝點開裂

本文以某車型前輪罩結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，針對前期仿真分析局部應(yīng)力過大的問題，結(jié)合膜形板件設(shè)計理論，提出最大化板件面內(nèi)載荷的方案，在不增加成本的前提下優(yōu)化板件形狀，最終仿真分析結(jié)果驗證了方案的有效性，最大應(yīng)力大幅度降低，局部剛度性能有效增加。

1 膜形板件設(shè)計理論

針對車身上板件設(shè)計，根據(jù)承受的載荷分為面內(nèi)承載的板件和法向承載的板件。對于承受彎曲變形的板件，在板件厚度方向應(yīng)力分布是線性分布，中性面上應(yīng)力為零，距離中性面較近的材料并未充分起到承載的作用，板件的厚度較低，因此板的彎曲剛度一般較低。如果設(shè)計板件承受膜載荷，僅承受拉伸載荷，不承受彎曲載荷，板件厚度方向上將均勻承受載荷，材料有效利用率最大。

圖2 前輪罩加載膜狀板件設(shè)計

考慮剛性圓環(huán)加載膜狀結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示為原始形狀，薄膜承受彎曲和拉伸混合載荷，按照如圖所示加載后薄膜形狀變?yōu)槿鐖D2（b）所示，此時板件只承受面內(nèi)拉伸載荷，加載點剛度也大大提升[2-3]。

2 車身前輪罩性能評估

2.1 白車身強度模型建立

為了充分評估白車身結(jié)構(gòu)的強度性能，建立了該車型白車身強度分析有限元模型，并使用NASTRAN求解器對強度性能進行分析，從而在設(shè)計前期有效評估結(jié)構(gòu)的可靠性，前輪罩區(qū)域有限元分析模型如圖3所示。

圖3 白車身強度分析模型

2.2 輪罩結(jié)構(gòu)局部性能分析

對白車身進行不同工況的強度性能分析，在垂直3g工況中，輪罩上部安裝點區(qū)域應(yīng)力較大，如圖4所示。前輪罩安裝板材料為低合金高強鋼B410LA，屈服強度在410MPa左右，板件厚度為2.5mm。仿真分析中前輪罩安裝板最大應(yīng)力達到500MPa，遠遠大于材料的屈服強度，不滿足設(shè)計要求，后期開裂風(fēng)險較大。

圖4 前輪罩結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

同時對輪罩上部安裝點剛度進行了分析，輪罩結(jié)構(gòu)位移云圖如圖5所示，安裝點中心最大變形量為0.746mm，根據(jù)加載力計算得到局部剛度為17292N/mm，局部剛度偏低。

3 方案改進分析及驗證

3.1 改進方案分析

前輪罩在整車垂直 3g強度分析工況中，最大應(yīng)力為500Mpa，大大超過材料的屈服強度，板件開裂風(fēng)險較大。由圖 4所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在右安裝孔區(qū)域，分析確定應(yīng)力較大的主要原因是右安裝點處安裝平面較大，板件承受較大的法向載荷，板件發(fā)生較大的彎曲變形導(dǎo)致應(yīng)力過大。按照膜形板件設(shè)計理論，提高板件的承載能力，盡量將法向彎曲變形轉(zhuǎn)換為面內(nèi)切向承載，按照圖2（b）形式，確保安裝點安裝空間的前提下，將上部區(qū)域盡量往內(nèi)收縮，將承受彎曲變形的板件轉(zhuǎn)化為承受拉伸載荷，提高材料的利用率，從而提高局部剛度，降低最大應(yīng)力，輪罩上部結(jié)構(gòu)對比如圖6所示。

圖6 前輪罩結(jié)構(gòu)改進前后對比

3.2 仿真分析驗證

為了驗證改進方案的有效性，將改進方案集成到整體白車身模型中進行強度分析驗證，分析結(jié)果如圖7和8所示，改進前后前輪罩性能對比如表1所示。

圖7 前輪罩改進后結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖8 前輪罩改進后結(jié)構(gòu)位移云圖

表1 改進前后結(jié)果對比

由表1可以看出，輪罩上部結(jié)構(gòu)改進后，保證成本不變的前提下，最大應(yīng)力降低 52.2%，局部剛度提升 56.7%，性能得到大幅度提升。

4 結(jié)論

（1）前輪罩結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分利用膜形板件設(shè)計理論，合理設(shè)計形狀確保板件面內(nèi)承載，不增加任何成本的條件下大大提高結(jié)構(gòu)的局部剛度和強度性能。

（2）仿真分析在設(shè)計前期能夠充分識別出前輪罩的剛度和強度性能，快速完成不同方案性能評估，大大提高設(shè)計效率。

參考文獻

[1] 宗輝,徐辰強,王剛,等.某SUV輪罩開裂問題的分析及設(shè)計改進[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2015(6)∶73-76.

[2] KatoT,HoshiK,UmemuraE.Application of Soap Film Geometry for Low Noise Floor Panels[J].SAE 1999-01-1799.

[3] Donald E.Malen. Fundamentals ofAutomobile BodyStructure Design[M]. Warren dale∶SAE International,2011.