基于局部剛度性能的乘用車地板結構優化

劉景民 羅培鋒 鐘建強

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院）

隨著汽車保有量的增加，顧客對乘用車舒適性、安全性及燃油經濟性的要求越來越高。地板作為車身結構的重要組成部分，其局部結構及剛度性能對以上3 種性能都有極其重要的影響。文章以理論為基礎，CAE 分析為手段，并在實車上進行驗證，在不增加質量和成本的前提下，優化地板結構，使得地板局部剛度進一步提升，改善了汽車的NVH 性能，提高了乘員的乘坐舒適性，增強了整車的碰撞安全性能。

1 剛度理論[1]

1.1 剛度的概念

汽車零件的剛度是指零件在受力時抵抗彈性變形的能力，是零件發生彈性變形難易程度的表征。在宏觀彈性范圍內，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數，即引起單位位移所需的力。剛度可分為靜剛度（如圖1 所示）、抗彎剛度、抗扭剛度、動剛度4 種類型。

圖1 汽車鈑金件的靜剛度示意圖

1）靜剛度（k/（N/m））計算，如式（1）所示。

式中：F——靜載荷，N；

σ——靜載荷下物體發生的變形量，m。

2）抗彎剛度（EIZ）計算，如式（2）所示。

式中：E——材料彈性模量，鋼材的E 在190～220 GPa；

IZ——橫截面對中性軸的慣性矩，對于尺寸固定的截面，IZ大小是固定的，m4；

M——彎矩，N·m；

ρ-1——軸線變形后的曲率；

b，h——矩形的寬、高，m；

D，d——圓柱的外、內直徑，m。

3）抗扭剛度（GIP）計算，如式（5）所示。

式中：G——材料的切邊模量，鋼材的G 約為80 GPa；

IP——截面極慣性矩，對于尺寸固定的截面，IP的大小是固定的，m4；

T——截面上的扭矩，N·m；

L——2 個截面間的距離，m；

φ——2 個截面之間的相對轉角，rad。

4）動剛度（KD/（N/m））。動剛度與靜剛度在衡量方式上有所差別，通常情況下，靜剛度用單位力的變形量來衡量，而動剛度則是用結構的固有頻率來衡量，假定f1為激振頻率，f2為結構固有頻率，二者之間有如下關系：a.當f1＞＞f2時，結構變形較小，動剛度較大；b.當f1＜＜f2時，動剛度與靜剛度基本相同；c.當f1≈f2時，共振，動剛度最小。

1.2 影響車身零部件剛度的因素[2]

對于乘用車車身而言，影響其剛度的因素主要有4 項。

1）零件料厚：在同種材料、相同結構、相同截面的情況下，板材的厚度是影響剛度的重要因素，料厚越厚，剛度越好；

2）彈性模量：從式（2）～式（4）中不難看出，材料的彈性模量對剛度的影響較大，同種材料的彈性模量差異較小，不同材料的彈性模量差異卻很大；

3）截面形狀：對于同一個零件，尤其是面積較大者，不同區域的不同截面形狀，剛度差異性很大，不同位置要因地制宜，根據不同的受力形式采用不用的截面形狀；

4）框架結構：對于整個白車身框架而言，框架結構影響整車的彎扭剛度以及安裝點的動剛度，加強梁的布置形式、布置位置及布置數量，都在很大程度上影響著整個白車身的剛度。

另外，各種鋼材的彈性模量大致相同，所以為提高彎曲剛度而采用高強度鋼板，并不會達到預期的效果。

1.3 提升車身零部件剛度的方法

提高靜剛度的本質就是零件在受到相同大小載荷的情況下，減小零件的變形量，根據剛度的影響因素，可以從5 個方面開展工作。

1）增加零部件的厚度。增加料厚的本質是增加式（2）中IZ和式（6）中的h，進而提升零部件自身剛度。

2）優化加強筋布置。優化加強筋的布置有2 種方法：一是改變加強筋的尺寸，包括寬度（b1，b2）和高度（h1，h2），如圖2 所示，b1＜b2，h1＜h2，本質與增加料厚相似，同樣是增加IZ和IP中的b 和h；二是改變加強筋的形狀，將分散開的加強筋進行連接，保證平面上布置了橫向筋+縱向筋，目的是將局部受到的力傳遞到各個方向，使平面受力均勻，避免局部受力較大，產生過大變形，進而達到提升剛度的目的。

圖2 鈑金件加強筋截面尺寸改變示意圖

3）選用彈性模量更高的材料。彈性模量越高，零件的剛度越高，但是同一種材料的彈性模量幾乎是一致的，所以要想提高彈性模量，需要更改材料。

4）框架結構優化。以地板面板為例，尤其對于MPV車型，應盡量使橫梁的布置位置靠近腳踩區域，這樣做的本質是為了縮小跨度，減小變形量。

5）安裝點布置及結構優化。主要針對動剛度的提升，安裝點盡量布置在加強梁上或者距離加強梁較近的位置，其本質也是縮小跨度，減小變形量。

2 地板剛度分析有限元模型建立

2.1 有限元模型建立

車身地板剛度計算仿真有限元模型的前處理在HyperMesh 中完成，利用Nastran 進行仿真求解。地板剛度有限元模型，如圖3 所示。

圖3 乘用車地板的有限元仿真模型示意圖

2.2 有限元仿真邊界條件設置[3]

按照剛度分析的相關企業標準，模擬MPV 車型第2 排地板在極端工況下乘客腳踩位置的剛度。仿真模型截取第2 排地板中部及外側乘坐位置，約束截取邊界，采用抗凹分析用剛性加載塊，法向加載980 N，加載區域為X 向290 mm、Y 向100 mm 的矩形區域，如圖4 所示。

3 地板剛度仿真結果分析

3.1 優化前后的地板結構對比

優化前的地板面板加強筋布置相對分散，多條加強筋沒有形成整體。優化后的加強筋布置將原來斷開的筋連接起來，使得多條加強筋形成一個整體。地板面板加強筋優化前后結構對比，如圖5 所示。

圖5 車身地板面板加強筋優化前后結構對比示意圖

3.2 優化前后的地板剛度對比分析

針對優化前后的方案，分別在地板中部腳踩位置（工況1）和外側腳踩位置（工況2）進行分析，變形量曲線圖，如圖6 所示。在工況1 中，優化前結構變形量為8.1 mm，發生失穩，出現開裂，優化后結構變形量為3.7 mm，變形量大大減小，剛度增加；在工況2 中，優化前結構變形量為5.9 mm，變形量較大，優化后結構變形量為4.6 mm，變形量較優化前減小了1.3 mm。

圖6 車身地板結構優化前后在不同工況下的變形量曲線

綜合工況1 和工況2，優化后地板面板腳踩區域變形量減小，減小了地板開裂的風險。

4 試驗驗證

為了驗證仿真分析優化后的方案是否可行，針對優化后的方案在實車上進行驗證。驗證方法為在地板面板上選取與仿真時相同的區域，施加980 N 的載荷，保持10 s，然后測量該區域最大的位移量。多次測量后2 種工況最大位移的平均值分別為3.8 mm 和4.3 mm，從該結果中可看出，實際測量值與仿真分析值接近，而且地板無失穩開裂情況發生。

5 結論

乘用車地板面板是車身的重要零部件，其剛度的優劣直接影響到乘坐舒適性，而且在極端工況下，容易出現面板開裂的現象，影響汽車的使用。目前通過技術比較成熟的有限元仿真分析，對地板面板加強筋的結構進行優化，大大節省了時間及物料成本，減小了實車極端工況下地板開裂的風險，提高了乘坐舒適性。

文章分析的有限元模型未包含瀝青板，實際裝車時會在地板面板上方鋪設約3 mm 厚的瀝青板，可在一定程度上提升地板剛度，后續可開展相關的分析，達到簡化結構、降低成本以及進一步提高剛度的目的。