某商用車擋泥板結構件輕量化設計

任文濤，薛 藝，李 靜，譚 偉，高維升

（陜西德仕汽車部件（集團）有限責任公司，陜西 西安 710200）

國外相關實驗數據顯示，車輛減輕自身重量10%，可降低油耗6%～8%。尤其對于商用車而言，因商用車具有機動性強、經濟性低和利用率高等特點，通過減輕自身重量的同時還提升了有效載貨重量，從而提升運輸效率，降低運輸成本。另根據新修訂的《環境保護法》和新出臺的減少機動車排放的措施，商用車輕量化設計已成為通過技術創新實現節能減排的有效途徑，也成為商用車后期發展的一個重要方向[1]。

伴隨著商用車行業的高速發展，有限元分析手段已在機械行業，特別是汽車行業中得到了廣泛的應用。目前各大汽車主機廠通常選用的鑄鋼作為支架用材，但這明顯不利于商用車的輕量化的發展理念。本文以某商用車為例，利用CATIA軟件對商用車擋泥板支架進行了輕量化設計，并運用HyperMesh有限元分析軟件建立擋泥板結構件有限元模型對擋泥板在商用車上的實際工況進行模擬，對不同材質、不同截面厚度以及結構優化設計后的擋泥板結構件進行強度仿真分析，最終完成擋泥板的輕量化結構設計及分析驗證，為后期實際應用提供了實例參考。

1 擋泥板結構件輕量化設計

1.1 擋泥板的構成及功能

擋泥板焊合件總成主要由一件左支架、一件加強板和一件底座組焊而成，如圖1所示。通過4件螺栓及自鎖螺母安裝在車架縱梁的外側面上，主要起固定彈性元件（通常為橡膠）的作用[2]。擋泥板支架的主要功能是連接汽車車架與擋泥板相互連接的裝置，同時也作為支撐空濾器、汽車尾燈的重要部件[3]。擋泥板作為懸臂梁結構，在汽車構造中起到連接和支撐的作用。

圖1 擋泥板結構

1.2 有限元模型的建立及前處理

將建立的三維模型導入到HyperMesh中進行前處理，為了確保對擋泥板支架進行準確的應力分析，在網格劃分時在受力變化不大的位置選擇較大的網格，應力集中的位置選擇的四面體相對密集一些[4]。所采用的材料密度ρ為7.85×10-9T/mm3，楊氏彈性模量E為2.1×105MPa，泊松比μ為0.3。建立左支架、加強板和底板的有限元模型，并通過添加約束將擋泥板支架和車身縱梁進行固定連接[5]。優化前模型材料參數如表1所示。

表1 優化前模型材料參數

擋泥板的結構件通過焊接連接在一起，通過實體模型建立網格模型，網格劃分后，模型單元數量為449 886個，節點數為118 894，擋泥板有限元模型質量為18.82 kg。在網格質量中最大翹曲度為0，最大長寬比為3.51，雅克比為1。優化后模型材料參數如表2所示。

表2 優化后模型材料參數

1.3 邊界條件及載荷

商用車擋泥板支架主要包含以下兩個方面的載荷。

1.擋泥板支架自身重量

在有限元分析軟件中，零件的材料、密度以及重力加速度確定以后，便可以計算出擋泥板各組成部分的相關質量參數，并模擬計算出擋泥板支架的受力情況和變形情況。

2.振動工況

用于模擬車輛在空載狀態下，車輛行駛過程中做非勻速直線運動時所受到的振動和沖擊。由于擋泥板固定在車架上，因此，必須增加車輛行駛過程的工況，沖擊系數按照3g進行仿真分析[6]。

圖2 工況一的邊界條件

圖3 工況二的邊界條件

擋泥板是被固定在商用車車架上，僅受到擋泥板本身重量和外載荷的作用。因此，模擬商用車擋泥板實際工作狀況，選擇工況分為垂直工況（工況一）和加速工況（工況二）兩種，具體參數如圖2、圖3所示。

2 仿真結果及分析

2.1 強度結果分析

圖4為擋泥板支架載荷加載情況。圖4(a)、圖4(b)分別為工況一條件下優化前后擋泥板的應力云圖。結果表明，擋泥板在結構優化前應力主要集中在左支架的倒角處，對應的應力值為220 MPa，針對應力集中問題，優化后方案已完成，二者安全系數分別為1.613、1.838，新材料安全系數相較于舊材料提升了0.225。

圖4 工況一應力云圖

圖5(a)、圖5(b)分別為工況二條件下優化前后擋泥板的應力云圖。優化前應力主要集中在左支架的倒角處，應力值為70.6 MPa。優化后應力集中在左支架的倒角處，應力值為104.3 MPa。二者均小于材料的屈服極限，符合設計要求。另外二者安全系數分別為5.02、3.49，對零件的應力集中部分進行改善，同時在保證滿足零件強度的情況下對成本進行控制。

圖5 工況二應力云圖

結構設計主要包含對原有的Q355B材質的支架結構分析，并考慮其裝配要求，將底板材質變更為700L，仍然通過4個螺栓與車架固定；另外將加強板由Q355B 5個厚更改為600L 4個厚，同時為保證強度將兩邊延長至左支架折彎處；對于左支架由Q355B 6個厚更改為600L 4個厚，同時對支架采用圓弧過渡，防止出現應力集中[7]。截止目前產品已完成小批量試制，且已完成50 000 km的路試，并將持續跟蹤。

3 結論

通過對商用車擋泥板結構件的輕量化設計，并對該結構件進行了強度仿真，效果較為理想。

（1）優化前，擋泥板支架的應力集中部位都出現在左支架倒角處，最小安全系數都大于1，滿足強度要求；

（2）底板、連接板和加強板分別使用700L和600L替換Q355B，材質厚度也分別進行調整，通過云圖分析優化后的垂直沖擊工況安全系數比優化前較大，滿足強度要求；

（3）優化前后，通過云圖發現原左支架出現薄弱位置，存在應力集中的情況發生，及時通過對三維模型進行優化設計處理，使得原薄弱位置得到強化。

（4）原始擋泥板的質量為18.82 kg，優化后的擋泥板重量為13.25 kg，在滿足強度和剛度且有效發揮作用的基礎上，可實現擋泥板總成減重5.57 kg，為零部件輕量化提供了參考依據。

通過對某商用車擋泥板的有限元分析以及結構件材質的替換和局部結構優化使零件減重，發現擋泥板生產屈服變形處于極限范圍之內，擋泥板結構輕量化設計得以驗證，從而為商用車的輕量化研究提出有益參考。