某車型頂蓋系統研究設計

韋智敏

摘 要：現今隨著汽車工業的迅速發展，汽車不再單純只是滿足人們出行的需求，還要提供乘客在使用過程舒適的體驗。汽車頂蓋系統是車子封閉空間重要組成部分，對汽車的舒適性有著重大影響，設計研發中要給予足夠重視。文章主要介紹某車型頂蓋系統設計及研發過程，講述在頂蓋系統設計過程中如何協調各項功能和性能，以滿足整車舒適性能要求。整個設計過程中進行了車輛對標，以及應用CAE仿真工具對頂蓋的模態和抗凹進行模擬分析，最終確定設計方案。

關鍵詞：頂蓋系統；舒適性；模態；CAE

中圖分類號： TB482.2；TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0016-02

1 概 述

頂蓋系統是車子封閉空間重要組成部分，主要指車身頂部的蓋板，包括頂蓋、頂蓋前橫梁合件、頂蓋后橫梁焊合件、頂梁等常見結構，如圖1所示。

其與側圍、地板、前隔板、車門等零部件總成連接，共同形成一個廂式封閉空間。從外觀上看，頂蓋的結構相對簡單，部分車子頂蓋是一個平整大面，當尺寸達到一定范圍的車輛在大面上設計有凸起筋條。頂梁根據需要布置于頂蓋內部，起到支撐頂蓋和安裝零件作用。頂蓋系統除了封閉的功能，需要研究的最重要兩個性能是頂蓋系統抗雪壓能力和頂蓋系統一階模態。這兩大性能主要受頂蓋大面形狀、頂蓋上凸起筋條、頂梁影響。頂蓋系統抗抗雪壓能力指頂蓋承受濕雪厚度的能力，而頂蓋系統一階模之所以重要是因為它會態影響整車舒適性。下文將講述在某車型開發過程中如何合理利用頂蓋大面、筋條和頂梁結構，通過借助CAE模擬工具來調整頂蓋系統抗雪壓能力和頂蓋系統一階模態。

2 設計過程

頂蓋屬于外觀件，頂蓋大面形狀影響整車外形風格和車輛整體尺寸。因此在車輛開發前期已經初步定義了中間截面，造型根據截面發布第一版數據。用第一版數據進行分析和對標評估。依據設計經驗和對標提出頂蓋大面的曲率半徑要求，曲率半徑對頂蓋系統抗雪壓能力和模態有很大的影響。

頂梁橫向不均勻布置于車身內部，部分車輛根據功能要求在橫梁間布置有縱梁。頂梁的主要作用是支撐頂蓋，同時為內部零件提供所需的安裝點，頂梁前后位置和數量影響頂蓋系統的抗雪壓能力和模態。本次頂蓋系統中間截面，如圖2所示，前后橫梁焊合件位于兩端，中間不均勻設置四根橫梁。

本次案例車型項目要求抗雪壓目標值大于70 cm，一階模態目標值大于37 Hz。該頂蓋系統外廓尺寸長寬分別為2 300 mm、 1 060 mm，屬于大型的頂蓋。設計過程中可以調整的主要因素有：頂蓋大面橫向曲率半徑、頂蓋筋條形狀尺寸和數量、頂梁尺寸和數量。如圖3所示。

頂蓋大面橫向曲率半徑影響車子外觀和風阻，能夠給頂蓋系統調整的空間是有限的。在有限的調整范圍內，分析得知橫向曲率半徑越小系統抗雪壓能力越佳，模態也越高。

頂蓋筋條一般分為圓弧狀、三角和梯形三種。三種筋條的形狀對抗雪壓能力和頂蓋系統一階模態改變不明顯，可以根據車子外形風格選擇其中一種。筋條粗細和長短對抗雪壓能力和頂蓋系統一階模態有影響。筋條截面，如圖4所示，筋條粗細表現在筋條的寬和高尺寸。筋條寬、高尺寸增加頂蓋系統抗雪壓能力增加，但是頂蓋系統一階模態會下降。

筋條長短指的是筋條在頂蓋大面是前后方向距離，筋條前后長度尺寸增加頂蓋系統抗雪壓能力增加，同時頂蓋系統一階模態下降。

頂梁設計為倒幾字形，與頂蓋外表面無法焊接，因此在與頂蓋配合部位預留涂膠與頂蓋粘結。除去兩端涂膠的結構，頂梁的性能由中間腔體寬和高決定，如圖5所示。

頂梁寬高增加，頂蓋系統抗雪壓能力和頂蓋系統一階模態都會增加。其中高度方向變化對這兩大性能影響更有效。

以頂蓋大面橫向曲率半徑改變作為階段劃分。第一階段設計數據頂蓋大面上四根凸筋，內部設計四根橫梁；第二階段設計數據在第一階段基礎上調整橫梁數量和位置，設計五根橫梁；第三階段設計數據在第一階段基礎上調整凸筋尺寸和數量，設計五根凸筋；第四階段設計數據重新設計大面，頂蓋大面上四根凸筋，內部設計四根橫梁。各個階段頂蓋系統性能表現，見表1。

頂蓋系統俯視圖，如圖6所示。

3 思考總結

在上述設計過程中，利用可調整的幾個主要因素：頂蓋大面橫向曲率半徑、頂蓋筋條形狀尺寸和數量、頂梁尺寸和數量，這幾個因素對頂蓋系統抗雪壓能力和頂蓋系統一階模態影響程度各不相同，需要利用各個因素的特性來設計。

頂蓋大面橫向曲率半徑是保證頂蓋系統抗雪壓能力和頂蓋系統一階模態的最重要因素，因為縱向曲率半徑受造型風格影響幾乎無法更改，所以橫向曲率半徑是設計階段我們需要認真研究。頂蓋曲率半徑調整不影響零件成本，假如頂蓋很平的情況下只能增加頂梁或者其它補強方式來保證頂蓋應有的性能，無論增加頂梁還是補強都會增加系統的重量和成本，這是開發過程中不希望看到的。我們需要對頂蓋大面橫向曲率半徑認真研究，選擇一個合適的曲率范圍。

頂蓋筋條尺寸和數量對頂蓋系統抗雪壓能力和頂蓋系統一階模態影響是相反的。除了對頂蓋系統抗雪壓能力和頂蓋系統一階模態的影響，頂蓋筋條還影響車輛外觀性能，需要盡量弱化筋條的視覺特征，頂蓋筋條對零件沖壓成型性有幫助材料流動的功能。重要的是頂蓋上增加筋條不影響單件成本。鑒于筋條強化能增加頂蓋系統抗雪壓能力，但同時頂蓋系統一階模態會降低這種關系，設計的任務是在兩者間進行取舍來找出最佳平衡狀態。

頂梁相對前兩個因素最大的區別是會增加系統重量和成本，所以在可能的情況下要盡量減少頂梁尺寸和數量。前文提到頂梁高度方向尺寸增加對頂蓋系統抗雪壓能力和頂蓋系統一階模態都能有效提高。但是在頂蓋高度一定的情況下增加頂梁高度會犧牲車子內部空間，一般不建議往這個方向去優化。綜合所有情況來分析頂梁需要有效且合理使用。

最終在本次設計選擇一個合適的頂蓋大面橫向曲率半徑、四根圓形頂蓋筋條和四根經優化的頂梁。經過優化的頂蓋系統抗雪壓能力90 cm，頂蓋系統一階模態值37.4 Hz，如圖7所示。

從這個案例中我們學到，設計車輛某一個系統時，首先了解本系統與周邊系統的配合關系，其次是分析本系統受制約的條件，最后提煉出本系統內可以充分利用的因素。除此之外，我們的目標應該是滿足項目對本系統的性能要求前提下，需要對整車的成本進行適當的優化，這是提高車輛上市競爭力很好的手段。

參考文獻：

[1] 郭竹亭.汽車車身設計（上、下）[M].吉林：吉林科學技術出版社，1992.

[2] 李佩，劉樂平.“大微客”微型汽車頂蓋抗凹性的解決方案[J].裝備制造 技術，2010，（10）.