乘用車迎賓踏步承載結構校核分析及優化設計

衛 剛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601 ）

乘用車迎賓踏步承載結構校核分析及優化設計

衛 剛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601 ）

文章首先闡述了乘用車迎賓踏步的概念、特點和應用范圍，介紹乘用車迎賓踏步的主要功用、組成結構和制造工藝、以及常見分類，根據分類型式描述不同類型的迎賓踏步結構型式，并詳細說明承載式迎賓踏步各部分組成和功能。其后重點闡述承載式迎賓踏步承載結構校核分析方法和優化設計方案，將計算機輔助設計和仿真分析應用到實際產品的研發設計流程中。

乘用車迎賓踏步；概念；功能；計算機輔助設計；仿真分析

CLC NO.:U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-65-03

前言

登車踏步在眾多車型中是重要的組成部分，尤其在車身底盤較高的車型中是乘員上下車輛不可或缺的輔助部件，并且具有相關法規和標準對其進行嚴格限制和要求。本文所述登車踏步應用于乘用車及皮卡車型。此類登車踏步在滿足法規、標準要求的同時更加注重外觀的美化及使用舒適性，突出體現“迎賓”的意義，可提升車輛品質感、豪華感。為與其他類型登車踏步進行區分，本文所述踏步僅限為乘用車迎賓踏步。

1、乘用車迎賓踏步簡介

1.1 乘用車迎賓踏步的功用

本文所述乘用車迎賓踏步是專指適用于M1類和N1類乘用車及皮卡車型，裝配于車身兩側，其主要功能包括提供登車踩踏、助力的承載裝置，幫助駕乘人員方便上下車輛，以及裝飾美化整車造型，提升車輛品質感和豪華感。

1.2 乘用車迎賓踏步的組成和制造工藝

迎賓踏步一般由承載結構、裝飾部件、防滑結構、排泄結構組成，由于設計結構型式的差異，組成部件結構并非嚴格區分。

乘用車迎賓踏步涉及的制造工藝較為廣泛，需要應用多種制造工藝生產其組成部件。生產迎賓踏步組成部件常見的制造工藝有沖壓成型、擠出成型、注塑成型、模壓成型等。

1.3 乘用車迎賓踏步的一般分類

本文所述迎賓踏步按其使用功能可分為兩大類：

1）承載式：承載式迎賓踏步可供駕乘人員踩踏、助力上下車輛，此類踏步具有典型的承載結構、必備的防滑結構和排泄結構，以及合理的人機工程設定。該類踏步必須滿足相關法規、標準要求，其登車踩踏面高度、面積以及承載性等都有嚴格規定。

2）非承載式：僅起裝飾美化功能，不可踩踏。此類踏步并無承載式踏步相關標準要求，因此該類踏步可以容易實現型式多樣化，只適用于登車高度較低的車輛用于裝飾美觀。

2、乘用車迎賓踏步常見的結構型式

2.1 承載式迎賓踏步

承載式迎賓踏步具有典型的承載結構，其承載性能至少滿足兩名正常成年人同時由前車門和后車門踩踏登車或下車，且提供的踩踏面積和登車高度在滿足法規要求的同時應方便、舒適。承載式迎賓踏步的承載結構具有較高強度、剛度，較好的耐久性和耐腐蝕性，多為鋁合金制品、鋼材制品以及其他合金類制品構成。根據迎賓踏步承載組成部件制造材料的不同，可大致分為四類：1） 鋁合金制承載結構，2）鋼材制承載結構，3）鋁合金、鋼材組合使用承載結構，4）其他材料制承載骨架類，如應用高科技材料。

裝飾類部件滿足造型設計要求，突出美觀和視覺效果，實現方式種類較多，較為常見的有：1）鋁合金制品采用氧化工藝達到高光、亞光、磨砂效果；2）不銹鋼制品實現不同色澤的高光、鏡面效果；3）塑料制品采用噴漆、電鍍工藝實現不同顏色、花紋、仿真效果；4）塑料制品通過皮紋工藝實現深淺粗細、磨砂等不同類型的皮紋效果。

承載式迎賓踏步必須設計防滑和排泄結構，確保乘駕人員上下車輛安全性以及防止異物堵塞、填埋、覆蓋防滑結構等因素導致防滑結構失效；防滑結構和排泄結構實現型式一般有兩種：1）承載結構本身設計有防滑特征和排泄結構，增大踩踏摩擦力，同時可排泄泥水、異物；2）設計具備防滑特征及排泄結構的部件安裝于承載結構之上。

2.2 非承載式迎賓踏步

與承載式迎賓踏步相比，非承載式迎賓踏步不具備供駕乘人員踩踏的功能，同時為避免出現誘導性危險，該類踏步設計無踩踏面或無法實現踩踏助力的外觀特征。非承載式踏步僅實現整車造型裝飾美化功能，其組成部件無須滿足承載性等法規、標準要求，但同樣需要滿足車輛外部裝飾部件相關標準和要求。

3、承載式迎賓踏步承載結構校核分析

承載式迎賓踏步必須滿足法規和標準要求，其承載性能和耐久可靠性非常重要，必須防止產生失效風險造成乘駕人員損傷。為確保踏步產品具備足夠的承載性和耐久可靠性，在產品的設計階段需進行充分的計算和分析，使理論狀態滿足法規和標準要求；同時在產品驗證階段需進行多種型式的試驗驗證，以檢測產品實物狀態是否滿足法規和標準要求。但若于產品驗證階段檢測發現踏步的承載性能不滿足要求，開發的產品則無法使用，將產生二次開發費用，延長開發周期。因此在設計階段應完全規避理論狀態下不滿足法規和標準要求的可能性，并結合實際經驗設定合理安全系數，降低產品實物不滿足要求的風險。本文介紹一種應用計算機輔助設計校核承載式迎賓踏步承載結構校核分析的方法，用于設計階段對踏步承載結構的理論分析。

3.1 法規要求

承載式迎賓踏步踩踏高度及踩踏深度必須滿足相關標準要求，避免造成踩踏不便甚至出現安全隱患；同時必須滿足乘用車外部突出物安全性的相關要求。承載性能并無法規強制規定，但緣于其重要性及風險嚴重性，行業標準及企業標準會進行嚴格要求。

3.2 分析方法和內容

3.2.1 分析方法

利用計算機輔助設計軟件建立迎賓踏步3D數學模型，并將所建立模型數據導入仿真分析軟件，采用有限元法對迎賓踏步承載結構進行強度分析。根據分析所得結果與標準規定進行對比分析，校核其承載性和耐久性是否滿足要求。建立3D數學模型和分析中使用的軟件有CATIA、ANSYS、ABAQUS和HYPERVIEW。

3.2.2 模型建立

本文設計一款承載式乘用車迎賓踏步，其承載結構使用鋁合金制品、鋼材制品組合方案：選用鋁合金制品踩踏結構，鋼材制品承載安裝支架。該方案中鋼材制品具有良好的成型性，避免因承載安裝支架形狀復雜而難以加工；采用鋁合金制品踩踏結構，可降低成本、重量和對車身承載部位的負荷。

首先進行乘用車迎賓踏步3D數學模型設計，設計約束條件包括：滿足法規要求的登車高度和踩踏面積，車身駕駛室提供的安裝結構，迎賓踏步的外觀造型效果圖和造型曲面。根據以上條件，進行迎賓踏步的構想設計和制造工藝、安裝工藝等初步設定，編制合理的設計方案。本文設計乘用車迎賓踏步具體實施方案如下：鋼材制品承載安裝支架，采用沖壓工藝成型，共計3個，分別于前、中、后位置支撐迎賓踏步；鋁合金制品踩踏結構，采用擠出工藝成型；可拆卸式防滑結構采用塑料注塑成型；排泄結構與踩踏結構集成，組成排泄系統。

第二步，根據迎賓踏步及駕駛室3D數學模型建立有限元分析模型。固結踏步踩踏結構和承載安裝支架，設定為剛性連接。節選部分駕駛室3D數學模型，但是必須包含駕駛室安裝迎賓踏步的結構及其支撐部件，如圖1所示。駕駛室鈑金件數學模型采用SHELL單元離散，點焊采用SOLID單元模擬，縫焊采用BEAM單元模擬。

圖1 迎賓踏步有限元分析模型

3.2.3 校核方案

校核標準：承載式迎賓踏步必須滿足在前車門與后車門踩踏區域同時加載150kg重作用力時，承載結構安全系數不小于1.2。

模擬分析加載工況：施加Z向均載FZ=1471.5N（等效于前車門與后門踏步踩踏區域同時承載體重150kg的人上下車的情況）；加載面積即為踩踏面積，滿足標準要求：國標98%成人1/2腳掌面積。

模擬分析約束條件：駕駛室截取處全約束。取踏步前車門與后車門兩個踩踏區域，施加Z向均載FZ=1471.5N，加載位置位于車門邊框中間位置，邊界約束條件如圖2所示。

圖2 迎賓踏步約束條件

4、優化設計

4.1 優化設計意義

迎賓踏步承載結構設計時還應綜合考慮制造成本、重量，在滿足要求的前提下避免性能過剩。通過CAE仿真分析計算結果，可清楚的觀察到迎賓踏步的承載結構強度與校核標準差異，針對性采取優化措施。優化設計目的，即為實現產品在成本、重量最為經濟的條件下，滿足法規和標準的要求。

4.2 優化設計方法

影響迎賓踏步安裝支架強度的因素有：1）制造材料， 2）承載支架結構型式，包括料厚、形狀等。進行優化設計時應從較為經濟的優化方法開始，編制合理的優化流程，按優化流程進行3D數學模型優化、分析工作，避免因優化方向不明確，造成周期延長甚至不能達到理想效果。根據優化流程，首先進行迎賓踏步承載安裝支架結構優化，該方法不會明顯增加產品重量和成本，具體實施方案有增加加強筋、更改截面型式等。其次更改承載支架的料厚，包括局部增厚和整體加厚。如果優化承載支架結構效果不明顯，增加料厚又影響重量達標，則需考慮更換性能更高的制造材料。性能、成本、重量相互制約、相互影響，設計與優化時應綜合考慮。

圖3

圖4 優化流程圖

5、結束語

本文介紹適用于M1類和N1類車型中乘用車及皮卡車型的迎賓踏步常見類別和結構型式，并對其制造工藝進行簡要敘述，著重論述承載式迎賓踏步承載性的校核方法和優化設計方法。通過建立乘用車迎賓踏步3D數學模型，結合計算機仿真分析，對承載式迎賓踏步承載結構進行理論校核分析和優化設計，將CAD軟件與CAE軟件輔助設計應用于汽車部件設計過程中。在設計過程中，借助計算機編程對其進行校核和優化，不但速度快而且精度高，極大提高了設計效率，而且降低開發風險，縮短了設計驗證周期。

[1] 張洪才.《ANSYS14.0理論解析與工程應用實例》機械工業出版社.

[2] 曾攀.《結構的建模與分析—基于ANSYS平臺有限元分析》機械工業出版社.

[3] 何獻忠.《優化技術及其應用》北京理工大學出版社.

[4] 王望予.《汽車設計》機械工業出版社.

Bearing Structure Of The Passenger Car Foot Rest Analysis And Design

Wei Gang
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd R&D center, Anhui Hefei 230601 )

This article first expounds the concept of the passenger car foot rest, characteristics and application scope. Then introduce the major function of the passenger car foot rest, composition structure and manufacturing process, as well as the common classification. According to the different types of the passenger car foot rest describe the composition structure, and introduce the components and functions of the passenger car foot rest in detail. The next part illustrate the method of analysis and plan of design for the passenger car foot rest. The computer aided design and simulation analysis is applied to the research and development of the actual product design process.

Passenger car foot rest; Concept; Function; Computer aided design; Simulation analysis

U463.8

A

1671-7988 (2017)08-65-03

衛剛（1988-），男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，主要從事汽車內外飾設計的工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.022