如何提升重卡駕駛室頂蓋結構設計強度

張厚婷

(安徽江淮汽車集團股份有限公司國際公司 海外汽車研究所，安徽 合肥 230601)

如何提升重卡駕駛室頂蓋結構設計強度

張厚婷

(安徽江淮汽車集團股份有限公司國際公司 海外汽車研究所，安徽 合肥 230601)

以重卡為基礎介紹駕駛室頂蓋結構的設計。應用有限元分析法，按照GB 26512-2011《商用車駕駛室乘員保護》標準的要求對駕駛室的頂蓋強度進行仿真分析，通過仿真分析結果的比較，明確加強及改進的方向，為完善駕駛室頂蓋的結構設計提供思路。

重卡車型；強度；結構設計；駕駛室；碰撞

隨著我國公路運輸對高速、重載要求的不斷提高，重型卡車的需求量越來越大。由于重型卡車自重很大，一旦發生交通意外，后果極其嚴重，特別是駕駛室頂蓋部分。發生翻車事故時，駕駛室的頂蓋受到極大的撞擊，致使頂蓋出現大幅變形，擠壓駕駛室內的生存空間，造成人員傷亡。因此，駕駛室被動安全性的性能急需提升，需要引起更多的重視。目前國內的商用車駕駛室乘員保護的標準是GB 26512-2011,該標準于2011年5月12日發布，2012年1月1日實施，其內容包括3種試驗方法：正面撞擊試驗。頂部強度試驗和后部撞擊試驗，其中頂部強度試驗是為了模擬商用車在發生翻滾時車頂受到強沖擊力所引起的駕駛室的變形是否對乘員造成傷害。

GB 26512-2011頂部強度試驗具體內容：駕駛室頂部應能承受相當于車輛前部的一個軸或多個軸的最大軸荷的靜載荷，但最大為98kN，此靜載荷應通過形狀合適的剛體部件均勻地施加在駕駛室或座艙頂部構架的所有支承件上。

本文先對國內某重型卡車駕駛室建立有限元模型，進行頂蓋強度分析，找出頂蓋產生變形過大的原因，進行頂蓋結構優化，明確改進的方向，完善結構設計。

1 頂蓋的設計原則

對頂蓋的結構設計，主要從以下幾個方面著手：

(1)結構：滿足其他分組安裝要求及整車造型的條件約束，要求頂蓋具有一定的強度和抗凹性[1]。一種好的結構設計可以有效地將應力傳遞到其他區域，減少應力集中的現象。

(2)材料：頂蓋外板形狀比較復雜，應選用材質成型較好的DC04或DC05[2]。對于抗凹需求高的區域采用高強鋼，可以提升整體的強度和剛度；對于安裝板或是強度要求不高的區域，采用DC03或是DC01的普通板材，可以有效地降低成本。

(3)工藝：保證提供的零部件的質量達到設計要求，不允許存在開裂、起皺現象，同時設計的結構要盡可能為焊裝工藝提供操作方便性。良好的操作方便性不僅能提高生產節拍，而且還可以提高頂蓋焊接總成的精度，為總裝線內飾頂棚的順利安裝提供了保障。

2 某重卡的頂蓋結果分析

該駕駛室頂蓋結構為半高頂鈑金頂，其頂蓋與前圍、側圍、后圍的焊接方式為點焊焊接，頂蓋內部有兩根橫梁結構。應用有限元法建立了該車駕駛室的仿真模型，由接觸力曲線看出，接觸面的最大壓力約為57kN(如圖2)，此時處于0.175s。查看分析部件，出現的最大塑性應變為22.53%，未超過斷裂百分比，可認為57kN是頂蓋可抗的最大壓力。

圖1 駕駛室模型

圖2 頂部抗壓示意圖

3 頂蓋結構方案優化

根據仿真分析結果可知，駕駛室車體結構偏弱，頂蓋與后圍、側圍的搭接結構不合理。鑒于目前狀況，不做大幅度調整，可以從兩方面著手進行修改：一是增強側圍、后圍骨架結構與頂蓋的連接強度，二是增強頂蓋骨架結構設計。下面將根據上述思路進行方案設計。

(1)方案一：在安全帶固定板處增加安全帶固定板左/右加強板各1個；在左右側圍內板處增加側圍內板左/右加強板各1個；在后圍內板上增加后圍內板左/右加強板各1個；材質均為B250P1。以上的連接方式均采用點焊的方式。安全帶固定板加強板先與安全帶固定板連接，連接后的安全帶固定板總成再與側圍內板連接。側圍內板加強板直接與側圍內板連接，后圍內板加強板直接與與后圍內板連接，以上的連接方式均采用點焊的方式。這樣的結構設計提高了駕駛室骨架(無頂蓋)與頂蓋的連接強度，在頂蓋受到壓力時，可以緩解頂蓋與側圍、后圍搭接處的沖擊。

根據仿真分析結果可知，接觸面的最大壓力約為72kN(如圖4)，此時處于0.22s，頂棚側板塑性變形未超過斷裂百分比，可認為72kN是頂蓋可抗的最大壓力。強度提高了26.3%。

圖3 方案一

圖4 頂部抗壓示意圖

(2)方案二：在頂蓋后部增加骨架式結構，采用方管焊接而成。此結構為整體式結構，通過螺栓固定的方式與頂蓋、側圍、后圍進行連接。在頂蓋受到壓力時，通過分布在不同方向的管梁把頂蓋受到的力傳遞到后圍及側圍處[3]，而不是集中在某一點，很大程度上解決了頂蓋與側圍、后圍連接處應力集中的問題。

根據仿真分析結果可知，接觸面的最大壓力約為82kN(如圖6)，此時處于0.21s。查看分析部件，出現的最大塑性應變為22.37%，未超過斷裂百分比，可認為82kN是頂蓋可抗的最大壓力。強度提高了43.8%。

圖5 方案二

圖6 頂部抗壓示意圖

(3)方案三：在方案一的基礎上增加頂蓋骨架結構，此骨架結構使用的零部件均為沖壓件，骨架結構與頂蓋的連接方式為點焊焊接。在頂蓋受到壓力時，力可以從骨架結構傳遞到后圍及側圍的區域，同時，在設計時，又對側圍、后圍的局部區域進行了加強，從而極大地提高了頂蓋抗壓的能力。

根據仿真分析結果可知，接觸面的最大壓力約為99.3kN(如圖8)，此時處于0.31s。強度提高了74.2%。

4 對比分析

比較三個方案，方案一頂蓋所能承受壓力的提升幅度最小，可達到72kN，提升幅度為26.3%，從整改角度來看，增加的零部件較少，對焊裝夾具的調整影響最小；方案三頂蓋所能承受壓力的提升幅度最大，提升幅度為74.2%，同時，因為增加的零部件過多，對焊裝夾具的調整影響最大，增加了更多的產品開發成本。

圖7 方案三

圖8 頂部抗壓示意圖

5 結論

在頂蓋設計過程中，首先要清楚地了解薄弱的區域，根據薄弱的區域進行方案制訂。制訂方案后，通過模擬仿真進行分析。設計結構時要進行統籌考慮，既考慮目標值的實現，也要考慮現狀及成本的影響，從而尋找到最優方案。

[1]陳家瑞.汽車構造(第四版)[M].北京：人民交通出版社，2002：156-158.

[2]鄧文英，郭曉鵬.金屬工藝學[M].北京：高等教育出版社，2008:101-102.

[3]趙九江，張少實，王春香.材料力學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1995：78-80.

責任編輯：富春凱

How to Enhance the Design Intension of the Heavy Truck Cab Roof Structure

ZHANG Hou-ting

(Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd. , Hefei 230601, China)

Based on the heavy truck, we introduced the design of the roof structure.Using finite element analysis. according to the requirements of GB 26512-2011 "Commercial vehicle cab occupant protection",the finite element analysis method is used to simulate the roof strength of the cab. Through the simulation analysis of the results of comparison, we clear the direction of strengthening and improvement.Through this way,provides a way of thinking about improving the cab roof structure design.

Heavy truck model; Strength; Structural design; Cab; Collision

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.03.014

2017-04-20

張厚婷(1991—)，女,安徽淮南人，助理工程師。研究方向：車身設計。

U463.83

A

1674-6341(2017)03-0037-03