汽車車身前地板局部剛度設計研究

楊得敏，方取玉，溫秀海，李程

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

汽車車身前地板局部剛度設計研究

楊得敏，方取玉，溫秀海，李程

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241000）

通過某車型設計開發過程中的CAE輔助分析模擬和實車驗證測算，解決了前地板本體局部剛度不足問題，并在剛度提升的基礎上進行了減重和降本，重量和成本下降了約 15%，由此提出了一種前地板筋的排布及截面設計思路。

前地板加強筋；結構設計；剛度

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-39-03

引言

汽車前地板為承載乘員的主要結構，其主要功能是隔絕振動和噪聲，為乘員提供安全、舒適的乘坐環境。若前地板剛度差，易和激勵源共振，降低乘坐舒適性，且隨著車身輕量化，燃油經濟性的不斷提高，通過優化零部件結構，提升零件剛度，降低零件重量和成本，顯得尤為重要。本文通過理論分析前地板局部剛度的設計原理，并以某車型為例借助CAE分析和實車驗證，對前地板局部剛度進行研究。

1 問題

某車型試制驗證過程中，前地板總成圖1區域a無踩踏變形缺陷；區域b發生多次焊裝踩踏變形缺陷，初步分析主要原因是區域a附近門檻、縱梁、橫梁起到較好的支撐作用，薄板的面積較小，剛度較好，不易變形。區域b附近雖有中通道、橫梁支撐，但薄板面積較大，導致前地板局部剛度不足。故需要對區域b加強筋結構進行優化提升剛度，規避踩踏變形問題，后文將進行詳細分析研究和實車驗證。

圖1 某車型前地板總成示意

2 理論分析

圖2所示為薄板（未加筋）的零件截面，圖3所示為薄板（加筋后）的零件截面。

圖中L為 零件總長度；L1為零件未起筋部位長度；L2為零件起筋部位長度；H為 零件起筋后零件高度；h為 零件起筋后形心高度；t為 零件厚度；為零件起筋后的截面慣性矩；為零件起筋部位的截面慣性矩；為零件未起筋部位的截面慣性矩；

I為零件剛度

圖2 薄板（未加筋）的零件截面示意

圖3 薄板（加筋后）的零件截面示意

根據材料力學可知，整個零件的慣性矩和剛度分別為：

代入參數計算可得：

由上面公式可得出結論：

1）當筋高度（H）增大，零件剛度（i）提升，從而可有效抑制地板本體變形[1]。

2）當筋寬度（L2）變化，零件剛度（i）和 NVH 性能相應發生改變。

分析表明：前地板本體厚度一般在0.6mm-1.0mm之間，其板厚遠小于零件的長和寬，屬于薄板零件，其彎曲剛度較低[2]，可通過優化其加強筋的排布形式、截面尺寸（L1，L2，L，H），以提升板件局部剛度（i），規避鈑金局部踩踏變形問題。

圖4 排布方案示意

3 CAE分析優化

3.1 排布形式

前地板加強筋按照排布形式劃分：通常有X向筋、Y向筋（相對于車身坐標方向）、交叉筋、圓弧筋、等多種排布形式。針對區域b部位的筋結構優化設計，采用CATIA軟件構建了以下多種排布方案（如圖4），借助nastran分析軟件，對每種排布方案選取同一坐標，同等面積大小的區域，施加一定大小的集中力，分析考察哪種結構方案局部剛度較好。

圖5 不同排布形式局部剛度分析值對比

不同排布形式的局部剛度分析值對比折線圖如圖 5，由折線趨勢可知：區域b排布Y向筋較優，其剛度比其他形式筋大幅度提高。

圖6 分析概念模型示意

因筋的寬度、高度值對鈑金局部剛度有最直接的影響，故需進一步分析研究較為合理的截面尺寸值，即筋寬度、間距、高度等。

3.2 截面形式尺寸

鈑金件加強筋的截面有圓形、矩形、梯形、三角形、凸起、下凹等多種形式[2]，為了兼顧工藝、感官質量等因素，區域b部位的加強筋截面形式采取的是梯形結構。

優化過程采用了多組截面寬度和間距值進行組合分析，圖6為區域b部位的分析概念模型示意圖。分析方法為借助nastran軟件于P點施加一定大小的集中力F，對組合方案的局部剛度值i進行分析對比，得出哪種截面尺寸組合（寬度，間距）較優。

圖7 不同截面的剛度分析對比圖

選取5組不同截面寬度和間距值進行CAE分析得出的剛度值如圖7。對比分析表明：當區域b筋寬度、間距值設計值選取約為20mm-30mm時，前地板本體局部剛度較優。

進行變量組合設計分析時，需考慮鈑金件加強筋寬度w≈1/2*L（總寬度）時，截面慣性矩最大，剛度最優[3]，即筋的間距設計選取約等于筋寬度(W)，剛度較優。

還有一影響局部剛度的重要截面尺寸是筋高度（H）值。由第1節剛度（i）與筋高度（H）公式可知：當筋的高度值（H）增大，零件局部剛度（i）增大。但H值過高會產生零件沖壓會開裂缺陷，因此在筋高度設計過程中，需考慮零件的成型性。圖8為設計加強筋后的截面示意圖，L為成型前加強筋區域的材料長度，L’為成型后加強筋的剖面材料長度。為了避免開裂，應滿足：（L’-L）/L＜=0.75n。其中，n為材料允許拉伸率[2]。

圖8 加筋后的截面示意

經上續力學理論分析和CAE分析優化，最終得出區域b部位的筋結構示意如圖 9，下節將針對該方案進行了實車驗證。

圖9 優化后方案示意

4 實車驗證

為驗證分析研究優化的準確性，并確保解決踩踏局部變形問題，針對不同排布形式的方案實車局部剛度進行了驗證，驗證方法為在實車相同位置選取一定面積大小的區域，施加一定大小的面載荷于該區域，測量施力位置的最大位移量，實測位移值如圖10。

圖10 不同排布形式實車驗證測量對比

（圖10）曲線圖表明優化方案測量結果和理論分析優化研究(圖5)相符，優化后的結構方案位移量最小。

為提升產品競爭力，對優化后方案進一步的進行了減薄料厚的實車驗證。驗證方法為人為進行踩踏，驗證測量塑性變形的位移變化量，具體驗證方法為對白車身的區域b部位(圖a)踩踏N次、N+20次、N+40次、N+60次和N+80次，分別記錄踩踏后的變形量。測量結果如圖11。

圖11 優化方案實車驗證位移測量

從多次踩踏驗證可知：減薄料厚的前地板本體經過踩踏試驗后的最大變形量為3.4mm，沒有增大趨勢；實車貼瀝青板之后，乘員踩踏基本無明顯塑性變形，滿足該部位的局部功能和性能要求，且綜合路試和碰撞驗證均滿足相關法規的要求。

5 設計思路過程方法

參考該車型的設計開發經驗，后新車型前期開發過程中，前地板局部結構剛度設計，可參考以下流程開展。

圖12

6 結束語

本文依據力學基礎知識，結合實際車型設計開發過程中的CAE輔助分析模擬和實車驗證剛度測算，解決了前地板本體局部剛度不足踩踏變形問題，并在剛度提升的基礎上進行了減重和降本，重量和成本下降了約15%。且提出了一種前地板筋的排布及截面尺寸形式設計思路方法，參照此方法，可縮短設計周期，降低成本，進而提升產品競爭力。

[1] 鄧兆祥等.拓撲優化的轎車車身低噪聲設計.

[2] 段昀輝等.車身鈑金件形貌設計優化.

[3] 王承.基于形貌優化的鈑金支架加強筋布置方法研究.

Study on the local stiffness of BIW front floor

Yang Demin, Fang Quyu, Wen Xiuhai, Li Cheng
( Chery automobile co., LTD., Anhui Wuhu 241000 )

Through the CAE aided analysis, simulation and real vehicle verification during the design and development process of a certain type of vehicle was carried out, the problem of the local stiffness of the front floor body is solved, Weight and cost are reduced about 15% on the basis of stiffness enhancement, a train of thought about the arrangement of the floor reinforcement and the design of the section is put forward》.

front floor; Structural design; stiffness

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-39-03

楊得敏（1983-），男，本科，助理工程師，研究方向：車身設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.013