某全景天窗車身扭轉剛度的分析與改進

孫靜瑤，武金科，張雷,高鳳武

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

0 引言

隨著汽車工業的發展，汽車企業對產品配置不斷提升，全景天窗使前后座位乘客都有天窗的感受，甚至是整塊玻璃的車頂，坐在車中可以一覽無余沿途風景。全景天窗超大視野的享受，受到了眾多消費者的青睞[1-2]。

采用全景天窗的汽車車身，頂蓋天窗開口面積擴大到2/3以上，并取消了頂蓋中間橫梁(B環)，削弱了車身整體剛度，同時當頂蓋天窗口扭轉位移量超出全景天窗玻璃的扭轉界限時玻璃會破碎，因此在增加全景天窗配置時，車身結構設計需滿足車身剛度和全景天窗要求。

評估全景天窗結構強度的方法有：車身模態優化方案、頂蓋剛度優化方案等[3-5]。作者根據全景天窗扭轉剛度試驗要求，通過分析車身扭轉剛度定量評估天窗口變形量，完成結構優化，縮短產品后期整改周期，減少產品上市風險。

1 車身結構有限元模型建立

1.1 白車身有限元模型劃分

根據某SUV的車身CAD模型，采用HyperMesh軟件對各零部件進行有限元網格劃分，采用fastener定義焊點模型，建立得到該SUV白車身有限元模型，其中節點數(nodes)772 082，2D單元中(Tria3)30 364個，焊接單元4 505個。白車身單元劃分信息如表1所示。

表1 白車身單元劃分信息表

1.2 扭轉剛度邊界條件及載荷確定

為避免車身超靜定，計算扭轉剛度時，對車身模型做如下約束：前端約束Z向平動，左后減震器位置約束X、Y、Z平動，右后減震器位置約束X、Z平動；在左、右前減震器位置分別施加大小相等、方向相反的2 600 N垂直方向載荷，其分析模型如圖1所示。

圖1 扭轉剛度的邊界條件

將分析模型導入ABAQUS軟件的非線性模塊進行剛度計算分析，得到該車身結構的扭轉剛度。

1.3 車身扭轉剛度試驗

為分析全景天窗結構的頂蓋對車身扭轉剛度的影響，將設計全景天窗的車身扭轉剛度A與未配置天窗的車身扭轉剛度B分別進行了仿真及試驗分析，其仿真與試驗結果如表2所示。

表2 扭轉剛度試驗與仿真結果對比

由表2可知：車A與車B的仿真與試驗扭轉剛度比值分別為0.492、0.484，扭轉剛度比值基本一致，試驗結果略大于仿真值。增加汽車全景天窗會使汽車的車身剛度降低約50%。從測試的結果對比分析，有限元仿真結果與試驗測試結果誤差均在6%以內，仿真模型可以考察車身行駛扭轉變形。

2 天窗口變形量及模態分析

為分析天窗口變形量，同時兼顧計算效率，在車身天窗邊框含角點選定14個測點，其中單側X向布置5個點，Y向布置4個點，如圖2所示：測點1、5、9、11為角點，輸出三向位移；其他為非角點，輸出垂向位移。

圖2 天窗頂蓋測點示意圖

變形量計算方法定義如下：選取天窗邊框1、5、9、11四角點三向相對于靜止狀態的位移量，作為點A、B、C、D的坐標值，分別計算點A、B、C、D相對于其他三點所確定平面的距離lA、lB、lC、lD；如圖3：lA為點A到其他三點(B、C、D)所確定平面距離，lB、lC、lD同理。

圖3 變形量計算方法

計算距離的最大值:

lM=max(lA,lB,lC,lD)

用以判斷此時玻璃變形量大小，lM等于0時，A、B、C、D四點在同一平面上，玻璃僅有空間位移，無變形；lM越大，表明玻璃扭曲變形越嚴重。

通過扭曲路路面仿真模擬分析得到天窗和非天窗垂向位移數據對比曲線，如圖4所示。

圖4 測量點變形量

從數據仿真對比分析，窗框變形增大，頂蓋Z向位移也增大，非天窗版最大變形量3.4 mm，全景天窗車型玻璃窗框最大變形量為4.29 mm，全景天窗車身窗框變形量不滿足玻璃廠家設計允許值。

3 白車身結構優化

3.1 車身結構分析

經過對初始設計結構扭轉變形的分布，查找影響窗框變形的主要因素：(1)A環上部區域、頂蓋前橫梁與側圍搭接區域接頭剛度不足；(2)C環與D環上部區域剛度不足；(3)側圍、地板門檻梁區域剛度不足。

3.2 車身結構優化

根據分析結果，制定如下優化方案：

優化一：(1)頂蓋前橫梁總成修改為盒狀斷面，增加頂蓋前橫梁上板，增大截面面積；(2)在側圍與頂蓋前橫梁下板中部區域增加兩個螺栓連接(左右對稱)，優化孔洞大小及位置，增強側圍與頂蓋前橫梁的連接剛度(見表3)。

表3 前橫梁優化方案

優化二：基于提升扭轉剛度的目的，對D、C環車身部件進行厚度靈敏度優化，通過增加D、C環關鍵部件的厚度提升扭轉剛度，如表4所示。

表4 D、C環料厚優化方案

優化三：A、B柱加強板改為熱成型材質，側圍地板縱梁采用高強度滾壓型材，提升側圍、地板剛度。

3.3 優化后分析結果

將結構優化后模型進行虛擬場仿真，根據天窗邊框四角點三向位移，計算扭曲路各時刻頂蓋窗框變形量。優化后分析結果如表5所示。

此分析結果可以滿足設計要求。

同時，對白車身模態進行分析，前部扭轉振型、后部扭轉振型分別為30.84、39.25 Hz，滿足車身目標值要求。

4 結論

通過對白車身剛度、天窗框變形量的分析，得到如下結論：

(1)全景天窗會使汽車的扭轉剛度下降，在正弦路扭曲工況下天窗開口變形量最大，車身扭轉剛度是考評全景天窗的重要指標；

(2)通過修改頂蓋前橫梁為閉口截面，增大截面面積，修改部分零部件料厚等措施，將車身扭轉剛度提升到某一數值，可滿足全景天窗的使用要求；

(3)該方法為后續車型的開發和改進提供了一定的參考。

參考文獻:

[1]周瑛瑛.固定式全景天窗結構設計[J].汽車與配件，2017(14):83-85.

[2]谷賀熊,竇海波.某SUV車型全景天窗車身的驗證分析[J].汽車實用技術，2015(8):69-70.

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[3]段月磊.轎車車身剛度有限元分析及優化[D].合肥:合肥工業大學，2010.

[4]劉善英,付靜,張瑞俊,等.某S U V 車型全景天窗頂蓋總成的設計[J].企業科技與發展,2017(2):55-57.

[5]黎樹貞,王占魁.某全景天窗車型設計過程中的車身模態提升優化方案[J].企業科技與發展，2017(1):45-48.