某乘用車備胎池的結構設計

周清 申威 薛廣新 李志高 羅培鋒

摘 要：零部件薄壁化現已成為汽車行業實現輕量化的一個重要的手段，備胎池作為汽車車身地板的主要零部件之一，其材料厚度也逐漸從0.8mm、0.7mm減薄為0.65mm，備胎池厚度的減少給零件的剛度、強度帶來了巨大的挑戰。而本文中提及的車型為緊湊型乘用車，其備胎池底部沒有縱梁和橫梁，其優化難度更加苛刻。通過對被備胎池的白車身自由模態、整備車身模態、備胎池強度的三個方向去進行CAE仿真優化對比，確認優化方向及最終的使用方案。研究的結果在備胎池底部無縱橫梁的情況下，對備胎池筋的布置形式及筋高度具有重要的指導意義。

關鍵詞：薄壁化 輕量化 備胎池

Abstract：The thinning of parts has become an important means to realize lightweight in the automotive industry. As one of the main parts of the automobile body floor， the material thickness of the spare tire pool has gradually decreased from 0.8mm and 0.7mm to 0.65mm. The reduction of the thickness of the spare tire pool has brought great challenges to the stiffness and strength of the parts. The model mentioned in this paper is a compact passenger car， and there is no longitudinal beam and cross beam at the bottom of the spare wheel pool， so it is more difficult to optimize. Through the CAE simulation and optimization comparison of the free mode of the BIW， the curb mode and the strength of the spare tire pool， the optimization direction and the final use scheme are confirmed. The research results have important guiding significance for the arrangement form and height of spare tire pool reinforcement when there is no longitudinal and transverse beam at the bottom of spare tire pool.

Key words：thin wall， lightweight， the spare tire pool

1 前言

節能環保是現代汽車工業重要的主題，也是關系社會可持續發展的重大問題。大量試驗表明，汽車的質量與汽車石油消耗量有直接關系，汽車的質量每減輕100kg，百公里油量將減少0.4～1.0L。汽車質量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%，同時車輛廢氣排放量也有明顯的降低[1]。由此表明，汽車輕量化是實現節能減排的重要手段和方法之一，也是未來汽車發展方向的一個重要主題。

目前通用的汽車輕量化有兩大途徑：一是采用輕質材料，如鋁合金、高強度鋼材、塑料、碳纖維等新型材料;二是采用計算機輔助工程（CAE）技術對汽車的結構進行優化設計，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化[2]。

基于傳統的鋼車身，零部件薄壁化現已成為汽車行業實現輕量化的一個重要的手段[3]，備胎池作為汽車車身地板的主要零部件之一，其材料厚度也逐漸從0.8mm、0.7mm挑戰為0.65mm，厚度的減少給零件的剛度、強度帶來了巨大的挑戰。備胎池強度、剛度不足將在使用過程中產生局部模態失穩，甚至會產生異響或者零部件失效。我們在某乘用車項目中定義備胎池厚度為0.65mm，實現了局部零部件減重7.14%～18.75%，備胎池重量為5.582kg。由于該車為緊湊型乘用車，后地板框架中間有一根橫梁，備胎池底部無縱梁或橫梁進行加強，因此此處在設計考慮及驗證分析具有極大難度及挑戰性。

2 備胎池及整車狀態下的建模分析

涉及汽車備胎池的CAE分析主要從白車身自由模態、整備車身模態、備胎池強度三個方面進行分析確認。

2.1 模型描述

2.1.1 有限元模型-白車身

白車身的某乘用車全景天窗模型重量為346.2Kg，包含前風擋、左右懸置本體和前副車架。

白車身的SHELL單元尺寸為6mm×6mm;白車身的焊點用ACM單元模擬，焊點直徑為6mm;焊縫用RBE2模擬;白車身的粘膠用SOLID單元模擬;總裝件的螺栓連接用RBE2單元連接。按以上要求建立白車身模型。

2.1.2 白車身材料信息

白車身模型中對應的材料信息，見白車身材料信息表，如表1。

2.1.3 前后處理器及求解器

前、后處理器軟件：Hypermesh、Hyperview

求解器： Nastran

2.2 備胎池BIW局部模態

采用1.1中的白車身模型，自由邊界狀態，模態頻率：0Hz—100Hz。查看備胎池局部模態情況，要求備胎池BIW局部模態≥55Hz。

2.3 備胎池TB局部模態

采用1.1中的白車身模型，并將其他零部件加進并形成連接關系，由此即為整車模型，自由邊界狀態，模態頻率：0Hz—100Hz。查看備胎池局部模態情況，要求備胎池TB局部模態≥32Hz。

2.4 備胎池強度

截取1.1中的半個白車身模型，見圖1，以 B柱后側為界截取白車身模型，并將備胎放進去，分別做三個工況向上加載工況、向下加載工況、轉彎+制動加載工況，要求塑性應變≤0.2%。

備胎建模簡化為輪輞、外胎橡膠及鋼絲帶束層三部分，備胎為20kg。

3 方案優化對比

相對于備胎池強度，備胎池BIW局部模態和備胎池TB局部模態的關聯性和整體性要求更強，因此本項目的優化方向，優先優化備胎池BIW局部模態和備胎池TB局部模態，然后基于此優化模型再進行強度驗證及優化。

3.1 備胎池局部模態分析

備胎池的料厚選型為0.65mm，備胎池BIW局部模態和備胎池TB局部模態主要是對備胎池的筋的方向及走向進行對比優化，因此優選了三個典型筋布置方案：縱向筋（見圖2）、輪輻貫穿筋（見圖3）、弧形沉臺斷筋（見圖4）。

通過分析，提取對應的結果，如表2。縱向筋的備胎池TB局部模態，距離目標要求差很遠，因此該方案首先排除?；⌒纬僚_斷筋相對于輪輻貫穿筋的結果狀態綜合性能更為優異，但是備胎池TB局部模態仍然不滿足目標要求，需要在此基礎上進行進一步優化。

3.2 備胎池局部模態二次優化分析

弧形沉臺斷筋由八個支撐面改為十個支撐面，增加筋的密度，如圖5示意。

通過分析，備胎池BIW局部模態為56.9Hz，備胎池TB局部模態為32.5Hz，滿足要求。

結合以上四個方案，進行對比備胎池BIW局部模態和備胎池TB局部模態。其中縱向筋方案雖然滿足備胎池BIW局部模態，但是其備胎池TB局部模態離目標要求太遠，排除此結果，將其他三方案進行對比，見圖6和圖7。對比弧形沉臺斷筋和弧形沉臺斷筋2的備胎池BIW局部模態和備胎池TB局部模態，發現特定狀態下，兩種性能是此消彼長的情況。

弧形沉臺斷筋2，從內部看呈弧形底、斷筋，但是反過來從底部看，就像病毒發散狀，整體結構性非常強。

3.3 備胎池強度分析及優化

將備胎重量約束到安裝點，并且分別做向上加載工況、向下加載工況、轉彎+制動加載工況，基于弧形沉臺斷筋2的方案進行強度分析，其中向上加載工況最大塑性應變為0.5%，見圖8，不滿足要求，分析結果統計如表3。

強度不滿足要求，因此需要再進行優化，三個方案將料厚加厚至0.7mm以確認料厚的影響、將圓角球化、將筋的高度加高，圓角球化的模型見圖9。

重點優化向上加載工況，將運算后的結果進行統計，并分析結果，分別見圖10、見圖11、見圖12和表4。

通過對比驗證后的結果：加厚材料，可以改善備胎池的在向上加載工況的最大塑性應變，其結果不滿目標要求，且不符合輕量化的基本原則;局部球角優化沒有明顯的改善效果，甚至結果變得更差;將筋加高可以明顯改善結果，并且滿足目標要去;因此優選加高筋的方案。

3.4 最終優化方案驗算

將加高筋的方案替代到BIW模型和TB模型中，驗算提取出備胎池BIW局部模態和備胎池TB局部模態，發現結果與無明顯差異。

加高筋的弧形沉臺斷筋2的備胎池在白車身自由模態、整備車身模態、備胎池強度三個方面均滿足設計目標要求，因此選取改方案并應用在該車型模型中。

4 結論

通過上述分析，總結基于備胎池底部無縱橫梁的情況下，備胎池局部模態和強度的影響如下：

1）備胎池縱向筋有利于提升備胎池BIW局部模態，但是不利于備胎池TB局部模態;

2）提升材料料厚能夠提升局部強度，非必要情況下優先進行結構優化;

3）備胎池輪輻貫穿筋，在某些方面能夠顯著的提升備胎池TB局部模態。

4）備胎池弧形沉臺斷筋，雖然從內部看，斷筋很多為不利機構特征，但是從備胎底部看，其視覺效果呈病毒發散狀，能夠顯著的提升備胎池TB局部模態，并且備胎池BIW局部模態性能也與其他模型相當，對應的提升備胎池弧形沉臺斷筋的高度，能夠提升備胎池的強度。

參考文獻：

[1]尹輝俊，汪洋，劉赟，等.某乘用車備胎倉輕量化設計研究[J].機械設計，2018（5）：1001-2354.

[2]盧進海，葉南海，翟銀秀，等.某車架的可靠性分析及輕量化研究[J].機械科學與技術，2013（11）：1574-1578.

[3]湯湧，趙廣，麻桂艷，等.某車型備胎盆屈曲問題研究[J].汽車仿真與測試， 2018（5）：1671-7988.