乘用车备胎池的结构设计探究
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摘要：零部件薄壁化现已成为汽车行业实现轻量化的一个重要的手段，备胎池作为汽车车身地板的主要零部件之一，其材料厚度也逐渐从0.8mm、0.7mm减薄为0.65mm，备胎池厚度的减少给零件的刚度、强度带来了巨大的挑战。而本文中提及的车型为紧凑型乘用车，其备胎池底部没有纵梁和横梁，其优化难度更加苛刻。通过对被备胎池的白车身自由模态、整备车身模态、备胎池强度的三个方向去进行CAE仿真优化对比，确认优化方向及最终的使用方案。研究的结果在备胎池底部无纵横梁的情况下，对备胎池筋的布置形式及筋高度具有重要的指导意义。
关键词：薄壁化轻量化备胎池
1前言
节能环保是现代汽车工业重要的主题，也是关系社会可持续发展的重大问题。大量试验表明，汽车的质量与汽车石油消耗量有直接关系，汽车的质量每减轻100kg，百公里油量将减少0.4～1.0L。汽车质量每减少10％，燃油消耗可降低6％～8％，同时车辆废气排放量也有明显的降低[1]。由此表明，汽车轻量化是实现节能减排的重要手段和方法之一，也是未来汽车发展方向的一个重要主题。目前通用的汽车轻量化有两大途径：一是采用轻质材料，如铝合金、高强度钢材、塑料、碳纤维等新型材料；二是采用计算机辅助工程（CAE）技术对汽车的结构进行优化设计，使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化[2]。基于传统的钢车身，零部件薄壁化现已成为汽车行业实现轻量化的一个重要的手段[3]，备胎池作为汽车车身地板的主要零部件之一，其材料厚度也逐渐从0.8mm、0.7mm挑战为0.65mm，厚度的减少给零件的刚度、强度带来了巨大的挑战。备胎池强度、刚度不足将在使用过程中产生局部模态失稳，甚至会产生异响或者零部件失效。我们在某乘用车项目中定义备胎池厚度为0.65mm，实现了局部零部件减重7.14%～18.75%，备胎池重量为5.582kg。由于该车为紧凑型乘用车，后地板框架中间有一根横梁，备胎池底部无纵梁或横梁进行加强，因此此处在设计考虑及验证分析具有极大难度及挑战性。
2备胎池及整车状态下的建模分析
涉及汽车备胎池的CAE分析主要从白车身自由模态、整备车身模态、备胎池强度三个方面进行分析确认。
2.1模型描述
2.1.1有限元模型-白车身。白车身的某乘用车全景天窗模型重量为346.2Kg，包含前风挡、左右悬置本体和前副车架。白车身的SHELL单元尺寸为6mm×6mm；白车身的焊点用ACM单元模拟，焊点直径为6mm；焊缝用RBE2模拟；白车身的粘胶用SOLID单元模拟；总装件的螺栓连接用RBE2单元连接。按以上要求建立白车身模型。2.1.2白车身材料信息。白车身模型中对应的材料信息，见白车身材料信息表，如表1。2.1.3前后处理器及求解器前、后处理器软件：Hypermesh、Hyperview求解器：Nastran
2.2备胎池BIW局部模态
采用1.1中的白车身模型，自由边界状态，模态频率：0Hz—100Hz。查看备胎池局部模态情况，要求备胎池BIW局部模态≥55Hz。
2.3备胎池TB局部模态
采用1.1中的白车身模型，并将其他零部件加进并形成连接关系，由此即为整车模型，自由边界状态，模态频率：0Hz—100Hz。查看备胎池局部模态情况，要求备胎池TB局部模态≥32Hz。
2.4备胎池强度
截取1.1中的半个白车身模型，见图1，以B柱后侧为界截取白车身模型，并将备胎放进去，分别做三个工况向上加载工况、向下加载工况、转弯+制动加载工况，要求塑性应变≤0.2%。
3方案优化对比
相对于备胎池强度，备胎池BIW局部模态和备胎池TB局部模态的关联性和整体性要求更强，因此本项目的优化方向，优先优化备胎池BIW局部模态和备胎池TB局部模态，然后基于此优化模型再进行强度验证及优化。
3.1备胎池局部模态分析
备胎池的料厚选型为0.65mm，备胎池BIW局部模态和备胎池TB局部模态主要是对备胎池的筋的方向及走向进行对比优化，因此优选了三个典型筋布置方案：纵向筋（见图2）、轮辐贯穿筋（见图3）、弧形沉台断筋（见图4）。通过分析，提取对应的结果，如表2。纵向筋的备胎池TB局部模态，距离目标要求差很远，因此该方案首先排除。弧形沉台断筋相对于轮辐贯穿筋的结果状态综合性能更为优异，但是备胎池TB局部模态仍然不满足目标要求，需要在此基础上进行进一步优化。
3.2备胎池局部模态二次优化分析
弧形沉台断筋由八个支撑面改为十个支撑面，增加筋的密度，如图5示意。通过分析，备胎池BIW局部模态为56.9Hz，备胎池TB局部模态为32.5Hz，满足要求。结合以上四个方案，进行对比备胎池BIW局部模态和备胎池TB局部模态。其中纵向筋方案虽然满足备胎池BIW局部模态，但是其备胎池TB局部模态离目标要求太远，排除此结果，将其他三方案进行对比，见图6和图7。对比弧形沉台断筋和弧形沉台断筋2的备胎池BIW局部模态和备胎池TB局部模态，发现特定状态下，两种性能是此消彼长的情况。弧形沉台断筋2，从内部看呈弧形底、断筋，但是反过来从底部看，就像病毒发散状，整体结构性非常强。
3.3备胎池强度分析及优化
将备胎重量约束到安装点，并且分别做向上加载工况、向下加载工况、转弯+制动加载工况，基于弧形沉台断筋2的方案进行强度分析，其中向上加载工况最大塑性应变为0.5%，见图8，不满足要求，分析结果统计如表3。强度不满足要求，因此需要再进行优化，三个方案将料厚加厚至0.7mm以确认料厚的影响、将圆角球化、将筋的高度加高，圆角球化的模型见图9。重点优化向上加载工况，将运算后的结果进行统计，并分析结果，分别见图10、见图11、见图12和表4。通过对比验证后的结果：加厚材料，可以改善备胎池的在向上加载工况的最大塑性应变，其结果不满目标要求，且不符合轻量化的基本原则；局部球角优化没有明显的改善效果，甚至结果变得更差；将筋加高可以明显改善结果，并且满足目标要去；因此优选加高筋的方案。
3.4最终优化方案验算
将加高筋的方案替代到BIW模型和TB模型中，验算提取出备胎池BIW局部模态和备胎池TB局部模态，发现结果与无明显差异。加高筋的弧形沉台断筋2的备胎池在白车身自由模态、整备车身模态、备胎池强度三个方面均满足设计目标要求，因此选取改方案并应用在该车型模型中。
4结论
通过上述分析，总结基于备胎池底部无纵横梁的情况下，备胎池局部模态和强度的影响如下：1）备胎池纵向筋有利于提升备胎池BIW局部模态，但是不利于备胎池TB局部模态；2）提升材料料厚能够提升局部强度，非必要情况下优先进行结构优化；3）备胎池轮辐贯穿筋，在某些方面能够显著的提升备胎池TB局部模态。4）备胎池弧形沉台断筋，虽然从内部看，断筋很多为不利机构特征，但是从备胎底部看，其视觉效果呈病毒发散状，能够显著的提升备胎池TB局部模态，并且备胎池BIW局部模态性能也与其他模型相当，对应的提升备胎池弧形沉台断筋的高度，能够提升备胎池的强度。
参考文献：
[1]尹辉俊，汪洋，刘赟，等．某乘用车备胎仓轻量化设计研究[J]．机械设计，2018（5）：1001-2354．
[2]卢进海，叶南海，翟银秀，等．某车架的可靠性分析及轻量化研究[J]．机械科学与技术，2013（11）：1574-1578．
[3]汤湧，赵广，麻桂艳，等．某车型备胎盆屈曲问题研究[J]．汽车仿真与测试，2018（5）：1671-7988．
作者:周清 申威 薛广新 李志高 罗培锋 单位:广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院