韋智敏

摘 要：現(xiàn)今隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車不再單純只是滿足人們出行的需求，還要提供乘客在使用過程舒適的體驗(yàn)。汽車頂蓋系統(tǒng)是車子封閉空間重要組成部分，對(duì)汽車的舒適性有著重大影響，設(shè)計(jì)研發(fā)中要給予足夠重視。文章主要介紹某車型頂蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研發(fā)過程，講述在頂蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中如何協(xié)調(diào)各項(xiàng)功能和性能，以滿足整車舒適性能要求。整個(gè)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了車輛對(duì)標(biāo)，以及應(yīng)用CAE仿真工具對(duì)頂蓋的模態(tài)和抗凹進(jìn)行模擬分析，最終確定設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：頂蓋系統(tǒng)；舒適性；模態(tài)；CAE

中圖分類號(hào)： TB482.2；TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）15-0016-02

1 概 述

頂蓋系統(tǒng)是車子封閉空間重要組成部分，主要指車身頂部的蓋板，包括頂蓋、頂蓋前橫梁合件、頂蓋后橫梁焊合件、頂梁等常見結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

其與側(cè)圍、地板、前隔板、車門等零部件總成連接，共同形成一個(gè)廂式封閉空間。從外觀上看，頂蓋的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，部分車子頂蓋是一個(gè)平整大面，當(dāng)尺寸達(dá)到一定范圍的車輛在大面上設(shè)計(jì)有凸起筋條。頂梁根據(jù)需要布置于頂蓋內(nèi)部，起到支撐頂蓋和安裝零件作用。頂蓋系統(tǒng)除了封閉的功能，需要研究的最重要兩個(gè)性能是頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力和頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)。這兩大性能主要受頂蓋大面形狀、頂蓋上凸起筋條、頂梁影響。頂蓋系統(tǒng)抗抗雪壓能力指頂蓋承受濕雪厚度的能力，而頂蓋系統(tǒng)一階模之所以重要是因?yàn)樗鼤?huì)態(tài)影響整車舒適性。下文將講述在某車型開發(fā)過程中如何合理利用頂蓋大面、筋條和頂梁結(jié)構(gòu)，通過借助CAE模擬工具來調(diào)整頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力和頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)。

2 設(shè)計(jì)過程

頂蓋屬于外觀件，頂蓋大面形狀影響整車外形風(fēng)格和車輛整體尺寸。因此在車輛開發(fā)前期已經(jīng)初步定義了中間截面，造型根據(jù)截面發(fā)布第一版數(shù)據(jù)。用第一版數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)標(biāo)評(píng)估。依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)標(biāo)提出頂蓋大面的曲率半徑要求，曲率半徑對(duì)頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力和模態(tài)有很大的影響。

頂梁橫向不均勻布置于車身內(nèi)部，部分車輛根據(jù)功能要求在橫梁間布置有縱梁。頂梁的主要作用是支撐頂蓋，同時(shí)為內(nèi)部零件提供所需的安裝點(diǎn)，頂梁前后位置和數(shù)量影響頂蓋系統(tǒng)的抗雪壓能力和模態(tài)。本次頂蓋系統(tǒng)中間截面，如圖2所示，前后橫梁焊合件位于兩端，中間不均勻設(shè)置四根橫梁。

本次案例車型項(xiàng)目要求抗雪壓目標(biāo)值大于70 cm，一階模態(tài)目標(biāo)值大于37 Hz。該頂蓋系統(tǒng)外廓尺寸長(zhǎng)寬分別為2 300 mm、 1 060 mm，屬于大型的頂蓋。設(shè)計(jì)過程中可以調(diào)整的主要因素有：頂蓋大面橫向曲率半徑、頂蓋筋條形狀尺寸和數(shù)量、頂梁尺寸和數(shù)量。如圖3所示。

頂蓋大面橫向曲率半徑影響車子外觀和風(fēng)阻，能夠給頂蓋系統(tǒng)調(diào)整的空間是有限的。在有限的調(diào)整范圍內(nèi)，分析得知橫向曲率半徑越小系統(tǒng)抗雪壓能力越佳，模態(tài)也越高。

頂蓋筋條一般分為圓弧狀、三角和梯形三種。三種筋條的形狀對(duì)抗雪壓能力和頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)改變不明顯，可以根據(jù)車子外形風(fēng)格選擇其中一種。筋條粗細(xì)和長(zhǎng)短對(duì)抗雪壓能力和頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)有影響。筋條截面，如圖4所示，筋條粗細(xì)表現(xiàn)在筋條的寬和高尺寸。筋條寬、高尺寸增加頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力增加，但是頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)會(huì)下降。

筋條長(zhǎng)短指的是筋條在頂蓋大面是前后方向距離，筋條前后長(zhǎng)度尺寸增加頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力增加，同時(shí)頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)下降。

頂梁設(shè)計(jì)為倒幾字形，與頂蓋外表面無(wú)法焊接，因此在與頂蓋配合部位預(yù)留涂膠與頂蓋粘結(jié)。除去兩端涂膠的結(jié)構(gòu)，頂梁的性能由中間腔體寬和高決定，如圖5所示。

頂梁寬高增加，頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力和頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)都會(huì)增加。其中高度方向變化對(duì)這兩大性能影響更有效。

以頂蓋大面橫向曲率半徑改變作為階段劃分。第一階段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)頂蓋大面上四根凸筋，內(nèi)部設(shè)計(jì)四根橫梁；第二階段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在第一階段基礎(chǔ)上調(diào)整橫梁數(shù)量和位置，設(shè)計(jì)五根橫梁；第三階段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在第一階段基礎(chǔ)上調(diào)整凸筋尺寸和數(shù)量，設(shè)計(jì)五根凸筋；第四階段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)重新設(shè)計(jì)大面，頂蓋大面上四根凸筋，內(nèi)部設(shè)計(jì)四根橫梁。各個(gè)階段頂蓋系統(tǒng)性能表現(xiàn)，見表1。

頂蓋系統(tǒng)俯視圖，如圖6所示。

3 思考總結(jié)

在上述設(shè)計(jì)過程中，利用可調(diào)整的幾個(gè)主要因素：頂蓋大面橫向曲率半徑、頂蓋筋條形狀尺寸和數(shù)量、頂梁尺寸和數(shù)量，這幾個(gè)因素對(duì)頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力和頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)影響程度各不相同，需要利用各個(gè)因素的特性來設(shè)計(jì)。

頂蓋大面橫向曲率半徑是保證頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力和頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)的最重要因素，因?yàn)榭v向曲率半徑受造型風(fēng)格影響幾乎無(wú)法更改，所以橫向曲率半徑是設(shè)計(jì)階段我們需要認(rèn)真研究。頂蓋曲率半徑調(diào)整不影響零件成本，假如頂蓋很平的情況下只能增加頂梁或者其它補(bǔ)強(qiáng)方式來保證頂蓋應(yīng)有的性能，無(wú)論增加頂梁還是補(bǔ)強(qiáng)都會(huì)增加系統(tǒng)的重量和成本，這是開發(fā)過程中不希望看到的。我們需要對(duì)頂蓋大面橫向曲率半徑認(rèn)真研究，選擇一個(gè)合適的曲率范圍。

頂蓋筋條尺寸和數(shù)量對(duì)頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力和頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)影響是相反的。除了對(duì)頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力和頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)的影響，頂蓋筋條還影響車輛外觀性能，需要盡量弱化筋條的視覺特征，頂蓋筋條對(duì)零件沖壓成型性有幫助材料流動(dòng)的功能。重要的是頂蓋上增加筋條不影響單件成本。鑒于筋條強(qiáng)化能增加頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力，但同時(shí)頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)會(huì)降低這種關(guān)系，設(shè)計(jì)的任務(wù)是在兩者間進(jìn)行取舍來找出最佳平衡狀態(tài)。

頂梁相對(duì)前兩個(gè)因素最大的區(qū)別是會(huì)增加系統(tǒng)重量和成本，所以在可能的情況下要盡量減少頂梁尺寸和數(shù)量。前文提到頂梁高度方向尺寸增加對(duì)頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力和頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)都能有效提高。但是在頂蓋高度一定的情況下增加頂梁高度會(huì)犧牲車子內(nèi)部空間，一般不建議往這個(gè)方向去優(yōu)化。綜合所有情況來分析頂梁需要有效且合理使用。

最終在本次設(shè)計(jì)選擇一個(gè)合適的頂蓋大面橫向曲率半徑、四根圓形頂蓋筋條和四根經(jīng)優(yōu)化的頂梁。經(jīng)過優(yōu)化的頂蓋系統(tǒng)抗雪壓能力90 cm，頂蓋系統(tǒng)一階模態(tài)值37.4 Hz，如圖7所示。

從這個(gè)案例中我們學(xué)到，設(shè)計(jì)車輛某一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，首先了解本系統(tǒng)與周邊系統(tǒng)的配合關(guān)系，其次是分析本系統(tǒng)受制約的條件，最后提煉出本系統(tǒng)內(nèi)可以充分利用的因素。除此之外，我們的目標(biāo)應(yīng)該是滿足項(xiàng)目對(duì)本系統(tǒng)的性能要求前提下，需要對(duì)整車的成本進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，這是提高車輛上市競(jìng)爭(zhēng)力很好的手段。

參考文獻(xiàn)：

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