龔元明 姜濤 鄧國輝 張海鵬

摘要：以某車型車底護(hù)板為研究對象，采用CATIA軟件建立車底護(hù)板實(shí)體模型，使用有限元分析軟件Hyperworks對車底護(hù)板進(jìn)行靜態(tài)載荷和抗沖擊性能仿真分析，評估固定方案、加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)以及材料選擇等因素的影響，為車底護(hù)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：車底護(hù)板 靜態(tài)載荷 抗沖擊 有限元分析

中圖分類號：U270.6?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B?? DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230148

CAE Analysis and Optimization of the Stiffness and Impact Resistance on Underbody Protection Panel

Gong Yuanming， Jiang Tao， Deng Guohui， Zhang Haipeng

（FAW-Volkswagen Automotive Co.， Ltd.， Changchun 130011）

Abstract： With a car underbody protection panel as the research object， a solid model of the underbody protection panel was established using CATIA software. The finite element analysis software Hyperworks was used to simulate and analyze the static load and impact resistance performance of the car underbody protection panel， evaluate the effects of factors including fixed solutions， reinforcement structure， material selection and etc. The simulation results provide a theoretical basis for the design and material selection of the car underbody protection panel structure.

Key words： Underbody protection panel， Static load， Impact resistance， Finite element analysis

作者簡介：龔元明（1979—），男，高級工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)槠囓嚿硗怙椉_發(fā)。

參考文獻(xiàn)引用格式：

龔元明， 姜濤， 鄧國輝， 等. 車底護(hù)板剛度和抗沖擊性能CAE分析和優(yōu)化[J]. 汽車工藝與材料， 2024（4）： 8-12.

GONG Y M， JIANG T， DENG G H， et al. CAE Analysis and Optimization of the Stiffness and Impact Resistance on Underbody Protection Panel[J]. Automobile Technology & Material， 2024（4）： 8-12.

1 前言

為了防止汽車行駛過程中，地面凸起與車身底部摩擦造成車身損壞及雨雪等對車身造成腐蝕，在汽車制造過程中一般會在車身底部噴涂厚度1～1.5 mm的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride Chloride，PVC）層進(jìn)行防護(hù)。隨著汽車市場的發(fā)展，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性逐漸成為購買者關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，汽車在行駛過程中受到的空氣阻力是汽車行駛阻力的重要組成部分，而安裝車底護(hù)板能平整車底凹凸形貌特征，極大地降低汽車在行駛過程中，特別是高速行駛過程中受到的氣流干擾，風(fēng)阻系數(shù)一般可降低0.006[2]。車底護(hù)板在降低空氣阻力的同時可以替代PVC涂層，對車輛底部鈑金、底盤管路以及線束管路起到較好保護(hù)。同時，為了規(guī)避底護(hù)板本身的腐蝕問題，塑料材質(zhì)底護(hù)板目前得到了大量應(yīng)用，譬如城市路況車型一般采用PP改性或增強(qiáng)塑料，而對于越野等壞路車型則采用GMT等高強(qiáng)度增強(qiáng)塑料。

使用CATIA軟件對車底護(hù)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，借助Hyperworks有限元仿真軟件對不同材料、固定點(diǎn)方式以及加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)車底護(hù)板進(jìn)行靜力學(xué)和落球仿真分析，基于有限元仿真分析有效避免了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的盲目性，為車底護(hù)板的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)和思路，能快速找到最優(yōu)材料和最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2 車底護(hù)板常用材料

某車型底護(hù)板采用改性聚丙烯，常用底護(hù)板材料有5種：聚丙烯+聚乙烯+5%礦物粉（PP+PE+MD05）；聚丙烯+聚乙烯+三元乙丙橡膠+33%礦物粉（PP+PE+EPDM-MD33）；增強(qiáng)塑料，即聚丙烯+20%玻璃纖維（PP+GF20）；片狀增強(qiáng)塑料（Glass Mat reinforced Thermoplastics，GMT）輕質(zhì)增強(qiáng)塑料（Low Weight Reinforced Thermoplastics，LWRT）。表1所示為5種底護(hù)板材料的基本信息，在選材時一般要考慮材料成本等因素。

3 車底護(hù)板有限元模型建立

3.1 車底護(hù)板實(shí)體模型

根據(jù)某車型車底防護(hù)的需要，采用CATIA軟件設(shè)計(jì)一款車底護(hù)板，如圖1所示，車底護(hù)板通過若干個螺母（圖1中編號1）與車身上的焊接螺柱固定，前端通過若干個螺栓（圖1中編號1）與輪護(hù)板固定，后端通過若干個螺栓（圖1中編號3）與后底護(hù)板固定。塑料車底護(hù)板材料厚度2 mm，輕質(zhì)增強(qiáng)熱塑性塑料車底護(hù)板材料厚度6 mm。

3.2 車底護(hù)板有限元模型

如圖2所示，將車底護(hù)板實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于底護(hù)板屬于薄壁類零件，長度方向的尺寸遠(yuǎn)小于寬度方向上的尺寸，因此選用殼單元來劃分網(wǎng)格。提取中面，按照幾何厚度0.1 mm的梯度劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為殼單元，平均尺寸為5 mm，分為三角形和四邊形，設(shè)置單元邊長為5 mm。共生成88 128個網(wǎng)格單元，其中三角形單元占比3.4%，占比較少但網(wǎng)格質(zhì)量較高。劃分好的有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。對底護(hù)板的12個安裝孔，約束全6個方向自由度[3]。

3.3 有限元載荷工況的確定

為模擬汽車在高速行駛時車底護(hù)板受到的風(fēng)載，可以將其等同于均布壓力，在車底護(hù)板施加Z向30 g的加速度，以此評判車底護(hù)板的剛度。

為驗(yàn)證底護(hù)板的防沖擊性能，需滿足落球試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對車底護(hù)板進(jìn)行落球仿真：落球質(zhì)量為500 g，落球直徑為50 mm，落下高度為400 mm，沿Z向沖擊車底護(hù)板最薄弱位置，評判車底護(hù)板的抗沖擊強(qiáng)度。如圖3所示為車底護(hù)板靜態(tài)載荷有限元載荷工況，圖4所示為落球沖擊有限元載荷工況。

4 靜力學(xué)分析及落球分析結(jié)果

4.1 固定方案對車底護(hù)板性能的影響分析

為了評估固定點(diǎn)對車底護(hù)板性能的影響，使用CATIA軟件對車底護(hù)板模型進(jìn)行優(yōu)化。如圖5和表2所示，針對固定點(diǎn)間距以及固定點(diǎn)位置建立了3個不同的CATIA模型。

使用Hyperworks對以上3個CATIA模型進(jìn)行靜態(tài)載荷和落球沖擊仿真分析，車底護(hù)板材料定義為PP-GF20，物理性能見表1的材料3。靜態(tài)載荷分析結(jié)果見圖6，從中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化固定點(diǎn)位置可以改善車底護(hù)板剛度，固定點(diǎn)間距越小，車底護(hù)板剛度越好，但是3個方案剛度都滿足最大變形量20 mm的要求；落球沖擊分析結(jié)果見圖7，從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著固定點(diǎn)間距增大，車底護(hù)板受到的沖擊強(qiáng)度越大，方案3受到的沖擊達(dá)到78 MPa，已經(jīng)接近PP-GF20的斷裂強(qiáng)度。綜合靜態(tài)載荷分析、落球沖擊分析結(jié)果及成本，方案2最優(yōu)。

4.2 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對車底護(hù)板性能的影響分析

為評估不同加強(qiáng)形式對車底護(hù)板性能的影響，使用CATIA軟件對車底護(hù)板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。如圖8所示，使用單筋、雙筋、圓筋及方筋等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)建立了4個不同的CATIA模型。

使用Hyperworks對以上4個CATIA模型進(jìn)行靜態(tài)載荷和落球沖擊仿真分析，車底護(hù)板材料定義為PP-GF20，具體物性見表1的材料3。靜態(tài)載荷分析結(jié)果見圖9，從中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化不同加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式對底護(hù)板剛度影響不大，4種加強(qiáng)方案剛度都滿足最大變形量20 mm的要求，其中單筋和雙筋2種加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)形式最優(yōu)；落球沖擊分析結(jié)果見圖10，從中可以發(fā)現(xiàn)，單筋結(jié)構(gòu)車底護(hù)板沖擊強(qiáng)度最大，圓筋結(jié)構(gòu)車底護(hù)板沖擊強(qiáng)度最小。綜合靜態(tài)載荷分析和落球沖擊分析結(jié)果，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對車底護(hù)板剛度優(yōu)化作用不明顯，但對車底護(hù)板抗沖擊優(yōu)化作用較強(qiáng)，對于受到石擊風(fēng)險較大的區(qū)域可優(yōu)先考慮采用圓筋或方筋形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4.3 材料選擇對車底護(hù)板性能的影響分析

為了評估材料對車底護(hù)板性能的影響，針對3.1節(jié)的CATIA模型，使用Hyperworks進(jìn)行模態(tài)、靜態(tài)載荷和落球沖擊仿真分析，車底護(hù)板材料物理性能見表1中的5種常用車底護(hù)板材料。

靜態(tài)載荷分析結(jié)果見圖11，從中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化材料可以改善車底護(hù)板剛度，LWRT材料的車底護(hù)板剛度最優(yōu)，PP+PE-MD05材料的車底護(hù)板剛度最差，其剛度不滿足最大20 mm的變形量要求，需要考慮進(jìn)一步優(yōu)化固定點(diǎn)布置或局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；落球沖擊分析結(jié)果見圖12，從中可以發(fā)現(xiàn)，不同材料車底護(hù)板受到的沖擊強(qiáng)度差異較大，LWRT材料車底護(hù)板的沖擊強(qiáng)度最小，PP-GF20材料車底護(hù)板的沖擊強(qiáng)度最大，其中PP+PE-MD05和PP+PE+EPDM-MD33材料車底護(hù)板的沖擊強(qiáng)度已超出材料斷裂強(qiáng)度，需要進(jìn)一步優(yōu)化固定點(diǎn)布置和局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。綜合靜態(tài)載荷分析和落球沖擊分析結(jié)果，針對壞路工況較多車型優(yōu)先選擇GMT和LWRT材料，其次是PP-GF20材料，針對經(jīng)濟(jì)性城市路面工況較多車型則可考慮采用PP+PE-MD05和PP+PE+EPDM-MD33材料，但同時需更多考慮固定方案以及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的選擇和優(yōu)化。

模態(tài)分析結(jié)果見圖13，從中可以發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)的塑料底護(hù)板固有頻率存在差異，但是一般塑料底護(hù)板固有頻率為30～40 Hz，基本避開了車身底板的固有頻率（200 Hz左右），因此，塑料底護(hù)板不會與車身產(chǎn)生共振。同時發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度高的底護(hù)板材料固有頻率較大，譬如：PP-GF20、PA-GF20、GMT及LWRT底護(hù)板的固有頻率基本一致（38 Hz）；PP+PE+EPDM-MD33次之，約為32 Hz；PP+PE-MD05最低，約為30 Hz。

5 結(jié)論

a. 改變固定點(diǎn)布置可以改善車底護(hù)板剛度，固定點(diǎn)間距越小，車底護(hù)板剛度越好。綜合靜態(tài)載荷分析、落球沖擊分析結(jié)果和材料成本考慮，固定間距設(shè)置在約為400 mm最優(yōu)。

b. 不同加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式對車底護(hù)板剛度影響不大，但對車底護(hù)板抗沖擊性能影響明顯。對于車底護(hù)板受到石擊沖擊風(fēng)險較大的區(qū)域，可考慮采用圓筋或方筋形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，一般區(qū)域則可考慮采用單筋或是雙筋形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

c. 材料對于車底護(hù)板剛度和沖擊性能影響最為明顯，GMT和LWRT材料最優(yōu)，其次是PP-GF20材料，PP+PE-MD05和PP+PE+EPDM-MD33材料最差，但是經(jīng)濟(jì)性較好。新能源車型電池一般設(shè)置在車身底部，一般考慮采用GMT材質(zhì)車底護(hù)板進(jìn)行保護(hù)。

d. 材料對于車底護(hù)板固有頻率有影響，但研究的幾種塑料材料車底護(hù)板固有頻率在30～40 Hz范圍內(nèi)，與車底鈑金固有頻率200 Hz相差較大，因此不會產(chǎn)生共振等NVH問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 常原， 賀斌， 陳麗華， 等. 整車前地板位置底部護(hù)板設(shè)計(jì)[J]. 汽車零部件， 2016（2）： 20-24.

[2] 袁志群， 谷正氣， 何憶斌， 等. 汽車底部結(jié)構(gòu)對氣動特性影響的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2010， 22（8）： 1832-1836+1841.

[3] 王萍萍， 夏湯忠. CAE技術(shù)在某發(fā)動機(jī)下護(hù)板國產(chǎn)化中的應(yīng)用[C]// 2010中國汽車工程學(xué)會年會論文集. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社.