汽车侧围产生鼓包的原因与方案优化

谭文娟，彭 鸿，朱贞英，项 剑

(1.浙江吉利控股集团制造工程(ME)中心，浙江宁波 315336;2.浙江吉利汽车研究院有限公司，杭州 311228)

1 侧围鼓包问题概述

某款车型个别车辆左侧围(带加油口侧)出现鼓包现象，如图1所示，产生的原因不详。为此寻求鼓包产生原因以便提出改进措施。

为了探求侧围鼓包出现的原因，笔者先进行收集、分析、归纳处理相关客户提供的信息。经过仔细调查，产生鼓包的车辆后备箱基本装满了物品。再与汽车制造基地技术部工艺科及冲压、焊装、涂装、总装厂技术人员进行广泛深入的交流，采集相关数据及信息。根据采集来的信息结合冲压、温度场、碰撞CAE分析以探求出问题产生的原因，并提出改善方案。

图1 市场上出现的汽车左侧围鼓包

2 侧围鼓包产生的原因

通过与汽车制造人员的交流得知，前期白车身在烘烤过程中，左侧曾出现过鼓包现象，后经技术改进，在焊装阶段于侧围鼓包处内侧贴附加强衬板，烘烤时侧围鼓包现象消失。但客户反映在车辆行驶至几百公里到几万公里不等的路程后，仍有少量车辆会左侧围加油口附近出现鼓包现象，原因不明。

2.1 冲压件的自身内在缺陷

冲压件在成形过程中，假定由于成形不充分，造成外板件在后期因时效因素可能会引起局部发生变形。本研究着重考察侧围外板鼓包部位的塑性变形状态。在坯料上绘制网格圆，经过全工序冲压后测出侧围外板鼓包处网格圆的应变状态，见图2。

图2 应用网格圆测量侧围的冲压件质量

测量变形后的网格圆并计算出主、次应变，见表1。结果表明:次应变从0到0.021 8不等，都大于或等于0，符合外板件的冲压质量要求;主应变大于0，大部分大于0.02并小于0.03，在可接受的范围内，有少许的潜在缺陷。经过与鼓包侧围的对照，侧围鼓包高度在5～10 mm，冲压件的潜在缺陷难以引起如此大的变形。为了进一步验证鼓包处的质量，使用超声波测厚仪进行厚度测量，所有测量点的变薄率均在10% ～20%，都大于3%的判定标准，金属塑性变形充分。结果表明:冲压件自身存在鼓包风险的概率极小。

表1 现场测试出的重点部位主、次应变

后期采用冲压CAE软件对左侧围进行分析，重点考察变薄率、主应变及次应变。材料为DC06，厚度为0.8 mm，采用弹塑性力学模型，材料成形性能参数采用宝钢标准，坯料大小与进料量采用现场测试出的数据进行分析，拉延筋采用等效拉延筋。

分析变薄率云图(图3)可见:在鼓包处的变薄率为5.51%，鼓包附近区域的变薄率在4.75% ～7.55%，都大于3%的判定标准，满足发生塑性变形的要求。

图3 冲压CAE分析变薄率云图

分析主应变云图(图4)可见:鼓包处的主应变为0.06，鼓包附近的主应变为0.035 ～0.122，主应变也满足发生塑性变形的要求。

图4 主应变云图

再对次应变云图(图5)进行分析可见:鼓包处的次应变为0.006 3，鼓包附近的次应变为0.005 6 ～0.024 9，次应变大于0，符合外板件的冲压质量要求。

图5 次应变云图

通过冲压CAE对侧围外板进行分析，结果表明:塑性变形基本满足成形要求，出现鼓包的概率极小。

2.2 温度场的变化对侧围外板造成的影响

在基本排除冲压件潜在原因引起鼓包的条件下，鉴于车辆在试制过程中烘烤时出现鼓包的事实，经过分析认为:温度是影响侧围鼓包的重要原因。采集汽车批量化生产阶段的烘干炉炉温曲线，得出烘烤温度在140℃ ～180℃，烘烤时间约为27 min。

根据炉温曲线，对侧围进行了温度场CAE分析。在与侧外板相连的各焊点处施加6个自由度(SPC123456)的约束，与玻璃作用处施加3个自由度(SPC123)的约束，侧围温度载荷从25℃加热到180℃。随着温度增加，CAE分析结果显示:侧围加油口附近出现越来越严重的变形，最大变形的分析结果见图6。由图6可见:侧围在加热过程中引起变形的最大变形量为5.98 mm。随后对无加油口盖的侧围进行模拟，分析结果也显示出现了鼓包。随着温度降低，鼓包处逐渐恢复平整。

图6 温度场引起侧围鼓包变形

对比两者差异可见:对于有加油口的侧围，在温度上升过程中，以加油口上端与后背门搭接的凹面圆心处为基点，以凹面与加油口的最小距离为近似旋转轴，材料受热膨胀，两端同时以旋转轴向内侧挤压引起变形;在加油口处受到加油口的约束，侧向挤压材料无法向纵向移动(无法朝着加油口上端凹面最小距离连线方向流动，故在平面上只有单向流动)，造成堆积，引起塑性变形;而无加油口侧围材料在侧向和纵向方向上都可以流动(双向流动)，变形程度较低，随着温度降低，容易逐渐恢复原状。

为分析加强衬板的作用，以外门为例分别对加强衬板和钢板面施压。

从表2、图7和表3可见:① 未贴加强衬板的裸钢板抗变形性能不及加强衬板;② 复合加强衬板厚度越，抗变形能力越强;③复合加强衬板贴至钢板上比加强衬板抵抗变形性能强。

再对加强衬板进行烘烤、脱落试验。目的:①研究抗振动性;② 分析面板抗扭曲性。步骤:①将衬板贴附在略涂过油的钢板上，停放3 h以上，平放置在(175±5)℃恒温箱中保持(25±2)min，取出后冷却停放1 h以上，从距地面500 mm的高度，分别采取平行于地面、垂直于地面交替落下，每次落下后观察是否有松动、脱落和隆起现象，不同方向各进行2次;② 将衬板贴附在略涂过油的钢板上，然后放在(175±5)℃恒温箱中保持(25±2)min，取出后冷却停放1 h以上，测量扭曲位移，要求其小于等于3 mm。结果:① 均无松动、脱落和隆起现象;② 扭曲位移均小于等于3 mm。结论:汽车上所用的加强衬板合格。对加强衬板进行烘烤、脱落实验也表明，加强衬板对控制变形有利。

表2 加强衬板面受力 N

图7 加强衬板面位移

表3 加强衬板钢板面受力 N

对加强衬板进行温度场模拟，位移云图见图8。其中，p1位置无衬板时最大位移量为5.98 mm，带衬板时最大位移量为3.86 mm。结果表明:加强衬板对鼓包有控制作用。模拟结果受材料参数等诸多因素限制，有进一步研究的重要价值。与工程实际应用进行对比，结果表明:加强衬板可以控制左侧围鼓包。

图8 温度场引起变形量的对比分析

2.3 冲击载荷的影响

在制造基地调研过程中，了解到试车员在试车时，当拖钩受到冲击后出现左侧围鼓包现象。随后扩大调查该款车型左侧围鼓包信息来源，得知出现鼓包的车辆存在拖钩被撞的事实，但由于鼓包都是事后不经意间发现的，车主不能十分确定是否为碰撞引起的。

经过详细研究，认为碰撞为左侧围鼓包的极其重要的诱因。为验证推测，进行碰撞后拖钩CAE分析。建立碰撞模型，材料为DC06，厚度为0.8mm，屈服强度为140 MPa，抗拉强度为290 MPa，泊松比为0.3，弹性模量为2.07 ×105MPa。

方案1 如图9所示，整车以60 km/h的速度从前至后碰撞刚性障碍物，障碍物圆角直径为30 mm，与拖钩的交错高度为10 mm。模拟碰撞过程为:整车经碰撞后飞越障碍物后再落地。

图9 方案1碰撞模型

对方案1进行碰撞CAE分析，碰撞后侧围应力分布云图见图10，可见左侧围加油口斜上端应力集中。在应力集中区域，观察应变云图(图11)，结果显示在相同区域应变集中。分析结果表明:拖钩碰撞会引起左侧围鼓包，出现位置与现场完全一致，如图12所示。观察右侧侧围，相应区域无明显变化。

图10 后拖钩碰撞仿真的应力云图

图11 后拖钩碰仿真应力、应变云图

图12 实车与碰撞防真侧围鼓包对比

方案2 某款车型以60 km/h速度向后倒车，拖钩撞击到路面突起障碍物。考察左、右侧围应力、应变集中情况，并确定其在加油口附近是否出现鼓包现象。结果表明:左侧围加油口上部有应力集中，但程度较小，没有明显鼓包。

方案3 在方案1基础上，拖钩放置在右侧，考察左、右侧围的应力、应变集中情况，并确定其在加油口附近是否出现鼓包现象。结果表明:左侧加油口上部有应力集中，但程度较小，没有明显鼓包;右侧围也无明显鼓包现象。

方案4 在方案1基础上，去掉左侧后尾灯安装支架(减重方案)，考察左、右侧围的应力、应变集中情况，并确定其在加油口附近是否出现鼓包现象。结果表明:左侧围加油口上部有应力集中，但程度较小，没有明显鼓包。

由以上分析结果可见:侧围以车轮上部减振器处为支点，以车轮后部的侧围和尾灯处的负荷为载重形成了悬臂梁，当正碰拖钩时，在加油口上部薄弱环节，材料受到压缩引起鼓包，当后碰拖钩时，相同位置的材料受到拉伸无堆积现象，故无明显鼓包。

3 后拖钩实车碰撞试验

为了验证拖钩碰撞的准确性，对实车进行后拖钩碰撞试验。选取车身编号为LJU8824S6ASO39327的车辆作为试验车进行碰撞试验。

基于图9的碰撞CAE分析模型进行碰撞试验，但由于驾驶员要对准地面上的固定桩去撞击不仅困难，且非常危险。经过分析，在试验过程中选取汽车试验场的起伏路面进行撞击试验，如图13所示。但拖钩离地面太高，并未碰到路面的突起部分。随后，在后备箱加载重物约50 kg，拖钩依然未碰到路面。

图13 起伏路面试验后拖钩碰撞地面

重新寻找类似车库进出口的路面，最终在某处找到如图14所示的路面，路面斜坡呈折角，起伏较大，符合车库出入口急下坡的路况条件。经过多次测试，并在后备箱加载以压低后拖钩，使之与地面接近。当在后备箱加载约120 kg，车辆在共乘坐3位成人男子的条件下，车辆在沿斜坡下行过程中，车尾下部贴近地面，后拖钩与地面发生激烈撞击(图15)，地面被后拖钩摩擦出一道约10 mm的深槽，左侧围加油口盒斜上方区域产生鼓包(图16)。

图14 大角度斜坡试验路面

图15 后拖钩与地面发生碰撞

图16 后备箱加载试验及侧围鼓包

4 解决方案

基于以上分析结果，针对鼓包出现的不同阶段，分别采用不同的方法:对于烘烤时期产生的鼓包，用加强衬板控制;对于拖钩发生碰撞后产生的鼓包，则采用避免碰撞的方式进行鼓包控制。

4.1 粘贴加强衬板

选择刚性好、黏性足、耐高温(180℃)、厚度在2 mm以上的加强衬板，要保证覆盖整个鼓包区域，见图17。粘贴方式能有效控制由温度变化引起的变形。加强衬板在采购过程中，做好烘烤后抗振和抗扭及刚度试验，硬化后抗剪应力值应大于等于2 MPa，确保加强衬板质量。

图17 加强衬板粘贴区域

4.2 优化拖钩结构方案

鉴于该款车型是已经批量生产，因此保证原来的安装位置不变，修改后拖钩的结构，由竖直向下改为水平方向，如图18、19所示。改进后的结构在原来的基础上抬高60 mm，使车辆在行驶过程中避免碰撞后拖钩而引起侧围鼓包。经过计算分析，改进后的后拖钩满足拉力要求和挂钢丝绳的空间避让要求，现已经投入生产。经调查，优化后的结构未出现鼓包现象。

图18 后拖钩原始结构

图19 后拖钩优化后的结构

4.3 对以后车型设计的建议

1)为了避免烘烤时由于温度升高对侧围变形的影响，建议图20中的R应尽量设计大些，避免在烘烤过程中加油口上端材料发生大的挤压变形。

2)为了避免冲击过程中悬臂梁过长，在设计时建议L不易过大。

3)为了在冲击过程中使加油口上端材料便于流动，建议加油口不易过深，圆形加油口结构优于方形加油口结构，分件结构优于整体结构。

4)尽量减小尾灯及其尾灯支座的质量，以减小冲击过程中的振动。

5)建议车型开发阶段进行温度场和冲击CAE等方面的分析。

图20 侧围尾部优化方案

5 结束语

侧围鼓包是个复杂的金属塑性变形过程。在寻找侧围鼓包出现原因的过程中，首先从冲压角度考虑，其次从温度和碰撞方面考虑。经过CAE模拟和实际测量，基本排除冲压因素。再运用温度场和碰撞CAE进行分析，确认温度和碰撞对侧围鼓包均造成影响。经过后拖钩实车碰撞试验，验证了侧围鼓包主要是由后拖钩受到撞击引起的。根本原因为车身侧围尾部的V型结构，在温度场或冲击作用下加油口附近(V型尖点处)出现压缩类应力集中，由于加油口处深度较大，刚性较强，集中应力无法释放而引起塑性变形。最后，采取相应的措施解决了侧围鼓包问题，并提出在今后车型设计工作中避免此类缺陷产生的建议。

［1］曾攀.有限元分析及应用［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［2］胡世光，陈鹤峥.板料冷冲压成形的工程解析［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004.

［3］王锡春.汽车涂装工艺技术［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［4］林忠钦.汽车板精益成形技术［M］.北京:机械工业出版社 ，2009.

［5］庄蔚敏.工艺过程材料特性变化对车身结构件抗撞性影响研究［D］.长春:吉林大学，2006.

［6］苏保国.轿车车身结构碰撞数值模拟计算研究［D］.大连:大连理工大学，2001.

［7］王昶，何玉林，胡亚民，等.轿车车身覆盖件冲压模具工艺补充面设计与应用［J］.锻压技术，2006(5):100－103.

［8］王金武.汽车覆盖件冲压成形缺陷的精细分析与仿真优化方法研究［D］.长春:吉林大学，2010.

［9］索忠林.金属塑性与超塑性拉伸失稳及其力学解析［D］.长春:吉林大学，2006.

［10］曾国平，黄文彬.求解弹塑性问题时考虑材料可压缩性的影响［J］.固体力学学报，1988(4):366－371.