某乘用车备胎池的结构设计

周清 申威 薛广新 李志高 罗培锋

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

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

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）技术对汽车的结构進行优化设计，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%。

备胎建模简化为轮辋、外胎橡胶及钢丝带束层三部分，备胎为20kg。

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）備胎池轮辐贯穿筋，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.