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（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）
【摘 要】随着汽车行业的迅速发展，汽车行业的市场竞争日益激烈，用户对汽车的各项性能要求也越来越高。因此，汽車生产企业要不断满足客户各方面要求，不断提升产品性能。文章主要抓住筋条对产品特性的影响，重点介绍筋条的设计思路及其应用，以零件筋条的布置、大小、位置、形状为研究对象，对其进行仿真分析，分析筋条对强度、刚度、碰撞等汽车产品各项性能的影响，以确定筋条满足整车各项性能的要求。
【关键词】筋条；静刚度；强度；模态
【中图分类号】U463.82 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）05-0110-04
0 引言
目前，汽车行业竞争日趋激烈，为提高产品竞争能力，必须不断提高产品的各项性能。因此，对车身零件的每个细节，汽车生产企业都应非常透彻地研究，其中就包括筋条特征。不同的筋条作用各不相同，零件上筋条的合理布置能大大提高零件的刚度、强度，但布置不合理也有可能削弱零件刚度，甚至影响整车的刚度等性能。本文结合各零件所要求的性能设计不同的筋条，做相应的对比及结合仿真分析后进行相应的改进，从而满足各零件的性能要求和整车性能要求。
1 筋条设计思路
根据车身在整车性能要求不同，主要分为安全碰撞、刚度、强度三大性能区域。同时，对车身内部零件进行细分，对各区域进行不同的设计，零件不同，对筋条的布置也不相同。以下就是分区域对零件的初步设计方向。
1.1 碰撞区域筋条设计
碰撞区域主要分成吸能变形、抵抗变形区域。在筋条吸能区域设置诱导变形的筋条，在高低速碰撞中实现充分变形，吸收能量。碰撞吸能区主要在左、右前纵梁及前防撞梁吸能盒区域（如图1所示）。碰撞过程中车身的传力路径如下：首先是对防撞梁的撞击，然后对前纵梁有压缩变形，充分吸收能量，区域吸收能量约占总能量的60%[1]。碰撞区域的刚性区域主要为驾驶室区域，该区域主要为驾驶员及乘客提供保护，以免让他们受到伤害。例如，对应三踏的前纵梁处，前纵梁区域必须有足够的刚性，抵抗变形，以保证驾驶员及乘客的安全。
1.2 强度区域筋条设计
所谓强度是指结构在零件正常工作时所能承受的载荷，通常以工作应力的峰值表示强度水平，它代表整车耐用性、结构可靠性。筋条主要分散应力集中，将受力面积增大，使受力均布。车身主要为动力底盘等提供支撑及安装功能，安装功能必须安全可靠，经久耐用。以TOPmount安装支座的筋条布置为例，首先得出安装点的受力情况，并结合安装方式，参考车型设计筋条；再者，结合CAE仿真效果，针对不足区域进行改进，合理布置筋条，包括筋条的数量、位置、大小、形状。
1.3 刚度区域筋条设计
所谓刚度就是结构在正常工作时的许可应变，用刚度表示结构抵抗变形的能力，刚度是结构在发生单位变形时所需要的作用力。一般刚度分为扭转刚度与弯曲刚度，同时分为动刚度、静刚度。在受力反方向增加加强筋条，可提高刚度，公式如下：
JEFF= （1）
公式（1）中，S线长增大，刚度明显增大，而厚度t不变，因此仅改变S，刚度也是明显增大的。
2 筋条在车身零件中的应用
2.1 安全方面的应用及推广
在碰撞中，区分吸能变形区与刚性区域。确定前大梁前端筋条布置：针对前置发动机布置，在前大梁最前端布置筋条尤为关键，因为发动机是刚性体，所以在碰撞过程中不变形，同时有可能侵入防火墙，从而进入驾驶舱伤害乘员。因此，要合理地布置前纵梁内外板筋条，如图1所示。
前端位置吸能段L1，设计碰撞过程中首先诱导变形；筋条尺寸W/H确定，筋条数量N确定，能量在固定长度下起到吸能量控制作用，以控制第一个最大加速度及反弹时刻，并消化碰撞过程中60%的能量。在与发动机并行的区域设置刚性区域，主要改变筋条方向的抑制变形，实质为增加线长，从而增加截面积，提高刚性。
大梁变形规则，加速度曲线比较理想，吸能长度约400 mm，方向盘跳动量主要分2个方向，即上下前后方向，按目前设计其跳动量较小均值控制，如图2所示，大梁筋条重新优化后的仿真效果，变形模式规则。
首先从整车正面碰撞指标分解车架，然后再进行前纵梁设计，合理布置筋条，从特征、数量、大小等方面对比多个方案，得出最优方案。不仅从仿真效果可以得出筋条的影响，同时结合实际碰撞过程中大梁的变形模式（如图3所示），也可以再优化筋条，得出最佳方案。
2.2 强度方面的应用及推广
针对车身零件，主要考虑底盘及动力相关功能的安装件强度和能支承底盘功能运动件并提供安装。因此，本小节主要结合筋条优化在前减震安装点设计及强度来进行分析。
首先通过分析得出与车身作用点上承载力的大小，在A12车型中采用的是单点柱状麦弗逊前悬挂，主要先通过MOUNT与前减振上定位弧面接触，然后运用这些分析作为仿真参数，为后续计算提供验证依据。
建立仿真分析模型，从整车模型中截取前悬部分，其中包含车身前围板、左右侧板、前轮罩焊合件。运用Abaqus处理模型，并加载单边上跳相应的载荷，约束6个自由度在静态状态下，使用Hyerworks计算。
在实车验证中，不同阶段会出现不同的问题，故障模式均为开裂，随着大量实车验证问题的出现，且筋条开裂更加严重，影响整车正常行驶，本课题主要在以下方面予以加强。
预防筋条处开裂。设计过程分析结果表明，筋条处存在应力集中的情况。
首先，从冲压制造分析，避免冲压减薄严重，减薄率控制在20%以内。其中，包含实际测量零件厚度为1.48 mm（设计厚度为1.6 mm）及采用AUTOFORM分析，零件开裂区域减薄7%，成型性较好，理论与实际减薄率都得到很好控制。对比分析得出可以避免制造问题的结论。同时，在配合型面上增加筋条，起到吸料、消除起皱的作用；成型减薄率分析见表1。 其次，特征过渡平顺。确定筋条设计过渡不顺，更改筋条与平面间的过渡搭接，有效分散传递，初定以下2个方案：方案一，更改筋条Y向长度，缓慢过渡；方案二，更改筋条Y向长度，同时增加X向宽度，并设计成伞状筋条。
最后，经过分析得出结论，方案二明显优于方案一，应力下降50 MPa，改善效果明显，经整车结构耐久路试验证，筋条处完好（如图4所示）。
从案例分析到仿真再到加载载荷计算，直至前减振上定位板结构优化，经仿真计算、实车验证，解决了不同阶段的不同问题，设计出前减振上定位板最优结构。实车验证表面，筋条设置合理，完成耐久试验后，零件完好，筋条处未出现开裂。改进零件筋条结构对零件受力改善明显。
2.3 刚度方面的应用及推广
以A车架中冷却液壶安装支架为例，在B车型中优化冷却液壶支架，同时提出更改水壶外形结构的建设，以提高支架的模态、减少振动、减少焊点开裂或者降低支架开裂的风险。针对A车存在的问题进行改进设计，设计思路如下。
（1）收集装配关系信息：更改壶的外形结构以及调整装配关系，由插槽结构更换为插槽初定位，同时连接2颗螺栓。
（2）尽可能地安装悬臂短：改变壶体与支架装配相对位置，减小转矩。
（3）确定受力面积：增加受力面积，更改支架结构，使支架基础面大于水壶与支架受力面。A车型支架与轮罩焊接，焊点共3点布置成一条线，受力恰好为竖直方向，对抵抗左右转弯时出现的受力很不利。B车型经改进后，焊点实现五点焊接，布置有前后方向和左右方向焊点，且受力面积增加1倍。
（4）在原支架的基础上做细节优化，改变筋条数量，如图5所示规格。增加筋条数量，将筋条高度從5 mm调整到10 mm。
支架与水壶连接结构发生变化，调整筋条结构，增加筋条数量，不仅提高了模态，而且提高了强度，保证支架可靠耐用。支架高应力下降48%，模态从46 Hz提升到48 Hz。
3 结论
本文以白车身各结构件为研究对象，以筋条为主导，研究其对碰撞性能、强度、刚度模态的影响，得到如下结论。
（1）筋条在碰撞吸能因数、筋条的设置、数量、长度、方向等，对碰撞的影响各不相同。
（2）筋条在强度方面同样有一定贡献，能分散应力，增加受力面积。
（3）筋条数量特征对刚度、模态均有影响，贡献量较大。
总之，在零件上要合理设置筋条，其中包括数量、方向、大小、位置等，筋条设置不同，其贡献也各不相同。
参 考 文 献
[1]MAGOSHI Y，FUJ ISAWA H.SUGIURA T1 Simu-lation Technology Applied to Vehicle Development[J].Auto Vehicle Technique，2003，57（3）.
[2]张国胜，孟凡亮，张天侠，等.轿车白车身数字化建模与刚度分析[J].东北大学学报，2008，28（S2）.
[3]谈诚，梁其续.汽车车身涂装一体化项目教程[M].上海：上海交通大学出版社，2011.
[4]屈浩，王晓华，章桐.框架式车身模态分析与优化[J].公路交通科技，2010（27）.
[5]陈昌明，肖强.白车身模态灵敏度分析及结构优化[J].山东交通学院学报，2009（）.
[6]孟凡亮.轿车车身静动态特性及设计灵敏度分析[D].沈阳：东北大学，2007.
[7]杨越凯.轿车车身有限元建模及静动态特性分析[D].沈阳：东北大学，2006.
[8]陈军.MSC_ADAMS技术与工程分析实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
[9]王钰栋.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2012.
[责任编辑：陈泽琦]
【作者简介】曾蔚，男，江西寻乌人，工程硕士，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心工程师，从事车体设计工作；杨回，男，广西梧州人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心工程师，从事车体设计工作；司超群，男，河南南阳人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心工程师，从事车体设计工作。
【摘 要】随着汽车行业的迅速发展，汽车行业的市场竞争日益激烈，用户对汽车的各项性能要求也越来越高。因此，汽車生产企业要不断满足客户各方面要求，不断提升产品性能。文章主要抓住筋条对产品特性的影响，重点介绍筋条的设计思路及其应用，以零件筋条的布置、大小、位置、形状为研究对象，对其进行仿真分析，分析筋条对强度、刚度、碰撞等汽车产品各项性能的影响，以确定筋条满足整车各项性能的要求。
【关键词】筋条；静刚度；强度；模态
【中图分类号】U463.82 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）05-0110-04
0 引言
目前，汽车行业竞争日趋激烈，为提高产品竞争能力，必须不断提高产品的各项性能。因此，对车身零件的每个细节，汽车生产企业都应非常透彻地研究，其中就包括筋条特征。不同的筋条作用各不相同，零件上筋条的合理布置能大大提高零件的刚度、强度，但布置不合理也有可能削弱零件刚度，甚至影响整车的刚度等性能。本文结合各零件所要求的性能设计不同的筋条，做相应的对比及结合仿真分析后进行相应的改进，从而满足各零件的性能要求和整车性能要求。
1 筋条设计思路
根据车身在整车性能要求不同，主要分为安全碰撞、刚度、强度三大性能区域。同时，对车身内部零件进行细分，对各区域进行不同的设计，零件不同，对筋条的布置也不相同。以下就是分区域对零件的初步设计方向。
1.1 碰撞区域筋条设计
碰撞区域主要分成吸能变形、抵抗变形区域。在筋条吸能区域设置诱导变形的筋条，在高低速碰撞中实现充分变形，吸收能量。碰撞吸能区主要在左、右前纵梁及前防撞梁吸能盒区域（如图1所示）。碰撞过程中车身的传力路径如下：首先是对防撞梁的撞击，然后对前纵梁有压缩变形，充分吸收能量，区域吸收能量约占总能量的60%[1]。碰撞区域的刚性区域主要为驾驶室区域，该区域主要为驾驶员及乘客提供保护，以免让他们受到伤害。例如，对应三踏的前纵梁处，前纵梁区域必须有足够的刚性，抵抗变形，以保证驾驶员及乘客的安全。
1.2 强度区域筋条设计
所谓强度是指结构在零件正常工作时所能承受的载荷，通常以工作应力的峰值表示强度水平，它代表整车耐用性、结构可靠性。筋条主要分散应力集中，将受力面积增大，使受力均布。车身主要为动力底盘等提供支撑及安装功能，安装功能必须安全可靠，经久耐用。以TOPmount安装支座的筋条布置为例，首先得出安装点的受力情况，并结合安装方式，参考车型设计筋条；再者，结合CAE仿真效果，针对不足区域进行改进，合理布置筋条，包括筋条的数量、位置、大小、形状。
1.3 刚度区域筋条设计
所谓刚度就是结构在正常工作时的许可应变，用刚度表示结构抵抗变形的能力，刚度是结构在发生单位变形时所需要的作用力。一般刚度分为扭转刚度与弯曲刚度，同时分为动刚度、静刚度。在受力反方向增加加强筋条，可提高刚度，公式如下：
JEFF= （1）
公式（1）中，S线长增大，刚度明显增大，而厚度t不变，因此仅改变S，刚度也是明显增大的。
2 筋条在车身零件中的应用
2.1 安全方面的应用及推广
在碰撞中，区分吸能变形区与刚性区域。确定前大梁前端筋条布置：针对前置发动机布置，在前大梁最前端布置筋条尤为关键，因为发动机是刚性体，所以在碰撞过程中不变形，同时有可能侵入防火墙，从而进入驾驶舱伤害乘员。因此，要合理地布置前纵梁内外板筋条，如图1所示。
前端位置吸能段L1，设计碰撞过程中首先诱导变形；筋条尺寸W/H确定，筋条数量N确定，能量在固定长度下起到吸能量控制作用，以控制第一个最大加速度及反弹时刻，并消化碰撞过程中60%的能量。在与发动机并行的区域设置刚性区域，主要改变筋条方向的抑制变形，实质为增加线长，从而增加截面积，提高刚性。
大梁变形规则，加速度曲线比较理想，吸能长度约400 mm，方向盘跳动量主要分2个方向，即上下前后方向，按目前设计其跳动量较小均值控制，如图2所示，大梁筋条重新优化后的仿真效果，变形模式规则。
首先从整车正面碰撞指标分解车架，然后再进行前纵梁设计，合理布置筋条，从特征、数量、大小等方面对比多个方案，得出最优方案。不仅从仿真效果可以得出筋条的影响，同时结合实际碰撞过程中大梁的变形模式（如图3所示），也可以再优化筋条，得出最佳方案。
2.2 强度方面的应用及推广
针对车身零件，主要考虑底盘及动力相关功能的安装件强度和能支承底盘功能运动件并提供安装。因此，本小节主要结合筋条优化在前减震安装点设计及强度来进行分析。
首先通过分析得出与车身作用点上承载力的大小，在A12车型中采用的是单点柱状麦弗逊前悬挂，主要先通过MOUNT与前减振上定位弧面接触，然后运用这些分析作为仿真参数，为后续计算提供验证依据。
建立仿真分析模型，从整车模型中截取前悬部分，其中包含车身前围板、左右侧板、前轮罩焊合件。运用Abaqus处理模型，并加载单边上跳相应的载荷，约束6个自由度在静态状态下，使用Hyerworks计算。
在实车验证中，不同阶段会出现不同的问题，故障模式均为开裂，随着大量实车验证问题的出现，且筋条开裂更加严重，影响整车正常行驶，本课题主要在以下方面予以加强。
预防筋条处开裂。设计过程分析结果表明，筋条处存在应力集中的情况。
首先，从冲压制造分析，避免冲压减薄严重，减薄率控制在20%以内。其中，包含实际测量零件厚度为1.48 mm（设计厚度为1.6 mm）及采用AUTOFORM分析，零件开裂区域减薄7%，成型性较好，理论与实际减薄率都得到很好控制。对比分析得出可以避免制造问题的结论。同时，在配合型面上增加筋条，起到吸料、消除起皱的作用；成型减薄率分析见表1。 其次，特征过渡平顺。确定筋条设计过渡不顺，更改筋条与平面间的过渡搭接，有效分散传递，初定以下2个方案：方案一，更改筋条Y向长度，缓慢过渡；方案二，更改筋条Y向长度，同时增加X向宽度，并设计成伞状筋条。
最后，经过分析得出结论，方案二明显优于方案一，应力下降50 MPa，改善效果明显，经整车结构耐久路试验证，筋条处完好（如图4所示）。
从案例分析到仿真再到加载载荷计算，直至前减振上定位板结构优化，经仿真计算、实车验证，解决了不同阶段的不同问题，设计出前减振上定位板最优结构。实车验证表面，筋条设置合理，完成耐久试验后，零件完好，筋条处未出现开裂。改进零件筋条结构对零件受力改善明显。
2.3 刚度方面的应用及推广
以A车架中冷却液壶安装支架为例，在B车型中优化冷却液壶支架，同时提出更改水壶外形结构的建设，以提高支架的模态、减少振动、减少焊点开裂或者降低支架开裂的风险。针对A车存在的问题进行改进设计，设计思路如下。
（1）收集装配关系信息：更改壶的外形结构以及调整装配关系，由插槽结构更换为插槽初定位，同时连接2颗螺栓。
（2）尽可能地安装悬臂短：改变壶体与支架装配相对位置，减小转矩。
（3）确定受力面积：增加受力面积，更改支架结构，使支架基础面大于水壶与支架受力面。A车型支架与轮罩焊接，焊点共3点布置成一条线，受力恰好为竖直方向，对抵抗左右转弯时出现的受力很不利。B车型经改进后，焊点实现五点焊接，布置有前后方向和左右方向焊点，且受力面积增加1倍。
（4）在原支架的基础上做细节优化，改变筋条数量，如图5所示规格。增加筋条数量，将筋条高度從5 mm调整到10 mm。
支架与水壶连接结构发生变化，调整筋条结构，增加筋条数量，不仅提高了模态，而且提高了强度，保证支架可靠耐用。支架高应力下降48%，模态从46 Hz提升到48 Hz。
3 结论
本文以白车身各结构件为研究对象，以筋条为主导，研究其对碰撞性能、强度、刚度模态的影响，得到如下结论。
（1）筋条在碰撞吸能因数、筋条的设置、数量、长度、方向等，对碰撞的影响各不相同。
（2）筋条在强度方面同样有一定贡献，能分散应力，增加受力面积。
（3）筋条数量特征对刚度、模态均有影响，贡献量较大。
总之，在零件上要合理设置筋条，其中包括数量、方向、大小、位置等，筋条设置不同，其贡献也各不相同。
参 考 文 献
[1]MAGOSHI Y，FUJ ISAWA H.SUGIURA T1 Simu-lation Technology Applied to Vehicle Development[J].Auto Vehicle Technique，2003，57（3）.
[2]张国胜，孟凡亮，张天侠，等.轿车白车身数字化建模与刚度分析[J].东北大学学报，2008，28（S2）.
[3]谈诚，梁其续.汽车车身涂装一体化项目教程[M].上海：上海交通大学出版社，2011.
[4]屈浩，王晓华，章桐.框架式车身模态分析与优化[J].公路交通科技，2010（27）.
[5]陈昌明，肖强.白车身模态灵敏度分析及结构优化[J].山东交通学院学报，2009（）.
[6]孟凡亮.轿车车身静动态特性及设计灵敏度分析[D].沈阳：东北大学，2007.
[7]杨越凯.轿车车身有限元建模及静动态特性分析[D].沈阳：东北大学，2006.
[8]陈军.MSC_ADAMS技术与工程分析实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
[9]王钰栋.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2012.
[责任编辑：陈泽琦]
【作者简介】曾蔚，男，江西寻乌人，工程硕士，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心工程师，从事车体设计工作；杨回，男，广西梧州人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心工程师，从事车体设计工作；司超群，男，河南南阳人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心工程师，从事车体设计工作。