10.16638/jki.1671-7988.2017.14.059
陈自凯1，2，吕超1，2，张骥超1，2，王晨磊1，2
（1.宝山钢铁股份有限公司研究院，上海201900；
2.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室（宝钢），上海201900）
摘要：以天窗加强框为考察对象，在整车环境下进行整车刚度、整车模态、顶压、雪压和外板抗凹分析，提取了对天窗加强框最敏感的整车扭转刚度工况，并根据该工况进行天窗加强框的激光拼焊（TWB）设计，通过厚度灵敏度优化分析，到了天窗加强框的最佳厚度匹配方式，在保证各项性能不下降的同时，实现了天窗加强框的轻量化设计。
关键词：激光拼焊；天窗；天窗加强框；轻量化设计
中图分类号：U463.83+5 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)14-172-03
Application of TWB in lightweight design of skylight reinforce frame
Chen Zikai1,2, Lv Chao1,2, Zhang Jichao1,2, Wang Chenlei1,2
（1.BAOSHAN IRON & STEEL CO., LTD., Shanghai 201900; 2.State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels(BaoSteel), Shanghai 201900 )
Abstract: In order to study the skylightreinforce frame, vehicle stiffness,vehiclemodal, top pressure, snow pressure and plate dent is analyzed in the vehicle environment, and the most sensitive torsion stiffness condition is extractedfor the skylightreinforce frame, then laser welding design for the roof reinforced frame is conducted according to the conditions, and the optimum thickness distribution of roofstrengthen frame is found through the sensitivityanalysis of thickness optimization, eventually the lightweight design of skylight reinforce frame is achieved while performances remains unchanged. Keywords: TWB; Skylight; Skylight reinforce frame; Lightweight design
汽车天窗CLC NO.: U463.83+5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)14-172-03
引言
汽车天窗能够有效地使车内空气流通，增加新鲜空气的进入，同时汽车车窗也可以开阔视野，也常用
于移动摄影摄像的拍摄需求[1-2]。而天窗加强框作为天窗的安装部件，其设计更为重要，合理的加强框设计可以满足安装强度，消除天窗加强框与天窗在行驶过程中的异响，避免加强框与密封胶条的摩擦异响，降低因密封胶条磨损而导致胶条破裂的几率[3-4]。
此外，天窗对整车性能也有较大影响，一般而言，同一个车型的天窗版跟非天窗版相比，在整车扭转刚度、NVH、顶压、雪压及外板抗凹等性能上，天窗版的性能较低。因此，合理的天窗加强框结构、厚度以及材料设计尤为必要。
激光拼焊（TWB）技术将不同材料及不同厚度的板材通过激光能量自动焊合的过程，该技术针对不同零部件不同部位对性能要求的不同，合理分配材料，用最优的尺寸和最佳的材料分布实现车身轻量化，同时保证车身的性能不下降[5]。
工艺装备
作者简介：陈自凯（1988-），男，现就职于宝山钢铁股份有限公司。主要研究方向为结构优化、汽车碰撞安全。
汽车实用技术
173 2017年第14期
目前，激光拼焊技术普遍应用于汽车车身的制造过程中，在B柱、前纵梁、车门内板、顶盖横梁等诸多部位都有应用。
1 原天窗加强框设计方案
某车型原天窗加强框设计如图1所示，采用整体式冲压成形，材料定义为DC04，厚度为1.5mm，重2.74kg。
图1 原天窗加强框设计
整体式天窗加强框设计存在较大的材料浪费，由于DC04/1.5mm规格的材料在该车身上仅天窗加强框处使用，因而其冲裁剩下的中间大块余料不能回收，导致极大的材料浪费，成本较高。另一方面，天窗加强框上各处所需要的性能是不一样的，因而其需要的厚度也不一样，采用整体式设计就存在厚度和性能的冗余，不能最大限度地发挥材料的作用。综合来看，采用整体式天窗加强框不能满足成本和轻量化的需求。
2 敏感工况的提取
天窗加强框对整车扭转刚度、整车弯曲刚度、整车一阶扭转模态、整车一阶弯曲模态、顶压、雪压、顶盖外板抗凹性能均有不同程度的影响，为了准确识别对天窗加强框而言最敏感的工况，进行以上各工况的厚度灵敏度分析，即更改天窗加强框的厚度1mm，对比以上各工况的归一化的灵敏度值，结果如表1所示。
表1 各工况对天窗加强框厚度的灵敏度
其中，
从上表可以看出，天窗加强框对雪压、整车扭转刚度、顶压和抗凹的影响最显著。
雪压的详细结果见图2，虽然天窗加强框厚度减小后变形增加很大，但在加载力范围内未仍未失稳，安全裕度较大，雪压工况一般能满足，对天窗加强框而言，雪压不是恶劣工况。
图2 雪压对比分析的位移云图及位移曲线
顶压的详细结果见图3，虽然天窗加强框厚度减小后刚度曲线降低比较明显，但其屈服点远超合格线，对天窗而言，顶压不是恶劣工况。
图3 顶压对比分析的位移云图及刚度曲线
抗凹的详细结果见图4，加载点的位置为消费者手能按到的位置，考察加载点在一定载荷下的位移和卸载后的残余变形，从表1的结果看，加载点的位移和参与变形低于要求的7mm和0.5mm，均满足要求，因此，对天窗加强框而言，抗凹不是恶劣工况。
图4 抗凹对比分析的位移云图
整车扭转刚度的详细结果见图3.4，要求整车扭转刚度不低于22000N/mm，从表3.1可知，目前状态扭转刚度不达标，且对天窗加强框的归一化灵敏度高，因此，对天窗加强框而言，整车扭转刚度是最敏感的恶劣工况。
图5 整车扭转刚度位移云图
接下来，将以整车扭转刚度为评价目标，进行天窗加强框的激光拼焊设计及优化。
3 天窗加强框的TWB设计
激光拼焊形式的天窗加强框可以通过合理分片及优化厚
陈自凯等：TWB技术在天窗加强框轻量化设计中的应用174 2017年第14期
度和排样，大幅提高材料利用率，降低原材料成本和重量，
同时，通过合理的工艺设计，可以降低激光拼焊工艺的成本，综合来看，激光拼焊形式的天窗加强框具有显著的减重降本优势。
图6 天窗加强框激光拼焊设计
四片式天窗加强框激光拼焊设计如图6所示，材料保持不变，将整体式天窗加强框分为四块坯料，先将坯料激光焊接，再整体冲压成形，综合材料利用率提升8%。其中2号件左右对称，采用相同的厚度。
4 天窗加强框的厚度灵敏度分析
厚度灵敏度分析就是确定特性响应对板件厚度变化的灵敏度，灵敏度分析是结构优化的基础，根据灵敏度分析结果，可以加厚质量小而灵敏度大的板件、减薄质量大而灵敏度小或负灵敏板件，最终实现性能改进同时满足轻量化设计要求。
为了迅速准确识别TWB形式的天窗加强框各部件厚度对整车扭转刚度的贡献度，进行厚度灵敏度分析：以1号件、2号件和3号件的厚度作为设计变量（变量上下限分别为2.5mm和0.7mm），以整车扭转刚度目标，进行灵敏度分析，分析结果如图7所示，横坐标为部件号。
其中：扭转刚度灵敏度表示设计变量对应的部件厚度增加1mm时，扭转刚度的增加量；单位质量灵敏度即扭转刚度灵敏度与质量灵敏度的比值，而质量灵敏度表示设计变量对应的部件厚度增加1mm时，整体质量的增加量。因此，扭转刚度灵敏度反映了部件对整车扭转刚度的贡献度，而单位质量扭转刚度灵敏度除了反映单位质量的该部件对整车扭转刚度的贡献度，体现了轻量化的因素。
图7 扭转刚度灵敏度分析结果
从灵敏度结果来看，2号件的扭转刚度灵敏度和单位质量扭转刚度灵敏度最高，3号件的扭转刚度灵敏度和单位质量扭转刚度灵敏度最低，因此，可以加厚2号件，减薄3号件，可以在满足扭转刚度性能的前提下，实现天窗加强框的质量最轻。5 天窗加强框的厚度优化
根据灵敏度分析结果，对天窗加强框的厚度进行优化，并验算了整车扭转刚度，如表2所示。
表2 天窗加强框厚度优化结果
2号件和3号件分别取设计变量的上下限，1号件的厚度经几轮调整后最终确定为1.8mm。
厚度优化后，天窗加强框重量大幅降低14.5%，实现减重0.44kg，效果显著，同时，整车扭转刚度达到22305N/mm，满足性能指标。另外，由于雪压、顶压、抗凹、整车模态和整车弯曲的性能裕度较高，且跟天窗加强框的关联不大，因此，可以认为这些性能基本不受优化方案的影响，在此略去了这些工况的验证。
需要说明的是，天窗加强框除了对以上工况有有影响外，对天窗玻璃的安装强度性能也有要求[2]，但对天窗玻璃安装强度起主要作用的是2号件，而优化方案中2号件的厚度是增加的，对安装强度性能是有提高的，因此也略去了该工况的验证。
6 结论
文章针对某车型整体式天窗加强框材料利用率低，重量较大的问题，提出了激光拼焊形式的天窗加强框优化方案。首先在整车环境下进行整车刚度、整车模态、顶压、雪压和外板抗凹分析，提取了对天窗加强框最敏感的整车扭转刚度工况，并根据该工况进行天窗加强框的激光拼焊设计，通过厚度灵敏度分析及优化，到天窗加强框的最佳厚度匹配方式，减重显著，实现了天窗加强框的轻量化设计，同时提高了整车扭转刚度性能。
参考文献
[1] 李伟鏊.汽车天窗玻璃密封条开启.关闭异响问题的研究[J].汽车
实用技术,2012(7):64-68.
[2] 冯有成，邓本波.一种天窗加强框结构的优化设计[J].农业装备与
车辆工程,2014(7):74-77.
[3] 吴明.天窗有什么用［J］.汽车知识,2003(4):6.
[4] 王晓虎，张之彧.天窗密封条摩擦异响问题的研究.上海汽车, 2010
(7):45-48.
[5] 郑德兵，赵一鸣，潜圣汶.激光拼焊技术在车顶天窗加强框上应用
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