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NO.18 2019
( Cumulativety NO.54 )
中国高新科技
China High-tech  2019年第18期（总第54期）
0　引言
随着我国汽车工业的高速发展，人们对汽车的外观感知提出了越来越高的要求。间隙段差作为整车静态感知质量中的重要指标之一，备受整车厂和消费者关注。其中，翼子板、前照灯、前保险杠和发动机罩之间的配合状态是整车前部尺寸（间隙段差）控制的关键点，这些零件在白车身上的安装点多，装配尺寸链复杂，尺寸匹配问题多。为了满足整车前部间隙段差的要求，除了要求翼子板、前照灯和前保险杠等零件具有一定的精度外，对车身精度也提出了更高的要求。对白车身精度而言，除了受生产制造水平的影响，在很大程度上也受零件结
构设计的影响。
图1　某微型车前部结构
大灯罩零件是翼子板、前照灯和前保险杠的关键支撑部位之一，需要为这些零件提供足够支撑刚度的定位基准和安装点。某微车的前部零件搭接情况如图1所示，车身零件大灯罩为翼子板、前照灯
和前保险杠提供整车坐标系下的X方向和Y方向安装点，可以看出大灯罩零件的结构稳定性直接影响到装配其上的零件的匹配状态，从而影响整车前部间隙段差的一致性。
在本文中，某微车在生产过程中存在整车前部尺寸一致性差的问题，即翼子板、前照灯和前保险杠之间的配合间隙段差超差严重，如图2所示。通过分析白车身日常监测的CMM数据发现，大灯罩上这些零件安装点的测点数据同样存在不稳定、波动较大的问题。进而通过现有大灯罩零件实物分析和验证，发现零件刚度偏小是导致问题发生的根本
原因。
图2　大灯罩安装点说明及实车前部间隙段差状态
排除掉生产制造的因素，大灯罩零件刚度不足的根本原因是结构设计不合理。而且由于大灯罩零
某微型车大灯罩刚度优化设计
王道斌　乔　涛　刘　亮
（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）
摘要：以保证翼子板、前照灯以及前保险杠区域的整车前部间隙段差为出发点，分析了某款微型车大灯罩的结构及存在的静刚度不足问题，通过大灯罩内部零件的力学关系分析和CAE分析，对其进行设计优化，以提高大灯罩零件的静刚度，保证整车前部间隙段差要求。
关键词：CAE；静刚度；大灯罩  文献标识码：A  中图分类号：U463
文章编号：2096-4137（2019）18-47-03  DOI：10.13535/jki.10-1507/n.2019.18.15
收稿日期：2019-08-22
作者简介：王道斌（1971-），男, 湖北随州人，上汽通用五菱汽车股份有限公司中级工程师，硕士，研究方向: 汽车精益制造。
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件刚度设计不足，导致在零件焊接、包装运输和车身焊接、总装装配过程中都会发生不可控的零件变形，如图3所示。最终的结果则是表现为大灯罩安装支架无法为装配其上的翼子板、前照灯和前保险杠提供可靠的定位基准和安装点，造成几个零件之间
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匹配状态差，从而显著影响整车前部尺寸的感知。
图3　零件刚度不足的过程分析
1　大灯罩结构与刚度
1.1　零件结构
某微车的大灯罩结构如图4所示，其结构中对翼子板、前照灯和前保险杠起到定位支撑作用的子零件主要是安装支架、安装支架加强板、安装支架连接板、大灯罩支撑板以及大灯罩连接板。在安装支架上集成有翼子板、前照灯和前保险杠的安装点，其他4个零件则起到结构支撑和加强的作用。大灯罩零件局部结构的静刚度是保证翼子板、前照灯和前保险杠尺寸匹配精度的基础。
（1）大灯罩中的安装支架、安装支架连接板以及安装支架加强板的力学关系可以简化为外伸梁受力模型，即安装支架连接板为结构固定的一端，安装加强板作为其中一个约束支座主要起到支撑结构的作用，而安装支架则作为为伸出支座之外的另一端。作为外伸端的安装支架在受到载荷作用时，安装支架的变形量即为此结构的局部刚度，可以看作主要受与安装支架直接相连的安装支架加强板和
安装支架连接板结构的影响。
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图4　大灯罩结构分析
（2）大灯罩支撑板在大灯罩结构中的力学关系可以简化为简支梁受力模型，即两端位置分别与其他零
件连接固定，中间受到来自于安装加强板传递过来的集中载荷。可以看出，大灯罩支撑板零件自身的结构刚度对安装支架、安装支架加强板和安装支架加强板三者的结构稳定性有直接影响。1.2　刚度优化分析雾灯怎么开
对目前大灯罩结构，通过实车评估发现大灯罩安装支架的悬臂梁结构刚度不足，手指轻压变形比较明显。对大灯罩进行CAE静刚度分析，发现大灯罩安装支架在受到大小为100N的Y方向额定载荷作用时，最大变形量达到10.29mm，Y方向静刚度明显偏低。而由于大灯罩安装支架上集成了翼子板、前照灯和前保险杠的主要定位点和安装点，所以大灯罩对翼子板、前照灯和前保险杠之间配合尺寸的
影响属于大灯罩结构的局部刚度问题，结构的局部刚度除取决于材料之外，还与其几何形状、边界条件等因素以及外力的作用形式有关。
丰田油电混合2022款报价及图片从简单载荷作用下梁的挠度公式可知：
式中，E为弹性模量；I为横截面对中性轴的惯性矩。
所以，此类刚度问题的主要影响因素有：（1）关键区域的截面尺寸大小，提高截面的惯性矩；
（2）零件之间接头位置的接头刚度；（3）提高对刚度比较灵敏零件的料厚。通过以上分析可知，在零件材料不变的前提下，本文中提到的大灯罩零件的局部刚度主要取决于大灯罩子零件的截面特性以及边界条件，在如图5所示方向的受力状态下，起到结构抵抗变形的主要因素除了安装支架和安装支架连接板自身的结构刚度之外，还有安装支架加强板对二者的支撑作用，以及大灯罩支撑板对安装支架加强板的支撑作用，以上3个因素共同实现大灯罩结构的局部刚度，从何影响翼子板、前照灯和前保险杠的定位和
匹配精度。
图5　大灯罩现有结构的刚度CAE分析
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2　具体方案分析
由于车型布局已定，只能在翼子板、前照灯和前保险杠的安装位置不做调整的前提下优化大灯罩零件的局部静刚度。考虑翼子板和前照灯在大灯罩上的装配方式，此区域间隙段差对大灯罩在整车坐标系下的Y方向静刚度最为敏感，大灯罩在此条件下的静刚度可看作结构在受Y方向作用力时的变形程度。通过前面的大灯罩结构分析和刚度分析，为了提高在大灯罩在Y方向上的静刚度，减小翼子板、前照灯和前保险杠装配后的的配合尺寸超差量，本文主要从提高结构抗弯刚度EI的角度出发，进而对大灯罩子零件的截面结构和边界支撑进行优化，具体方案如表1所示。
表1　大灯罩静刚度提升方案及CAE分析结果
通过以上大灯罩5种静刚度优化方案的CAE变形云图可以发现，5种优化方案使结构静刚度都有了一定幅度的提高，其中：上海通用五菱
（1）方案4的静刚度提升效果最为明显，将安装支架加强板和和安装支架连接板合二为一做成一体式结构，并优化与大灯罩支撑板的支撑位置，有效减短了外伸梁伸出端的长度，在100N的Y方向额定载荷作用下，结构变形量由原来的10.29mm减小到2.83mm，在同等条件下的变形要比原设计的分体式结构小72.5%。而且在提升静刚度的同时，简化
了零件结构，降低了零件成本，因此为最优方案。
（2）方案1、3和5则通过增加料厚以及增加新零件的思路，分析数据显示，对减小结构变形提高静刚度的效果不是非常明显，而且通过增加料厚不利于提高轻量化水平和降低产品成本，显然不是结构设计优化的理想方案。方案2与方案4相比，虽然在结构静刚度改善程度上相差无几，但也同样存在增加零件重量和成本的问题，属于次优方案。
同时CAE分析结果也验证了与安装支架直接相连接的安装支架加强板、安装支架支撑板以及大灯罩支撑板是影响结构静刚度的关键零件，因此通过优化结构提高零件抗弯刚度来减小结构变形的方案是本文的最优选择，主要途径是改变零件本身的截面形状，优化零件搭接位置。
3　结语
大灯罩是影响翼子板、前照灯以及前保险杠匹配尺寸精度的重要零件，针对某微型车前照灯、翼子板和前保险杠区域间隙段差不稳定的问题，以提高这些零件安装点的局部静刚度为优化目标，用简支梁和外伸梁的力学模型理论来分析和优化该微车的大灯罩结构，在不改变零件料厚增加重量和成本的前提下，通过优化关键零件的截面尺寸来提高零件的抗弯刚度EI，最终通过CAE分析和实物验证，确定了大灯罩零件结构静刚度优化的最佳方案，在提高大灯罩结构静刚度减小安装点变形量的同时，也达到了降低成本和提高轻量化水平的效果，
对大灯罩类零件的结构设计和优化有一定的指导
意义。
参考文献
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结构研究[J]．汽车零部件，2018（2）：90-93.[3]  邓春阳，李东旭，杨树鹏，等．某商用车身静刚度优
化设计[J]．汽车实用技术，2018（24）：160-163.
（责任编辑：周加转）