汽车前地板过渡板逆向设计

摘  要：逆向工程在实际工业生产中应用广泛。在传统的工业生产中，工人生产的劳动强度大、劳动量大，严重影响生产效率的提高。随着当今科技的发展， 工业生产中逆向设计的使用已经越来越引起人们的重视，而被大量应用到工业生产中来。逆向工程的自动送料技术也投入到实际的生产中，逆向工程可以大大的提高劳动生产效率，减轻工人负担，具有重要的技术进步意义和经济价值。 本文提出采用逆向设计来生产过渡板的新工艺，并针对某规格过渡板逆向设计研究。

关键词：过渡板；曲线曲面理论；快速原型制造；逆向工程

1汽车前地板过渡板概述

地板是整个驾驶室的基础，它支撑着驾驶室本身及驾驶员、乘员的重量，同时还承受汽车运动中产生的载荷、振动、冲击和扭矩^[1]。因此，对地板应有以下要求 ：

1：刚度要大：汽车地板总成是其它总成的安装基础，座椅、操纵机构也要固定其上，它们的准确位置要靠地板来保证，因此要求地板的刚度要足够大。若地板产生变形，则各总成将失去正确的工作位置，势必影响驾驶员的操作，甚至无法工作^[2]。

2：强度要好：汽车地板总成在驾驶室中受力最大，受力情况也最为复杂。它不仅要承受本身各总成的重量，驾驶员与乘员的重量，还要承受汽车运动中由底盘传来的各种力、力矩。

3：要有良好的舒适性和方便性：驾驶内要宽敞，地板部分要平整，便于驾驶员在室内操作自如。

设计步骤：汽车地板总成的设计首先要确定地板的结构形式及最低尺寸线；其次是根据受力分析及结构形式，确定汽车地板的结构；然后进行具体结构设计，定出各处结构尺寸及相互关系，绘出各断面的结构及尺寸图；最后进行零件数模设计及二维图^[3]。

结构设计：汽车地板的结构是根据地板的受力情况，并考虑工艺性来决定的，例如悬置点处的悬置支架要有足够的刚度和强度。悬置支架刚性地固定在地板上，地板本身是薄钣金件，它的刚度与悬置支架的刚度相差悬殊，使用中势必引起连接处的应力集中。因此，要设计出刚度较大的梁联结地板与悬置支架，该梁与地板连接处的刚度要逐渐变化，起过渡作用，防止因应力集中而引起地板变形及撕裂。地板总成一般会有梁，梁一般多采用U型断面，再与地板焊成闭口断面组成梁。其高度为宽度的1~1.5倍^[4]。

在设计中要考虑到工艺性，如板料的冲压、焊接，还要满足刚性、减振、隔音、隔热、密封、防锈、涂漆等诸多方面的要求。

冲压：板件的拉延深度，对于大量生产的汽车车身覆盖件，一般都尺寸较大，采用二次或多次拉延是不合适的。因此，一般要注意拉延深度不能太大。但也不能太小，因为对车身刚性来说，拉延深度越大，刚性越好^[5]。

尽量使制件各方面的拉延深度基本一致，可使板料在拉延过程中各处都有大致相同的变形量。另外，在分块时，必须考虑拉延方向，不能有凸模大不到的死角。避免制件分块线在圆弧上。若在圆弧上分块，势必要在圆弧上焊接，难以保证焊后的工作表面圆滑及焊接强度。在圆弧上分块，也使冲压的逆向设计制造困难。零件设计要左右对称，这样可以成双拉延，使之达到板料变形均匀。尽量不用或少用反拉延^[6]。

焊接：在各种组装工艺中，以焊接方式最适合车身的组装工艺。焊接工艺中又以点焊最适合驾驶室的装配。其它的焊接方式，如电弧焊、二氧化碳气体保护焊、气焊等，只能作为辅助焊接方式，用以局部加强及补焊。点焊有许多优点。生产效率高，焊接质量好；在焊接过程中，可以实现机械化，自动化；劳动条件好，不产生有害气体和强光。因此，在设计中，应优先考虑使用点焊，零件的结构也要按适合点焊工艺来设计。

定位：在板料冲压及以后的焊接过程中，都要考虑定位问题。其方法是利用孔、凸包、切口或压印等定位。在采用孔定位时，一般两孔即可，孔径是板料厚度的5~10倍。孔位应选择在拉延时不产生金属流动的平面上，两孔所在平面的方向应相同。为保证零件本身的尺寸精度及焊接精度，对定位孔的精度应提出要求。如位置度，孔径公差等。在大工件上焊接一些小零件时，往往采用在大工件上冲出凸包的形式定位。在焊接两个较大的板件时，往往采用切口定位法。即在两件的重叠部分切出同样的切口，焊接时利用切口对准来定位。当要求两个零件焊接后在同一平面时，应采用压印定位法，压印深度与另一零件板料厚度相同^[7]。

刚度：在车身结构中，刚度亦很重要。若刚度不足，在使用过程中，可能出现振动，严重时会丧失稳定。因此，从设计上就要考虑到制件的刚度，要求零件有一定的拉延深度，防止出现大平面，要充分利用板料拉延后的冷作硬化及加强筋来加强刚度。为了加强地板的刚度，在整个地板上遍布梯形断面的加强筋，筋的高度在8~10mm范围内，它同时也起到防止振动与噪声的作用^[8]。

防锈：在设计时，地板上不要有能积水的地方，如加强筋应向上凸起，地板不能有凹坑及不易清除的死角，在低的地方开排水孔，蓄电池应有防止酸液溢出的措施等。地板下面的结构，如梁及各处的翻边都不要有能积水和泥沙的地方，梁的端口要封死，并在最低处开设排水孔等。

防振、隔音、隔热及密封：为了防止共振，从结构上要保证没有未经拉制的大平板面出现，同时还要充分利用加强筋和板料本身的冷作硬化来增加板制件的刚度，使它的自振频率高于、且远离汽车行驶中产生振动的频率。也可以采用加敷沥清、橡胶阻尼材料制的防振垫或涂防振胶等办法^[9]。 

2 汽车前地板过渡板研究现状及发展趋势

1883年德国工程师卡尔·本茨发明了世界上第一辆汽车距今己经有一百多年的历史，并且汽车己经成为人们出行必不可少的交通工具。世界各国总的汽车保有量每年都在飞速的增加，据预计，到2030年左右全世界的汽车保有量将达到20亿辆，而且德国汉堡世界经济研究所和贝伦贝格银行日前发布的研究报告称，预计到2030年，中国的汽车保有量约为1. 75亿辆。但是随之而来的是，汽车带来的油耗、环保和安全等问题也逐年突出，据统计，汽车每年使用的燃油占了全球将近一半左右的石油消耗量，并且汽车每年向大气中排放的有害气体占大气所有污染物的60%以上^[10]。

传统汽车前地板过渡板一般以钢材制成，也有以铝合金等制成的，与金属材料相比纤维增强复合材料在一些方面有着不可比拟的优势，尤其是碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)各方面的性能更加优异。碳纤维树脂复合材料的抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为230-430Gpa亦高于钢^[11]。

据美国在欧洲全顺车的实验表明，每百公里油耗Y和汽车自身质量X的关系为Y=0. 003X+3. 3434。意味着汽车质量每减少100kg，油耗可降低6%-7%。油耗的下降，意味着二氧化碳、氮氧化物等有害气体排放量的下降。由此可见降低汽车质量无论对汽车的运行成本还是对环保都具有重大意义。而且汽车逆向工程后有利于降低牵引功率，提高汽车运行速度，减少噪声和振动，增加车辆和线路的使用寿命^[12]。

3 过渡板在逆向工程中的应用

在众多的汽车零部件中，作为主要承力件的汽车前地板过渡板支撑着整个汽车，其重量的降低和力学性能的提高对汽车能耗的节约有着重要的意义^[13-15]。

近年来，我国关于液体成型逆向工程的模拟大都针对逆向设计，而对相对比较新的逆向工程，相关的仿真模拟研究却不多。逆向工程虽然具备很多优势，但同时又因为一些因素的限制不能充分发挥其重要的优越性，比如:用于复杂构件制作时其工作量大、试验成本高、效率低;在对逆向工程充模方案进行设计时，其进出口的确定、工艺参数的选取既是重点又是难点。传统的用于逆向工程的优化，基本上完全是采用反复的试错，这一方面对逆向设计人员的水平要求要很高，又使得研发周期过长，导致研发成本过高。相比之下，采用模拟的方法来优化逆向工程方案，具有明显的优越性。它可以显著地提高研发周期、降低研发成本而且可以通过人量的模拟来获取更为优良的方案，从而能更大程度地提高产品的质量。因此，对逆向工程进行模拟，具有十分重要的意义^[16]。

我国对碳纤维复合材料的研究起步较晚，尤其在数值计算模拟方面更是与国外存在较大差距，利用计算机对逆向工程汽车前地板成型进行模拟也并不成熟，本文通过对前地板逆向工程设计的数值模拟研究，为逆向工程的数值模拟提供了可行方式，为复合材料汽车前地板的生产提供了优选方案，并对利用逆向工程生产其他复合材料具有一定的指导意义^[17]。
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