汽車外覆蓋件材料的性能比較與替換分析

江金魚，胡小文

汽車外覆蓋件材料的性能比較與替換分析

江金魚1，胡小文2

(1湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003;2東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院,湖北 武漢 430056)

針對某微型客車部分外覆蓋件采用的烘烤硬化鋼存在時效較短、產(chǎn)量不足時易過期失效等問題，借助功能強(qiáng)大的ABAQU有限元軟件，建立汽車外覆蓋件有限元模型，制定載荷與位移關(guān)系的評價標(biāo)準(zhǔn)，施加載荷進(jìn)行抗凹性分析，對抗凹性能最差的點(diǎn)進(jìn)行不同材料替換分析。根據(jù)鋼板的力學(xué)性能及化學(xué)成分比較得出，在前車門和翼子板的外板選材方面,高強(qiáng)度IF鋼(WH180Y)及DC系列鋼與烘烤硬化鋼之間具有一定的替代性，為汽車車身外覆蓋件合理選材提供依據(jù)。

ABAQUS；烘烤硬化鋼；抗凹性；評價標(biāo)準(zhǔn)；前車門；翼子板

0 引言

作為汽車輕量化設(shè)計(jì)方法之一，在保證同等功能的情況下，采用高強(qiáng)鋼板代替普通板材,能夠避免使用加強(qiáng)板或襯板等[1-2]。目前，東風(fēng)汽車公司新開發(fā)的某款微型客車，外覆蓋件大部分外板采用了高強(qiáng)度鋼板——烘烤硬化鋼，由于烘烤硬化鋼具有烘烤硬化特性，自然時效性強(qiáng)，造成其沖壓成形性隨存放時間的延長逐漸惡化，對采購訂貨以及沖壓車間板料的消耗和物流周轉(zhuǎn)造成較大風(fēng)險。通過對不同材質(zhì)鋼板的力學(xué)性能及化學(xué)成分比較得出，烘烤硬化鋼與高強(qiáng)度IF鋼(WH180Y)及DC系列鋼存在一定的可替代性[3-4]。替換材料后需對車身外覆蓋件進(jìn)行抗凹分析。車身外覆蓋件的抗凹性分析屬于品質(zhì)分析，直接影響車輛外觀品質(zhì)。針對此類問題，進(jìn)行車身外覆蓋件抗凹性分析[5]，并結(jié)合工藝可行性選擇合理的替換材料。

1 模型描述

某款微型客車車身外覆蓋件有前車門外板、滑門外板、后背門外板、發(fā)動機(jī)罩外板等。翼子板采用了烘烤硬化鋼，與外板抗凹性分析方法一致，僅約束邊界不同。針對前車門和翼子板材料替換問題，采用功能強(qiáng)大的ABAQU有限元軟件進(jìn)行分析研究[6-7]。

車門有限元模型包括：內(nèi)板、外板、內(nèi)外板腰線加強(qiáng)板、鉸鏈加強(qiáng)板、門鎖加強(qiáng)板、外板在腰線拐角處加強(qiáng)板、防撞梁等，不包括機(jī)構(gòu)件、鉸鏈、門鎖、內(nèi)飾和玻璃。前車門抗凹性分析有限元模型如圖1所示，翼子板抗凹性分析有限元模型如圖2所示。

圖1 前車門抗凹性分析有限元模型

圖2 翼子板抗凹性分析有限元模型

調(diào)整沖頭和前車門、翼子板之間的相對位置，使沖頭處于垂直于外覆蓋件外表面方向。在沖頭處建立局部坐標(biāo)系。約束外覆蓋件與車身連接邊界處所有自由度；約束沖頭Y方向平動以外的所有自由度，讓其只在Y方向上運(yùn)動，消除模型中的剛體位移。

選用直徑80 mm彈性沖頭約束車身外覆蓋件邊框所有自由度。通過屈曲分析及經(jīng)驗(yàn)判斷選取車身外覆蓋件表面剛度薄弱的區(qū)域，用沖頭沖壓外板，沖頭載荷按照下面2個載荷步驟施加，抗凹加載與卸載力如圖3所示。

1)在車身外覆蓋件抗凹點(diǎn)處沿車身外表面法向加載集中力400 N。

2)在車身外覆蓋件抗凹點(diǎn)處沿車身外表面法向卸載集中力。

在Hypermesh/abaqus中定義接觸或者接觸單元來模擬接觸問題，其構(gòu)成基于主從面的選擇原則，選擇剛度較大的前車門外板和翼子板為主面(master surface)；選擇剛度較小的沖頭為從面(slave surface)。在定義接觸的過程中，主從面的法向方向要求相反,且從面節(jié)點(diǎn)不允許穿越主面[8-9]。

圖3 抗凹加載與卸載力

2 外覆蓋件抗凹評價標(biāo)準(zhǔn)

抗凹性能是指車身外表面零件抵抗外加負(fù)荷(靜負(fù)荷或動負(fù)荷)在其表面產(chǎn)生壓痕的能力，這種能力對于車身外表零件有實(shí)際意義。因?yàn)槠囆旭倳r不可避免地會有飛濺的石頭等雜物沖擊汽車各部件，并在零件表面產(chǎn)生壓痕，破壞其外觀并可能破壞油漆而增加銹蝕的幾率；而且用戶買車時可能按壓外表面來評價車身剛性，洗車、維修、保養(yǎng)等也會按壓外表面。

通過試驗(yàn)測試，加載點(diǎn)抗凹性能評價圖如圖4所示。非線性靜態(tài)分析輸出各抗凹點(diǎn)處力150 N(模擬手指按壓翼子板表面)和400 N 對應(yīng)最大變形量，要求載荷150 N和400 N各薄弱處對應(yīng)最大變形量不超過4 mm和8 mm(良好區(qū)域)，同時評價車身外板薄弱處卸載后殘余變形量，要求卸載后殘余變形不超過0.7 mm。

圖4 加載點(diǎn)抗凹性能評價圖

3 材料屬性

目前車身外覆蓋件使用材料和替換材料屬性見表1。烘烤硬化鋼和高強(qiáng)度IF鋼主要用于制造車身覆蓋件，它們代替?zhèn)鹘y(tǒng)的深沖鋼能夠使零件減薄，達(dá)到減輕零件重量的目的。烘烤硬化鋼，鋼板沖壓成形前具有較低的屈服強(qiáng)度，通過沖壓成形后的涂漆烘烤工藝使鋼板的屈服強(qiáng)度增加。高強(qiáng)度IF鋼板在保證良好塑性和沖壓性能的同時，擁有較高的強(qiáng)度，滿足復(fù)雜形狀轎車沖壓件性能要求。研究表明，各類高強(qiáng)度鋼板因其固有的特性不同，用途也不同。烘烤硬化鋼板具有沖壓成型前較軟、形狀穩(wěn)定性好和烘烤后抗凹陷性能較高的特點(diǎn)，特別適合于沖制汽車的外覆蓋件。高強(qiáng)度汽車鋼板除基本力學(xué)性能外，其綜合成型性能越來越受到重視，這些性能主要包括成型極限、回彈性、擴(kuò)孔性能和彎曲性能等。高強(qiáng)度IF鋼由于鋼中元素的固溶強(qiáng)化和無間隙原子的微觀結(jié)構(gòu)，使其既具有高強(qiáng)度又具有非常好的冷成型性能，通常用來制作需要深沖壓的復(fù)雜部件。低碳鋼DC05的用途是特深沖用。

在原來的模型基礎(chǔ)上，只需要替換外板材料參數(shù)后分別計(jì)算每個點(diǎn)的抗凹性能。

ABAQUS所用的材料參數(shù)見表2。通過鋼廠應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ABAQUS輸入數(shù)據(jù)，獲得材料的幾組塑性應(yīng)力與應(yīng)變值。

表1 材料屬性

表2 ABAQUS所用的材料參數(shù)

4 材料替換分析結(jié)果

找出表面剛度較差區(qū)域的方法一般有2種。一種是通過板件屈曲分析找出需要凹陷分析的加載點(diǎn)；一種是分析人員根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來確定位置。結(jié)合屈曲分析和工程經(jīng)驗(yàn)確定剛性較差的若干個點(diǎn)，進(jìn)行車門外板替換材料的抗凹性分析。從烘烤硬化鋼(WH180B)抗凹性分析中選取最弱點(diǎn)，并將烘烤硬化鋼、高強(qiáng)度IF鋼(WH180Y)、DC系列鋼的前車門仿真分析進(jìn)行對比，3種材料抗凹性能比較如圖5所示。分析圖5得到：采用高強(qiáng)度IF鋼(WH180Y),車門外板剛性最差點(diǎn)的抗凹性能有所下降，但仍在加載點(diǎn)抗凹性能一般區(qū)域里。采用DC05，車門外板剛性最差點(diǎn)的抗凹性能基本保持不變，也在加載點(diǎn)抗凹性能的一般區(qū)域里。在同一部位屈服強(qiáng)度不同的前車門外板材料烘烤硬化鋼(WH180B)和DC05，具有幾乎相同的抗凹性能，說明鋼板的屈服強(qiáng)度對車門的抗凹性影響不大。綜合高強(qiáng)度IF鋼(WH180Y)各方面性能，前車門外板材料可以選用高強(qiáng)度IF鋼(WH180Y)替換烘烤硬化鋼。

圖5 前車門3種材料抗凹性能比較

選取翼子板抗凹性最差的點(diǎn)，進(jìn)行烘烤硬化鋼(WH180B)、高強(qiáng)度IF鋼(WH180Y)、DC系列鋼的翼子板的仿真分析，翼子板3種材料抗凹性能比較如圖6所示。

由圖6可知，換成IF高強(qiáng)度鋼(WH180Y),翼子板剛性最差點(diǎn)的抗凹性能有下降，加載150 N前，加載點(diǎn)抗凹性能在一般區(qū)域里。加載150 N后，加載點(diǎn)抗凹性能在差區(qū)域里。更換材料DC05，翼子板剛性最差點(diǎn)的抗凹性能有下降，加載225 N前，加載點(diǎn)抗凹性能在一般區(qū)域里。加載225N后，加載點(diǎn)抗凹性能在差區(qū)域里。綜合比較，翼子板材料可以選用DC05替換烘烤硬化鋼。

圖6 翼子板3種材料抗凹性能比較

5 材料選擇

根據(jù)鋼板的耐蝕性能和抗凹陷性能，評價鋼板的理化性能；鋼板的沖壓性能、焊接性能和涂裝性能共同作為鋼板工藝性能的評判依據(jù)。

結(jié)合抗凹性能的有限元仿真結(jié)果和工藝性能，將前車門外板烘烤硬化鋼材料替換成為高強(qiáng)度IF鋼(WH180Y)，將翼子板材料替換為DC05。

如果考慮碰撞安全性，車門外板新舊材料屈服強(qiáng)度相同，對碰撞安全性無影響，翼子板新材料屈服強(qiáng)度降低，在正碰時翼子板易折彎，便于車門打開。

6 結(jié)束語

通過前車門和翼子板的外板材料的替換分析，對抗凹性能最差的點(diǎn)進(jìn)行不同材料的對比分析，結(jié)果表明:前車門由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較好，有加強(qiáng)梁的作用，在400 N以內(nèi)，前車門幾乎不發(fā)生塑性變形;鋼板的屈服強(qiáng)度對外覆蓋件的抗凹性影響不大;在鋼材彈性模量相差不多時，材料替換前后對前車門的抗凹性能影響不大; 翼子板材料替換前后對其抗凹性能影響較大;鋼板的屈服強(qiáng)度對其抗凹性影響大。

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(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Material Performance Comparison and Replacement Analysis of Automobile Outer Panel

JiangJinyu1,HuXiaowen2

(1School of Mechanical and Electronic Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Commercial Product R&D Institute,Dongfeng Automobile Co.,Ltd,Wuhan Hubei 430056)

Bake hardening steel is used to manufacture some cover parts of a minibus.Its aging is short and easy to expire when production shortfalls.The finite element model of automobile covering parts was set up by ABAQU software.The evaluation standard for relationship between load and displacement was made.The concave resistance was analyzed when applying different load.The concave resistance of the worst point was analyzed under different materials.Combined with the mechanical properties and chemical composition of the steel plate,a certain alternative were between high strength IF steel (WH180Y),DC series steel and bake hardening steel in the material selection of front door and fender.A suitable replacement material was found,which provides a basis for selection of the auto body panel material reasonably.

ABAQUS;bake hardening steel;concave resistance;evaluation standard;front door;fender

2015-07-13

湖北理工學(xué)院校級科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：11yjz18Q)。

江金魚，講師，碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.01.003

U463

A

2095-4565(2017)01-0007-04