基于ABAQUS的車門外板抗凹性能分析

王開松，王小睿，尹 廣，謝有浩,2

(1. 安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001;2. 安徽獵豹汽車有限公司，安徽 滁州 239000)

隨著國家政策對汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的要求及用戶體驗(yàn)需求的提升，在汽車車身結(jié)構(gòu)尋求輕量化的同時(shí)，不僅要考慮到經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性，還要滿足用戶對汽車外觀品質(zhì)的要求。車身外覆蓋件普遍尺寸較大，形面帶有曲率，且存在一定的預(yù)變形，在汽車使用過程中容易受到外界因素影響，在載荷作用下產(chǎn)生凹陷擾曲，從而有損產(chǎn)品的外觀品質(zhì)[1]。所以，在車身外覆蓋件減少料厚以達(dá)到輕量化目標(biāo)的同時(shí)，應(yīng)需考慮到其抗凹性。

在汽車制造領(lǐng)域中，通常把車身外覆蓋件承受外部載荷時(shí)，抵抗凹陷、擾曲及局部凹陷變形，保持其原本形狀的能力稱為抗凹性[2]?？拱夹缘臏y試與評估已成為車身設(shè)計(jì)過程中的重要部分[3]。

車門外板作為外覆蓋件，擁有較大的面積和曲率，是在人為擠壓、碎石沖擊、震動等影響下，易發(fā)生凹陷變形的部件[4]。車門外板的抗凹性分析主要考察車門外板在規(guī)定載荷作用下的屈曲范圍、變形量及卸載后的殘余變形[5]。論文將基于ABAQUS開展車門外板受壓變形的動態(tài)特性仿真，分析其抗凹性能是否滿足要求。

1 評價(jià)指標(biāo)

(1)車門外板抗凹性的理論評價(jià)指標(biāo)

抗凹性一般由抗凹剛度、抗凹穩(wěn)定性、局部抗凹痕性三個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)[4]。

(2)抗凹性的動態(tài)評價(jià)指標(biāo)

抗凹性的動態(tài)評定是研究部件表面受力F與部件表面凹陷位移D的變化關(guān)系，如圖1所示。

圖1 抗凹性的動態(tài)評價(jià)指標(biāo)

其中，抗凹剛度表現(xiàn)為凹陷總位移隨受力大小的變化關(guān)系，即曲線切線的斜率。局部抗凹痕性表現(xiàn)為卸載完成時(shí)，部件表面的凹陷位移不為零，存在一定的殘余位移，即圖1中a段距離?？拱挤€(wěn)定性表現(xiàn)為抗凹剛度的變化率，即曲線切線斜率的變化率，如圖1中b段，當(dāng)載荷加載到PA點(diǎn)時(shí)，抗凹剛度驟減，外部載荷變化不大而凹陷位移顯著增加，這種情況則說明部件的抗凹穩(wěn)定性不佳，稱為“油壺效應(yīng)”[6]。這種問題在實(shí)際情況中表現(xiàn)為，在部件受壓過程中，當(dāng)載荷達(dá)到某臨界值時(shí)，由于失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生“啪嗒”的聲響，會影響產(chǎn)品在消費(fèi)者心中的品質(zhì)形象，給用戶帶來產(chǎn)品的剛度不好，過于“單薄”的感覺。

2 車門外板的抗凹性分析

(1)車門有限元模型的建立及邊界條件

利用HyperMesh與CATIA軟件的接口，將CATIA數(shù)模導(dǎo)入HyperMesh并建立有限元模型。

車門結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在創(chuàng)建有限元模型時(shí)去除對結(jié)構(gòu)性能影響較小的元素，如某些倒角、直徑不大的圓孔等。車門外板的抗凹性分析主要測試點(diǎn)在較大形面上，故而有限元模型中玻璃升降導(dǎo)軌也可省去。

圖2 車門有限元模型

車門外板抗凹性主要在車門關(guān)閉情況下進(jìn)行研究，所以邊界條件是約束車門鉸鏈及門鎖處的全部自由度，以車門外板抗凹性可能薄弱處作為研究對象。如圖2所示為車門的有限元模型及約束位置。

(2)材料參數(shù)及載荷工況

車門外板采用的材料為B180H1，其材料參數(shù)為：板厚0.7mm、彈性模量2.1GPa、密度7.8×103kg/m3、泊松比0.3。進(jìn)行車門外板抗凹性分析時(shí)，需選取抗凹性可能相對薄弱的若干點(diǎn)，并施加Y方向載荷，觀察測試點(diǎn)處變形情況，載荷分為加載與卸載兩個(gè)階段：

1) 加載階段，施加0～400N逐漸增加的Y方向載荷。

2) 卸載階段，將載荷由400N逐漸減小至0。

(3)車門外板抗凹性分析結(jié)果

車門外板的抗凹性相對薄弱位置通常位于較大形面上，根據(jù)車門總成的裝配關(guān)系，考慮到防撞梁、加強(qiáng)板的焊接位置，如圖3所示，在有限元模型上選取17個(gè)位置進(jìn)行抗凹性的分析。

圖3 車門外板測試點(diǎn)

分別在選取位置上施加載荷，分析得到位移-載荷曲線如圖4所示。選取外板中部易產(chǎn)生“油壺效應(yīng)”的點(diǎn)6、7、11、13、14分析其位移-載荷曲線。點(diǎn)7在載荷達(dá)到250N時(shí)，曲線切線的斜率出現(xiàn)小范圍減小。依據(jù)抗凹性的動態(tài)評價(jià)指標(biāo)，說明此刻抗凹穩(wěn)定性發(fā)生了波動，此位置易產(chǎn)生“油壺效應(yīng)”，需優(yōu)化改進(jìn)。

圖4 點(diǎn)6、7、11、13、14載荷-位移曲線圖

而其它各點(diǎn)的曲線平滑，抗凹穩(wěn)定性良好。整理各點(diǎn)分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)總變形量與殘余變形量，如表1所示。

由表1可知，各點(diǎn)的殘余變形均很小，車門外板的局部抗凹痕性滿足要求，不易產(chǎn)生塑性變形，在表面留下凹痕。根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，車門外板在400N的Y方向載荷作用下，變形量不宜超過10mm，所以點(diǎn)5、6、7、8、11這五處最大變形超過10mm，不滿足企業(yè)對車門外板抗凹性的要求，其抗凹性能需要提升。

(4)優(yōu)化措施

提升車門外板抗凹性一般由增加料厚、更換高強(qiáng)度材料、設(shè)計(jì)內(nèi)部支撐等方法實(shí)現(xiàn)。論文研究的車門外板已采用高強(qiáng)度冷軋鋼B180H1，且考慮到車身的輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其抗凹性的提升不宜通過加厚板材及更換材料來實(shí)現(xiàn)，故而考慮采用設(shè)計(jì)內(nèi)部支撐。

表1 各點(diǎn)變形量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5 車門外板加強(qiáng)板

根據(jù)分析結(jié)果，在選取的17個(gè)點(diǎn)位中，不滿足抗凹性指標(biāo)的5、6、7、8、11這五處均位于車門外板的中部位置，且距離緊湊，可設(shè)計(jì)一塊加強(qiáng)板作為這幾處的內(nèi)部支撐。經(jīng)過對比其他車型的車門內(nèi)部加強(qiáng)板設(shè)計(jì)，通過焊接一塊料厚0.7mm、材料為ST14的加強(qiáng)板與車門外板貼合，如圖5所示，可增加車門外板的局部剛度并提升局部的抗凹性能，使優(yōu)化前未達(dá)到要求的區(qū)域重新滿足車門外板抗凹性能的評價(jià)指標(biāo)。

圖6 優(yōu)化后P7點(diǎn)載荷—位移曲線

易產(chǎn)生“油壺效應(yīng)”的P7點(diǎn)優(yōu)化后的載荷-位移曲線如圖6所示，對比圖4可明顯看出曲線的波動消失，抗凹穩(wěn)定性得到提升，且總位移減少到7.56mm，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。且優(yōu)化前未達(dá)到要求的各點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果如表2所示，顯示各點(diǎn)均已滿足抗凹性指標(biāo)。

表2 各點(diǎn)總變形量優(yōu)化對比

3 結(jié)論

通過有限元分析的方法，對車門外板的抗凹性進(jìn)行仿真模擬，預(yù)測獲取抗凹性最薄弱的位置，結(jié)果顯示車門外板總體滿足抗凹性要求，個(gè)別點(diǎn)開展了抗凹性加強(qiáng)優(yōu)化，為車門外板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及材料選型提供了實(shí)踐依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝穎，李曉晨，李志強(qiáng)，等.Abaqus在車身外覆蓋件抗凹性分析中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2013(22)：152-154.

[2] 趙世宜，魏寧波，王繼峰.基于Radioss的車門外板抗凹性分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2012(10)：31-34.

[3] HOLMBERG S， THILDERKVIS P. Influence ofmaterialpropertiesand stamping conditions on thestiffness and static dentresistance of automotive panels[J].Materials and Design，2003(23)：681-691

[4] 郝琪，陳瑩.基于數(shù)值模擬的車身材料抗凹性分析[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(22)：11-14.

[5] 李東升，周賢賓.雙曲扁殼覆蓋件抗凹性的定量評估[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1998(1)：12-15.

[6] 位莉，李濤，楊瑞楓.汽車板抗凹剛度實(shí)驗(yàn)[J].鍛壓技術(shù)，2016(46)：121-124.