一種加油口門剛度分析方法

魏敏 黃炎 羅慧娟

摘? 要：傳統(tǒng)的加油口門剛度分析方法不能體現(xiàn)加油口門的整體剛度水平，且未考察卸載后的塑性變形情況。為改進(jìn)原有方法的缺陷，本文提出一種系統(tǒng)全面的加油口門剛度分析方法，分別從水平剛度、垂直剛度及扭轉(zhuǎn)剛度三個方面分析加油口門的整體剛度。運(yùn)用該方法成功分析了某乘用車加油口門剛度，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其滿足設(shè)計(jì)要求。該方法在量產(chǎn)車中得到驗(yàn)證，為加油口門的研發(fā)設(shè)計(jì)提供重要思路。

關(guān)鍵詞：加油口門;水平剛度;垂直剛度;扭轉(zhuǎn)剛度

中圖分類號：U463? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）01-0078-04

A Stiffness Analysis Method of Fuel Filler Door

WEI Min，HUANG Yan，LUO Hui-juan

（SAIV GM Wuling Automobile Co.，LiuZhou545005，China）

Abstract：? The traditional stiffness analysis method for the fuel filler door can not reflect the overall stiffness of the fuel filler door level，and does not investigate the plastic deformation after unloading. To improve the defect of existing methods， in this paper， the systematic and comprehensive stiffness analysis method which includes horizontal stiffness， vertical and torsional stiffness for fuel filler door have been presented. This method has been successfully used for fuel filler door stiffness of using passenger car ， and according to the result of structural optimization， the predetermined target value have been resched.The method has been verified in the production cars， the fuel filler door is designed to provide important research ideas.

引言

加油口門的主要功能是保護(hù)加油口。在汽車加油時，加油口門總成要能順利開啟和關(guān)閉。因此，加油口門總成對汽車加油的順暢、內(nèi)部加油管的密封起到重要作用。加油口門總成開啟后有一定的開關(guān)力，即其通過內(nèi)部拉索機(jī)構(gòu)開啟后，也要能順利關(guān)閉[1]。在加油口門頻繁的開啟、關(guān)閉過程中，對其整體剛度要求也相應(yīng)較高。但目前加油口門的剛度分析方法只分析加油口門的水平剛度，未考察卸載后的塑性變形情況，不能反映加油口門變形的真實(shí)情況。本文提出了一種系統(tǒng)全面的加油口門剛度分析方法，并將其應(yīng)用到某乘用車加油口門剛度分析問題上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高其整體剛度。

1? ? 加油口門剛度分析方法及應(yīng)用

加油口門水平剛度指加油口門在水平彎曲工況載荷的作用下抵抗變形的能力;垂直剛度指加油口門在水平彎曲工況載荷的作用下抵抗變形的能力;扭轉(zhuǎn)剛度指加油口門在扭轉(zhuǎn)載荷作用下抵抗變形的能力。傳統(tǒng)的加油口門剛度分析只分析加油口門的水平剛度，而忽略了垂直剛度與扭轉(zhuǎn)剛度，不能體現(xiàn)加油口門的整體剛度水平。并且采用線性分析方法，只考察加載工況下的位移，未考察卸載后的塑性變形情況，不能反映加油口門變形的真實(shí)情況。

1.1? ?加油口門剛度分析方法

基于加油門的實(shí)際應(yīng)用情況，本文提出了一種加油口門剛度分析方法，并建立加油口門剛度分析流程如圖1所示。

加油口總成有限元分析模型采用HyperMesh軟件建模，所有鈑金件的單元建立在中面上，尺寸采用5mm×5mm。點(diǎn)焊采用ACM，縫焊、CO2 保護(hù)焊、鉚接、螺栓連接以及鉸接采用剛性連接[2]。側(cè)圍外板、加油口焊合件及加油口總成等鈑金件的材料為各向同性非線性，根據(jù)其實(shí)際材料牌號賦非線性曲線。其余鈑金件的材料為鋼材，材料類型是各向同性線性材料MAT1，在賦材料特性時采用鋼材的材料特性。其密度、質(zhì)量等按實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

1.1.1 邊界條件

加油口模型從白車身幾何模型中截取，截取部分應(yīng)包含加油口總成、部分側(cè)圍內(nèi)外板、加油口焊合件及后輪罩零件。

1）水平剛度

①水平剛度分析分為兩個分析步：加載分析步、卸載至0 N分析步。

②加載分析步要求約束截?cái)嗵幾杂啥取⒓s束限位自由度。

③卸載至0 N分析步要求約束截?cái)嗵幾杂啥取⒓s束限位自由度。

2）垂直剛度

垂直剛度的約束及加載工況同上1）。

3）扭轉(zhuǎn)剛度

①扭轉(zhuǎn)剛度分析分為兩個分析步：加載標(biāo)準(zhǔn)力矩分析步、卸載至0 N?m的力矩分析步。

②加載標(biāo)準(zhǔn)力矩分析步要求約束截?cái)嗵幾杂啥?、約束距離轉(zhuǎn)動銷最遠(yuǎn)端自由度。在加油口門水平中心線，距離轉(zhuǎn)動銷最遠(yuǎn)端施加標(biāo)準(zhǔn)力矩。

③卸載至0 N?m的力矩分析步要求同②標(biāo)準(zhǔn)力矩分析步。

1.1.2 結(jié)果后處理

1）水平剛度值

用后處理軟件打開結(jié)果文件，提取加載點(diǎn)在兩個分析步的位移，計(jì)算出水平剛度值。

剛度計(jì)算公式如下：

（1）

式中：

k — 剛度，單位N/mm;

F — 力，單位N;

S — 位移，單位mm。

2）垂直剛度值

用后處理軟件打開結(jié)果文件，提取加載點(diǎn)在兩個分析步的位移，計(jì)算出垂直剛度值。剛度計(jì)算公式同公式（1）。

3）扭轉(zhuǎn)剛度值

用后處理軟件打開結(jié)果文件，提取加油口門上邊緣中心點(diǎn)、下邊緣中心點(diǎn)位移，計(jì)算出扭轉(zhuǎn)剛度值。

用下面公式計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度：

（2）

式中：

K——剛度，單位N?m /deg;

M——加油口門加載點(diǎn)加載的力矩，單位N?m;

θ——指示桿初始位置和加載變形后位置之間的夾角，單位deg。

用下面公式計(jì)算扭轉(zhuǎn)角θ：

（3）

式中：

θ——加油口門豎直中心線CD在加載前與加載變形后之間的夾角，單位deg，計(jì)算原理如圖2所示;

L——加油口門上邊緣中心點(diǎn)C與下邊緣中心點(diǎn)D的長度;

Δ——加油口門上邊緣中心點(diǎn)C與下邊緣中心點(diǎn)D，在加載變形后局部坐標(biāo)系X方向的位移之差。

注：圖中紅線為加油口門豎直中心線CD的原始位置，綠線為其扭轉(zhuǎn)后的位置。

1.2? ?加油口門剛度分析方法的應(yīng)用

以某乘用車的加油口門分析為例，嚴(yán)格按照上述方法建立有限元模型，其加油口總成結(jié)構(gòu)如圖3所示：

該加油口門剛度分析計(jì)算結(jié)果如表1：

從以上結(jié)果來看，水平剛度及扭轉(zhuǎn)剛度較弱，需要從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化。

2? ? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1? ?優(yōu)化方案

加油口門總成內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，在水平方向所加載荷作用下，其應(yīng)力云圖如圖4所示：

從應(yīng)力云圖可知，高應(yīng)力集中位置分別在鉸鏈臂及側(cè)圍側(cè)鉸鏈，相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如表2：

2.2? ?方案驗(yàn)證

優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，將原方案與優(yōu)化方案進(jìn)行剛度分析，結(jié)果如表3所示：

2.3? ?優(yōu)化結(jié)果分析

原方案中垂直剛度基本達(dá)標(biāo)，因此在優(yōu)化方案中未進(jìn)行驗(yàn)證。與原方案相比，優(yōu)化方案中的水平剛度提升0.65N/mm，卸載后殘余變形量降低了9.04mm;雖然殘余變形量尚未達(dá)標(biāo)，但比某量產(chǎn)車型相對較小，且目前尚未收到該某量產(chǎn)車型的加油口售后問題，因此可以認(rèn)為此分析結(jié)果可接受。扭轉(zhuǎn)剛度提升0.54 N?m /deg，扭轉(zhuǎn)角度達(dá)標(biāo)，卸載后殘余扭轉(zhuǎn)角度基本達(dá)標(biāo)。

3? ? 結(jié)論

1）傳統(tǒng)的加油口門剛度分析方法不能體現(xiàn)加油口門的整體剛度水平，且未考察卸載后的塑性變形情況。本文提出了一種加油口門剛度分析方法。

2）以某乘用汽車的加油口門為例，運(yùn)用本文提出的加油口門剛度分析方法進(jìn)行分析，并通過其量產(chǎn)狀態(tài)實(shí)車驗(yàn)證與仿真性能對比，保證了該仿真分析方法的可靠性，為加油口門總成的研發(fā)設(shè)計(jì)提供重要思路。

3）通過對關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出解決方案，成功解決了實(shí)例中某乘用汽車加油口門水平剛度、扭轉(zhuǎn)剛度弱的的問題。

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