基于非線性有限元的轎車頂棚雪載分析及優(yōu)化

張艷玲 蘆偉 李偉 徐余平

摘 要：文章基于非線性有限元理論，以某轎車頂棚為例，進(jìn)行雪載分析及優(yōu)化，重點(diǎn)介紹了頂棚雪載分析的具體流程，通過與目標(biāo)值的對(duì)比，對(duì)其雪載性能進(jìn)行評(píng)價(jià);并根據(jù)分析結(jié)果確定了優(yōu)化頂棚結(jié)構(gòu)的方案;對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行分析，仿真計(jì)算結(jié)果表明，頂棚雪載的性能得到提高，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵字：頂棚雪載;非線性;塑性變形;屈曲

中圖分類號(hào)：U462 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）21-155-03

Abstract： In this paper， roof snow pressure performance is analyzed based on the nonlinear finite element theory， and for a passenger car roof as an example. It mainly introduces the roof snow pressure analysis of the specific process. Through the comparison with the target， the snow pressure performance is evaluated. According to the results of the analysis， the optimized roof structure scheme is determined. The simulation calculation results of the optimized structure show that the roof snow pressure performance is improved， and meet the design requirements.

Keywords： Roof snow; Nonlinearity; Plastic strain; Buckling

CLC NO.： U462 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-155-03

1 引言

汽車頂棚作為車身的重要總成件之一，其結(jié)構(gòu)必須有足夠的剛度和強(qiáng)度以保證其裝配和使用的要求。汽車頂棚雪載分析目的是分析頂棚的承受雪載能力，看其是否能夠達(dá)到承載一定的均布載荷以滿足設(shè)計(jì)要求，這對(duì)整車頂壓性能的衡量也有一定的參考意義。

2 轎車頂棚雪載分析

2.1 頂棚雪載分析的理論及方法

有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問題的一種數(shù)值計(jì)算方法。它實(shí)際上是一種離散化方法，將彈性連續(xù)體劃分為有限小單元，它們?cè)谟邢薰?jié)點(diǎn)上互相連接。在滿足精度要求下，對(duì)每個(gè)單元用有限個(gè)參數(shù)來描述它的力學(xué)特性，而整個(gè)連續(xù)體的力學(xué)特性可以認(rèn)為是這些小單元力學(xué)特性的總和，從而建立連續(xù)體的力的平衡關(guān)系。

頂棚雪載分析屬于非線性分析，利用Abaqus作為求解器進(jìn)行求解。

2.2 有限元模型的建立

對(duì)于頂棚結(jié)構(gòu)來說，選用有限單元類中的殼體單元來描述其力學(xué)特性是最合理的。由于考慮了結(jié)構(gòu)單元中性面上的平面剛度、彎曲剛度和曲率效應(yīng)，殼體單元比梁單元、板單元具有更高的計(jì)算精度。

頂棚的模型是在白車身有限元模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行截取獲得，首先導(dǎo)入白車身有限元模型，使白車身的模型在XZ平面內(nèi)展示，如圖1所示，圖中黑色線框內(nèi)為所要截取的部分，這里應(yīng)注意截取的部分應(yīng)該保證完整的A柱結(jié)構(gòu)，為了保證計(jì)算結(jié)果的精度所截取的各柱長度不得小于該柱長度的2/3。

由于本文需要使用Abaqus非線性算法計(jì)算零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，屬于金屬材料的彈塑性分析，在定義材料非線性時(shí)除了需要定義材料的楊氏模量，泊松比和密度等彈性部分外，還需要準(zhǔn)確地定義材料的塑性部分。

2.3 邊界條件及載荷的定義

對(duì)于頂棚雪載分析的邊界條件如圖2所示，為了能考慮到門柱對(duì)頂棚不穩(wěn)定性的影響，需要約束截取的部位，可以采取將所有的斷面上的節(jié)點(diǎn)均約束住的辦法，也可以采取節(jié)點(diǎn)間隔約束將平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的所有自由度約束住。

對(duì)于頂棚雪載分析的載荷邊界條件按照如下的公式進(jìn)行推導(dǎo)施加。

2.4 分析結(jié)果

頂棚雪載性能結(jié)果，主要考察的指標(biāo)有60cm時(shí)的塑性應(yīng)變，90cm時(shí)的屈曲及位移，160cm雪厚時(shí)的塑性應(yīng)變和最大位移作為參考。經(jīng)過計(jì)算可得如表1，圖3所示分析結(jié)果。圖4為整個(gè)過程中雪載厚度與位移的關(guān)系曲線。

頂棚雪載分析結(jié)果要求：頂棚在60cm內(nèi)不出現(xiàn)塑性應(yīng)變;頂棚在90cm內(nèi)不發(fā)生屈曲變形。故此頂棚結(jié)構(gòu)不滿足雪載強(qiáng)度要求。

3 頂棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化及分析

3.1 頂棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上面的雪載性能分析結(jié)果，需要對(duì)頂棚及支撐結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步優(yōu)化，從而提高其雪載性能。優(yōu)化方案的提出主要是針對(duì)頂棚出現(xiàn)屈曲的部位進(jìn)行加強(qiáng)，改變頂棚發(fā)生屈曲變形位置及附近的加強(qiáng)筋的數(shù)量，由原來的5條增加為6來?xiàng)l，并且在下方增加厚度為0.7mm的橫梁，材料為B340LA，優(yōu)化示意如圖5所示。

3.2 頂棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析結(jié)果

對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行頂棚雪載分析，優(yōu)化后的位移分布云圖如圖6所示，分析結(jié)果如表2所示。整個(gè)過程中雪載厚度與位移的關(guān)系曲線如圖7所示。

由分析結(jié)果可知，優(yōu)化后的頂棚結(jié)構(gòu)在60cm內(nèi)沒有出現(xiàn)塑性應(yīng)變;在90cm內(nèi)沒有發(fā)生屈曲變形。故優(yōu)化后的頂棚結(jié)構(gòu)滿足雪載性能要求。

4 結(jié)論

本文采用非線性 有限元仿真分析方法，建立轎車頂棚雪載的有限元模 型，對(duì)其進(jìn)行雪載性能分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了優(yōu) 化方案，通過對(duì)優(yōu)化方 案進(jìn)行重新分析，以及前后分析結(jié)果的對(duì)比，證明該方案對(duì)提高頂棚雪載性能具有明顯效果，對(duì)于頂棚結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化都具有一定的指導(dǎo)意義。

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