重型卡車(chē)側(cè)圍外板后部抗凹性研究

郝文宏

摘 ?要：輕量化設(shè)計(jì)是零部件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。在重型卡車(chē)側(cè)圍外板的輕量化設(shè)計(jì)中，減薄外板的料厚是輕量化設(shè)計(jì)方案之一，但是減薄零件的料厚會(huì)影響零件的抗凹性?？拱夹栽O(shè)計(jì)指標(biāo)低于一定數(shù)值時(shí)，不僅會(huì)帶來(lái)NVH問(wèn)題還會(huì)影響客戶對(duì)產(chǎn)品的主觀評(píng)價(jià)。為了量化重型卡車(chē)側(cè)圍后部的抗凹性，采用Benchmark的方法，利用CAE分析的方式對(duì)重卡側(cè)圍后部抗凹性進(jìn)行了分析，并研究了CAE分析結(jié)果與人的主觀評(píng)價(jià)之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：重型卡車(chē)側(cè)圍外板后部;抗凹性

中圖分類號(hào)：U463.82 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2020）06-0068-05

Abstract： Lightweight design is one of the difficulties in component design. In the lightweight design of the outer plate of the side of the heavy truck， reducing the material thickness of the outer plate is one of the lightweight design schemes， but this design schemes will affect the parts's resistance to concave. when the design index of concave resistance is lower than a certain value， it will not only bring NVH problem， but also affect the customer's subjective evaluation of the product. In order to quantity the concave resistance of the rear of the side of heavy truck， the method of benchmark and CAE analysis were used to analyze the concave resistance of the rear of the side of heavy truck， and the analysis results were compared with the subjective evaluation.

Key Words： Rear of the Side of Heavy Truck; The Concave Resistance

1 ? ?前言

重型卡車(chē)的側(cè)圍外板是重型卡車(chē)白車(chē)身總成中重要的大型零件之一，其重量占卡車(chē)白車(chē)身總成（不包括白車(chē)門(mén)總成及白工具箱總成）總重量的11%左右。輕量化是汽車(chē)技術(shù)永恒的追求，如何設(shè)計(jì)出輕量化的白車(chē)身是白車(chē)身設(shè)計(jì)技術(shù)的難點(diǎn)之一。減小側(cè)圍外板的料厚是實(shí)現(xiàn)輕量化技術(shù)方案之一。側(cè)圍外板料厚減薄后，會(huì)出現(xiàn)一系列的技術(shù)問(wèn)題，在這些技術(shù)問(wèn)題中，側(cè)圍外板后部的抗凹性是這些技術(shù)問(wèn)題中首先要面對(duì)的問(wèn)題。

重型卡車(chē)側(cè)圍后部是如圖1所示的區(qū)域，在此區(qū)域中，一般會(huì)存在面積較大的無(wú)骨架支撐的薄板結(jié)構(gòu)，此區(qū)域常見(jiàn)的技術(shù)問(wèn)題是：區(qū)域的局部模態(tài)接近發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率，此區(qū)域的抗凹性極易被設(shè)計(jì)人員忽略。

側(cè)圍外板后部的抗凹性屬于主觀評(píng)價(jià)，不同的用戶可能會(huì)產(chǎn)生不同的評(píng)價(jià)。如果用戶對(duì)這一區(qū)域的抗凹性產(chǎn)生“很軟”這一主觀評(píng)價(jià)，會(huì)影響用戶對(duì)整個(gè)駕駛室的品質(zhì)評(píng)價(jià)。不僅如此，如果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，此區(qū)域的性能設(shè)計(jì)指標(biāo)制定的偏弱，不僅會(huì)影響用戶的主觀評(píng)價(jià)還會(huì)影響駕駛室的NVH性能。因此，側(cè)圍外板后部的抗凹性應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就制定出一定的設(shè)計(jì)指標(biāo)。文獻(xiàn)[1]中，作者在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的抗凹性給出了在400N載荷的作用下，壓頭的上部材料為鋼材，下部為橡膠材料，半徑為R=80mm時(shí)，覆蓋件的外板凹陷位移不超過(guò)15mm為合格。文獻(xiàn)[2]中，為了評(píng)價(jià)頂蓋的抗凹性，作者給出的CAE分析結(jié)果的評(píng)價(jià)方法為：（1）一次性緩慢加載，使加載點(diǎn)的撓曲位移f達(dá)到10mm，獲取載荷-位移曲線，載荷-位移曲線處于目標(biāo)剛度曲線13N/mm之上，且載荷大于等于400N為合格;（2）由載荷-位移曲線，檢查130N處凹陷位移，小于等于6mm為合格;（3）檢查載荷-位移曲線，從0到400N沒(méi)有出現(xiàn)油罐效應(yīng)為合格。此文中，加載物體是直徑為100mm的剛性半球。

以上文獻(xiàn)中給出的設(shè)計(jì)指標(biāo)屬于轎車(chē)相關(guān)總成的設(shè)計(jì)指標(biāo)，由于重型卡車(chē)的用戶多數(shù)為男性，所以這些設(shè)計(jì)指標(biāo)是否適合重卡側(cè)圍后部的抗凹性，需要進(jìn)一步的研究。

2 ? ?工況及受力數(shù)值的確定

為了確定側(cè)圍外板后部的受力工況及受力大小，我們進(jìn)行了兩種工況下力大小的實(shí)際測(cè)量工作。一種工況模擬人用右手大拇指按壓時(shí)人的施力狀況，另一種工況模擬人用右手手掌推時(shí)人的施力狀況。測(cè)量的人數(shù)為6人，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1：

這些數(shù)據(jù)的測(cè)量條件為：被測(cè)量人站立時(shí)自由施力，力的大小讀取的是測(cè)力計(jì)上最高峰值時(shí)力的大小。選取男性的原因是：考慮到重卡的使用者大多為男性。

在參考文獻(xiàn)[3]中，給出了我國(guó)中等體力20～30歲的男青年手臂肌肉的施力大小為：左手370N，右手390N。拇指肌肉的施力大小為：左手100N，右手120N。

根據(jù)力的測(cè)量結(jié)果，我們認(rèn)為手掌推工況為評(píng)價(jià)側(cè)圍后部抗凹性較惡劣的工況。結(jié)合參考文獻(xiàn)[3]以及測(cè)量的實(shí)際情況，我們認(rèn)為力的大小選取400N較為合適。

3 ? ?分析方法的選擇

隨著CAE有限元分析技術(shù)的發(fā)展，CAE有限元分析技術(shù)在產(chǎn)品創(chuàng)新中的作用變得越來(lái)越重要。CAE有限元分析技術(shù)以其分析成本低，精度高，時(shí)間短，可重復(fù)性好而成為產(chǎn)品創(chuàng)新不可或缺的環(huán)節(jié)。

為了制定重型卡車(chē)側(cè)圍后部抗凹性設(shè)計(jì)指標(biāo)，我們選取了三輛重型卡車(chē)駕駛室作為研究對(duì)象。在分析這三輛重型卡車(chē)駕駛室側(cè)圍后部抗凹性時(shí)，為了降低成本，我們選擇CAE有限元分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行分析工作。這三輛重型卡車(chē)駕駛室分別為駕駛室A，駕駛室B和駕駛室C。在分析這三輛駕駛室側(cè)圍后部抗凹性時(shí)，我們是在不考慮補(bǔ)強(qiáng)板的情況下進(jìn)行的分析工作，駕駛室A和駕駛室C的側(cè)圍零部件的材料來(lái)源于逆向材料分析，駕駛室B的側(cè)圍零部件的材料來(lái)源于正向設(shè)計(jì)。

4 ? ?側(cè)圍外板后部抗凹性有限元分析

4.1 ? 建立有限元分析模型

利用HyperMesh對(duì)需要進(jìn)行分析的車(chē)型建立有限元分析模型，為了提高計(jì)算效率，模型去除了與車(chē)門(mén)裝配的部分，如圖2所示。模型中共有56326個(gè)單元，焊點(diǎn)和膨脹膠均采用C3D8H單元模擬。

4.2 ? 壓頭的分析模型

分析時(shí)的壓頭球面半徑為41.3mm，后部連接半徑為40mm的圓柱體。壓頭的圓柱部分為鋼材，球面部分為橡膠。壓頭的模型如圖3所示：

同時(shí)，為了保證整個(gè)有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)壓頭加載的側(cè)圍外板區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格精細(xì)化處理，如圖4所示：

4.3 ? 分析點(diǎn)的選擇

側(cè)圍的抗凹性與其結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，根據(jù)側(cè)圍總成結(jié)構(gòu)，在沒(méi)有支撐的薄弱部位選擇加載點(diǎn)，加載點(diǎn)的數(shù)量及部位見(jiàn)圖5，圖6，圖7。

4.4 ? 約束條件及加載方式

約束側(cè)圍與白車(chē)身連接位置的X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，同時(shí)約束壓頭X、Z方向的平動(dòng)自由度，在壓頭與側(cè)圍之間添加接觸設(shè)置，并施加400N的作用力。根據(jù)側(cè)圍總成的結(jié)構(gòu)，曲面的法向與Y向夾角小于0.2度，為了簡(jiǎn)化分析，加載方向選取Y向，在不同加載點(diǎn)，分別計(jì)算三輛車(chē)型的Y向變形。

4.5 ? 材料屬性

材料屬性見(jiàn)表2。

4.6 ? 分析結(jié)果

通過(guò)有限元分析，得到三個(gè)駕駛室側(cè)圍外板在400N載荷作用下的位移大小。駕駛室A的位移大小如表3所示，駕駛室B和C的位移大小如表2所示：

5 ? ?主觀評(píng)價(jià)

我們?cè)趯?shí)際車(chē)輛上找出分析的點(diǎn)并選擇6人對(duì)它們進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。選取的6個(gè)人全部為男性，年齡為28～45歲的技術(shù)員。進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)時(shí)，在駕駛室B和C的側(cè)圍后部按壓時(shí)感覺(jué)不到有位移，所以我們認(rèn)為駕駛室B和C的側(cè)圍后部抗凹性良好，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際點(diǎn)的測(cè)繪工作。在對(duì)駕駛室A進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)時(shí)，側(cè)圍后部有些部位明顯感覺(jué)到有較大的位移，駕駛室A側(cè)圍后部實(shí)際點(diǎn)如圖8所示。選擇的6個(gè)人對(duì)駕駛室A側(cè)圍后部不同點(diǎn)的主觀評(píng)價(jià)見(jiàn)表5：

從主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果看，主觀評(píng)價(jià)一致為良好的位移量是：7.5，6.6;主觀評(píng)價(jià)一致為不可接受的位移量是：14.75，13.9，13.29;主觀評(píng)價(jià)一致為可接受的位移量9.56，10.77，10.62;主觀評(píng)價(jià)有的為可接受，有的為不可接受，有的為勉強(qiáng)接受的位移量是：13.66，10.32。

從位移的角度看，我們?nèi)菀椎玫剑寒?dāng)位移小于8mm時(shí)，側(cè)圍外板的抗凹性可以滿足良好這一主觀評(píng)價(jià)。當(dāng)位移小于10mm時(shí)，側(cè)圍外板的抗凹性可以滿足可接受這一主觀評(píng)價(jià)?？紤]到我們的主觀評(píng)價(jià)為小樣本研究，我們對(duì)駕駛室A側(cè)圍后部序號(hào)為2，3的點(diǎn)的剛度曲線進(jìn)行了比較。

從點(diǎn)的剛度曲線我們可以看出，點(diǎn)3的剛度曲線出現(xiàn)了明顯不連續(xù)的情況，而點(diǎn)2的剛度曲線是連續(xù)的。這說(shuō)明雖然點(diǎn)2的位移量處于13mm以上，但它能被一部分人勉強(qiáng)接受。

6 ? ?結(jié)論

通過(guò)以上研究，我們認(rèn)為，對(duì)于重型卡車(chē)側(cè)圍外板后部的抗凹性設(shè)計(jì)指標(biāo)可以采用分區(qū)定義的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在側(cè)圍外板高度2/3以下的區(qū)域，我們建議的設(shè)計(jì)指標(biāo)是：（1）在400N的載荷下，壓頭采用本文所述的壓頭的情況下，位移小于等于8mm;（2）加載點(diǎn)的剛度曲線連續(xù)無(wú)突變。在側(cè)圍外板高度2/3以上的區(qū)域，在滿足局部模態(tài)的前提下，側(cè)圍外板的抗凹性設(shè)計(jì)指標(biāo)可以在13mm以內(nèi)。

在檢查重型卡車(chē)側(cè)圍外板后部區(qū)域的局部模態(tài)時(shí)，這一區(qū)域的局部模態(tài)應(yīng)避免與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率或發(fā)動(dòng)機(jī)常用頻率接近。

據(jù)文獻(xiàn)[4]，零部件的抗凹性和材料的強(qiáng)度級(jí)別正相關(guān)，所以本文的結(jié)論只適合DC系列的材料或強(qiáng)度級(jí)別與DC系列相同材料的零部件抗凹性的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡從義. 基于數(shù)值模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)罩抗凹性能優(yōu)化 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2014.07.

[2]劉瑜，劉子建. 車(chē)頂覆蓋件抗凹和抗雪壓性能分析與評(píng)價(jià)，汽車(chē)工程，2017.11.

[3]袁泉. 汽車(chē)人機(jī)工程學(xué)，北京：清華大學(xué)出版社.

[4]羊軍，來(lái)新民. 高強(qiáng)度車(chē)身外覆蓋件的剛度及抗凹形影響因素研究，上海汽車(chē)，2013.06.