乘用車頂部抗壓性仿真

談欣

摘 要：模型數(shù)據(jù)的質(zhì)量和工況模擬的精度關(guān)系到產(chǎn)品優(yōu)化效果，從而決定著產(chǎn)品性能。在本文所研究的乘用車頂壓工況模擬過程中，將充分考慮到車輛在實際使用中可能發(fā)生情況，并兼顧車型的特征，以切實提高仿真的有效性，真正提升車輛安全性能。

關(guān)鍵詞：模型 仿真 性能

Simulation Modeling of the Compressive Resistance of Passenger Vehicle Roof

Tan Xin

Abstract：The quality of the model data and the accuracy of the condition simulation are related to the product optimization effect and thus determine the product performance. In the simulation process of passenger vehicle roof pressure condition studied in this paper， the possible situations of the vehicle in actual use will be fully considered， and the characteristics of the vehicle models will be considered， so as to effectively improve the effectiveness of the simulation and the safety performance of the vehicle.

Key words：model， simulation， performance

1 引言

《乘用車頂部抗壓強度》規(guī)定，車身頂部在承受1.5倍整車整備質(zhì)量的載荷（若該載荷超過22240N，則取22240N）時，頂部變形不得超過127mm[1]。我國乘用車頂部靜強度大多能滿足其要求。然而，想要提高車輛翻滾時的防護性能，還需進行優(yōu)化設(shè)計，在車輛發(fā)生翻滾時，頂部抗壓強度僅僅滿足靜強度要求是不夠的，在仿真的工況模擬中還需改變其他加載指標(biāo)，才能充分模擬實際情況[2]。國內(nèi)部分車型研發(fā)公司在優(yōu)化時僅僅通過簡單的“打補丁”來提高車身某局部的力學(xué)性能，這種缺乏精度的優(yōu)化方式是片面的。所以，不能單純依據(jù)《乘用車頂部抗壓強度》要求，還需綜合經(jīng)濟成本、整車質(zhì)量、車身美觀性等方面的考慮，才能真正在提升車輛的安全性能的同時，獲得綜合性能較高的數(shù)據(jù)[3][4]。

2 車身有限元模型的建立

2.1 車身頂部接觸分析

本節(jié)利用Ansa19.0軟件，建立車身有限元模型，在正常載荷情況下，對車身頂部的受壓情況進行有限元分析。 先將包括白車身、開閉件等數(shù)據(jù)。在Catia v5r20中整合并保存成*.CATProduct格式，再導(dǎo)入Ansa19.0中。在仿真分析求解中需要注意以下幾項。

2.1.1 模型幾何清理

將Catia數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Ansa后，會存在缺陷。這些缺陷會在網(wǎng)格劃分中產(chǎn)生較低質(zhì)量的單元，進而影響求解精度。因此質(zhì)量不太高的Catia數(shù)據(jù)，需要將邊界縫隙進行縫合，重疊面和錯位面進行投影刪除等前處理操作。在實際生產(chǎn)中考慮制造工藝和裝配工藝會設(shè)計出大量倒圓、倒角、小孔、凸臺等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生不規(guī)則的網(wǎng)格[5][6]，在后期的分析中，會增加不必要的運算負(fù)擔(dān)。本文中的網(wǎng)格平均尺寸為8mm，因此在前處理中刪除了尺寸小于5mm的空洞、凸臺、凹槽和加強筋，也將小于5mm的倒圓、倒棱重新銳化。

本文中有限元模型包含白車身、前后門、前艙蓋及后背門，模型共有單元954337個，節(jié)點993743個，質(zhì)量345.3Kg。其中，鈑金件采用SHELL單元模擬，點焊采用ACM模擬，膠采用ADHESIVE進行模擬。

2.1.2 有限元模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的劃分對有限元分析至關(guān)重要，網(wǎng)格劃分的越精細，則求解精度也就越高，本文采用Ansa19.0軟件對乘用車車身進行有限元網(wǎng)格劃分。為了保證車身頂部抗壓仿真的精度，且兼顧運算效率，在主觀測位置采用 5mm的網(wǎng)格，而對于接觸點遠端和次要觀測點則使用8mm左右網(wǎng)格，其網(wǎng)格平均尺寸為8mm。盡可能消除三角形了網(wǎng)格，正方形網(wǎng)格更有利于工況模擬時進行觀測，也后期優(yōu)化時進行測量和調(diào)整方案的制定[7]。

2.1.3 約束位置和加載裝置

約束位置：車身下部邊前端約束6個方向的由度，兩邊側(cè)圍下沿全約束。

加載裝置規(guī)格：長1829mm，寬762mm，剛性面。

加載裝置位置：其縱軸前傾角為水平面向下5°，縱軸平行于穿過車輛縱向中心線的垂直面，橫軸外傾角為水平面向下25°。

2.1.4 有限元分析過程

依據(jù)頂壓分析規(guī)范，加載裝置沿垂直于自身平面向車身下移。下移速2.23m/s，位移不超過127mm，位移過程保證在120s內(nèi)。

2.1.5 有限元仿真結(jié)果

該車型整備質(zhì)量為1515Kg，目標(biāo)反力為1.5倍的車重即22.29KN，從壓潰反作用力和位移曲線圖1可以得到，當(dāng)車身受到的擠壓反力達到22.29KN時位移為51.3mm，小于目標(biāo)值127mm，滿足法規(guī)要求。

同理，改變某項加載指標(biāo)，得到關(guān)系圖2，進行對比。

3 結(jié)語

通過dyna求解器求解頂部變形歷程，生成車頂變形情況以及相應(yīng)的接觸力-形變量的關(guān)系和規(guī)律圖，對數(shù)據(jù)曲線圖和車頂變形情況的分析是對車身進行優(yōu)化的重要基礎(chǔ)[9]，通過對壓潰反作用力和位移曲線和不同指標(biāo)下加載裝置所受反力與位移曲線比較，可以得出加載過程中板件發(fā)生何種變化，進而找到損傷發(fā)生概率較高的點，確定需要增強的位置（如圖3）。

由于正應(yīng)力的最大值發(fā)生在橫截面的上下邊緣，該處的切應(yīng)力為零;切應(yīng)力的最大值發(fā)生在中性軸上。對于橫截面上其余各點，同時存在正應(yīng)力、切應(yīng)力。因此，板件中整個折彎段強度需要加強，再參考上述時刻的兩張板件變形圖可以看出，由B柱和上邊梁所組成的支撐位置在承受不同方向施加來的載荷過程中發(fā)生了彎曲變形[8][9]。應(yīng)進行優(yōu)化，將B柱內(nèi)板波浪形做平緩，并且將頂蓋前橫梁材料由HC250/450改為HC340/590或在B柱中部折彎位置增加加強板，1.2mm、HC340/590DP（如圖4）[10]。經(jīng)該方案優(yōu)化反作用力達到67.4KN，滿足國標(biāo)要求，且加載反力峰值與整備質(zhì)量之比（保險指數(shù)）SWR為4.26，屬于優(yōu)等（SWR≥4為優(yōu)，4>SWR≥3.25為良，3.25>SWR≥2.5 為一般，SWR<2.5為差）。

參考文獻：

[1]趙鵬飛.運動型多功能汽車的翻滾有限元仿真分析[R].南昌大學(xué)碩士論文.2014;

[2]朱其文，王坤，張洪濤.乘用車頂部抗壓強度試驗及發(fā)展趨勢[J].汽車工程師，2012.

[3]王威，禹慧麗，王文利，等.乘用車頂部抗壓強度研究[C].中國汽車工程學(xué)會.2011第十四屆汽車安全技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集.2011：24-27.

[4]潘鋒.朱平.章斯亮.轎車車頂壓潰仿真與結(jié)構(gòu)耐撞性研究[J].中國公路學(xué)報，2010（3）：108.

[5]劉榮軍，吳新躍，鄭建華.有限元建模中的幾何清理問題[J].機械設(shè)計與制造，2005，（9）：145-147.

[6]魏敏，肖慶華，袁靜，馮虎印，基于HyperMesh乘用車頂部抗壓性仿真建模[C]. Altair 2012 HyperMeshs技術(shù)大會.2012.

[7]李海峰，吳冀川，劉建波，梁宇冰.有限元網(wǎng)格剖分與網(wǎng)格質(zhì)量判定指標(biāo)[J].中國機械工程23（3）：367-377.

[8]吳祥清.基于側(cè)面碰撞仿真的汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].南昌，南昌大學(xué)，2012.

[9]楊志添.基于轎車B柱輕量化設(shè)計的耐撞性優(yōu)化設(shè)計.[R]湖南大學(xué)碩士論文.2012.

[10]潘峰，朱平，章斯亮.轎車車頂壓潰仿真與結(jié)構(gòu)耐撞性研究[J].中國公路學(xué)報，2010，239（3）：108-114.