基于試驗(yàn)與仿真的汽車頂蓋抗凹性能分析

韋超忠 和麗梅 劉洋 袁代敏 李穎慧

【關(guān)鍵詞】汽車頂蓋;抗凹性能;油罐;抗凹試驗(yàn);數(shù)值仿真

【中圖分類號(hào)】U463.83 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）07-0040-04

0 引言

汽車覆蓋件在外力作用下抵抗變形的能力稱為抗凹性能[1]。申秋燕等人[2]基于薄壁理論對(duì)汽車頂蓋的抗凹性能進(jìn)行優(yōu)化，并利用有限元仿真分析手段驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。韋東明等人[3]則系統(tǒng)地分析了頂蓋弧度、加強(qiáng)筋、鈑金件厚度及橫梁間距對(duì)汽車頂蓋抗凹性能的影響，并提出提高頂蓋抗凹性能的方法。劉瑜等人[1]基于國(guó)標(biāo)和企標(biāo)的典型評(píng)價(jià)準(zhǔn)則提出了適用于仿真分析的汽車頂蓋抗凹性能分析方法，為頂蓋抗凹性能分析提供參考。肖志等人[4]利用Abques對(duì)碳纖維汽車頂蓋的抗凹性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明頂蓋抗凹性能滿足設(shè)計(jì)要求。武蕾等人[5]建立了鋼板抗凹力學(xué)性能模型，并基于數(shù)值仿真分析方法分析了汽車覆蓋件的抗凹性能。

油罐效應(yīng)是衡量車身覆蓋件動(dòng)態(tài)抗凹性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，預(yù)測(cè)油罐效應(yīng)對(duì)于車身覆蓋件的抗凹性能設(shè)計(jì)具有重要意義[1]。上述研究主要基于試驗(yàn)與仿真手段研究車身覆蓋件的抗凹性能，未能通過(guò)數(shù)值仿真分析手段對(duì)汽車頂蓋油罐效應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)仿真分析。本文通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，識(shí)別影響頂蓋抗凹性能的關(guān)鍵因素。利用數(shù)值仿真分析手段分析汽車頂蓋抗凹性能，能夠在汽車頂蓋的前期概念設(shè)計(jì)階段較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出油罐效應(yīng)，對(duì)汽車頂蓋抗凹性能設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

1 抗凹性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

抗凹性能指標(biāo)主要分為靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。靜態(tài)性能指標(biāo)指的是覆蓋件的初始剛度，衡量覆蓋件初始抵抗變形的能力。載荷位移曲線上可用曲線初始斜率表示（如圖1所示）。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)衡量的是覆蓋件在外力作用下抵抗失穩(wěn)的能力。載荷位移曲線上表現(xiàn)為“大通過(guò)”或“急轉(zhuǎn)現(xiàn)象”，即在很小的作用力下，出現(xiàn)大位移或者作用力急劇下降。我們稱這種現(xiàn)象為“油罐效應(yīng)”（如圖1所示）。

2 關(guān)鍵參數(shù)識(shí)別與仿真模型修正

汽車頂蓋作為一個(gè)系統(tǒng)部件，由很多結(jié)構(gòu)件組成。影響頂蓋抗凹性能的因素除了頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)、位置等，還需要考慮制造工藝對(duì)其抗凹性能的影響。因此，如何識(shí)別關(guān)鍵參數(shù)對(duì)頂蓋數(shù)值仿真模型搭建、提高仿真模型精度至關(guān)重要。本文對(duì)頂蓋外板厚度、頂蓋與側(cè)圍焊接厚度、側(cè)圍外板厚度等5個(gè)因素（如圖2所示）進(jìn)行正交試驗(yàn)法分析，其中每個(gè)因素2個(gè)水平，以油罐載荷誤差為目標(biāo)，共進(jìn)行8次實(shí)驗(yàn)。利用Latin軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行極差、方差及貢獻(xiàn)率計(jì)算分析[6]。

分析結(jié)果表明，頂蓋外板厚度和激光焊接厚度對(duì)頂蓋抗凹性能影響很大。為了將制造工藝誤差考慮到數(shù)值仿真模型中，要考慮沖壓工藝導(dǎo)致的鈑金減薄問題及頂蓋激光焊縫的厚度。圖3是頂蓋外板不同位置的實(shí)際測(cè)量厚度，可以看出各點(diǎn)厚度相對(duì)設(shè)計(jì)值0.7 mm發(fā)生了一定的減薄。因此，頂蓋外板仿真模型用測(cè)量的平均值，即0.619 mm。同理，將測(cè)量焊縫位置的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值比較，將實(shí)際測(cè)量值輸入仿真模型中，對(duì)仿真模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行修正。

3 汽車頂蓋抗凹性能分析與驗(yàn)證

首先，對(duì)汽車頂蓋進(jìn)行抗凹性能試驗(yàn)，選擇頂蓋區(qū)域中易發(fā)生的油罐點(diǎn)，一共17個(gè)測(cè)量點(diǎn)（如圖4所示）。利用汽車零部件局部剛度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載測(cè)試，加載方向垂直于鈑金件，加載速度恒定為5 mm/min。依次對(duì)不同加載點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，獲取相應(yīng)的力-位移曲線。

其次，基于Hypermesh軟件建立頂蓋部件數(shù)值仿真模型，同時(shí)考慮制造工藝誤差。數(shù)值仿真模型如圖5所示，測(cè)點(diǎn)數(shù)量、位置及加載工況與試驗(yàn)保持一致。

最后，利用Abques軟件求解數(shù)值仿真模型，獲取不同加載位置的力-位移曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（如圖6所示）?？梢钥吹?，所建立的仿真力-位移曲線在初始彈性階段和試驗(yàn)曲線的一致性較好，這表明所建立的數(shù)值仿真模型能夠較準(zhǔn)確地反映頂蓋初始剛度。仿真結(jié)果中點(diǎn)4、點(diǎn)13、點(diǎn)16 和點(diǎn)17出現(xiàn)油罐現(xiàn)象，與試驗(yàn)出現(xiàn)油罐的加載點(diǎn)位置一致。同時(shí)，油罐點(diǎn)的仿真載荷值與試驗(yàn)載荷值的最大誤差為21.5%，滿足工程仿真誤差要求（25%以內(nèi)），油罐點(diǎn)的載荷仿真值與實(shí)測(cè)值誤差見表1。

綜上分析我們認(rèn)為，所建立的頂蓋數(shù)值仿真模型能夠準(zhǔn)確地模擬頂蓋初始剛度性能，同時(shí)能夠成功預(yù)測(cè)出油罐點(diǎn)和油罐載荷值。該數(shù)值模型可以用于后續(xù)的頂蓋抗凹性能分析和抗凹性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值仿真分析手段對(duì)汽車頂蓋進(jìn)行了抗凹分析，基于正交試驗(yàn)法識(shí)別影響抗凹性能的關(guān)鍵參數(shù)，建立考慮制造工藝誤差的數(shù)值仿真模型。將仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值仿真模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)，本文建立的數(shù)值仿真模型成功模擬出汽車頂蓋油罐效應(yīng)，對(duì)后續(xù)汽車頂蓋抗凹設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉瑜，劉子建.車頂覆蓋件抗凹和抗雪壓性能分析與評(píng)價(jià)[J].汽車工程，2017（11）：1305-1309.

[2]申秋燕，梁小妮，潘能貴.基于薄板理論的汽車頂蓋性能研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014（11）：61-63.

[3]韋東明，張虎城，周曉明.頂蓋抗凹性能影響因素及提升方法[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2015（8）：61-62.

[4]肖志，杜慶勇，莫富灝，等.基于ABAQUS的碳纖維頂蓋雪壓及抗凹性能分析[C].廈門：湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室會(huì)議論文集，2015.

[5]武蕾，吳其龍.基于abaqus的轎車外覆蓋件抗凹性有限元分析[J].三明學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，140（6）：49-54.

[6]王敏華.統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，中國(guó)質(zhì)檢出版社，2014.