基于Optistruct翼子板分析

劉南南

帝人汽車技術(shù)(唐山)有限公司，河北唐山 064099

0 引言

由于在日常洗車過(guò)程中，車體受小石子撞擊、用戶指壓或掌壓等情況是不可避免的，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中要求車身外飾件的表面應(yīng)能夠承受一定的載荷而不發(fā)生大的變形。翼子板的最大作用是，在汽車駕駛運(yùn)行的過(guò)程中防止輪胎帶起的石子、泥漿濺到車的底部。若汽車沒(méi)有翼子板，卷起的石子、泥漿直接濺到車的底部，很容易造成車廂底盤的磨損甚至是損壞，久而久之就會(huì)嚴(yán)重影響車輛使用壽命。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，越來(lái)越多的車企紛紛開(kāi)發(fā)了新能源汽車，優(yōu)勢(shì)明顯的復(fù)合材料越來(lái)越多地被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。

抗凹性是用戶選購(gòu)新車的重要指標(biāo)，用戶通過(guò)按壓外飾件和聽(tīng)車門關(guān)閉聲來(lái)感受車用料扎實(shí)程度。若車身外表覆蓋件的抗凹性差的話，會(huì)導(dǎo)致用戶在掌壓或指壓時(shí)出現(xiàn)凹陷，影響直觀感受。車身覆蓋件的抗凹性分析是用于評(píng)價(jià)車身覆蓋件在載荷工況下薄弱區(qū)域抵抗凹陷的能力。

本文通過(guò)對(duì)比鈑金翼子板和SMC復(fù)合材料翼子板，分析兩種材料對(duì)翼子板的性能影響，采用Hypermesh進(jìn)行前處理及3D數(shù)據(jù)處理，OptiStruct求解器進(jìn)行求解，Hyperview查看分析結(jié)果。結(jié)果表明：SMC復(fù)合材料翼子板性能優(yōu)于鈑金翼子板。

1 分析方法

1.1 基礎(chǔ)模型的創(chuàng)建

將3D CATPart文件導(dǎo)入Hypermesh，對(duì)翼子板和加強(qiáng)板件等零部件抽取中面，并進(jìn)行幾何處理。拓?fù)潢P(guān)系修復(fù)完成后劃分網(wǎng)格，大小設(shè)置為10 mm，要求三角形單元所占比例小于5%，單元翹曲所占比例小于10%，單元雅克比大于0.5。完成網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格優(yōu)化后，對(duì)模型匹配對(duì)應(yīng)的材料和屬性，材料參數(shù)見(jiàn)表1，鈑金厚度為0.7 mm，SMC厚度為2.75 mm。其中翼子板的抗凹性分析，由于是非線性的，需要輸入材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。不同的模型，加強(qiáng)板件的連接形式不同，鈑金翼子板和加強(qiáng)板件的連接采用焊點(diǎn)形式，SMC復(fù)合材料翼子板和加強(qiáng)板件的連接采用膠粘連接，完成模型搭建。

表1 材料參數(shù)

1.2 施加約束和載荷

根據(jù)實(shí)車裝配情況，需要對(duì)創(chuàng)建好的網(wǎng)格模型進(jìn)行約束，然后根據(jù)工況不同施加不同載荷。

1.2.1 翼子板尖點(diǎn)剛度分析工況

在翼子板3處角點(diǎn)位置法面方向分別加載50 N，加載區(qū)域大小為25 mm×25 mm，加載位置標(biāo)記分別為、、，如圖1所示。對(duì)翼子板進(jìn)行尖點(diǎn)剛度分析，模擬用戶指壓翼子板的情況，并查看翼子板變形和剛度狀況。

圖1 翼子板尖點(diǎn)剛度分析加載位置

1.2.2 翼子板側(cè)向剛度分析工況

在翼子板法面方向施加100 N的力，加載區(qū)域大小為50 mm×50 mm，位置如圖2所示。對(duì)翼子板進(jìn)行側(cè)向剛度分析，模擬用戶掌壓翼子板的情況，并查看翼子板變形和剛度狀況。

圖2 翼子板側(cè)向剛度分析加載位置

1.2.3 翼子板抗凹分析工況

在翼子板的4處位置分別用直徑100 mm、倒角半徑10 mm的剛性壓盤法向加載250 N的力，加載位置標(biāo)記分別為、、、，如圖3所示。抗凹分析記錄整個(gè)加載過(guò)程，由于該加載過(guò)程是隨時(shí)間變化的非線性工況，普通的靜力分析只是施加一個(gè)載荷力，達(dá)不到此種效果，所以一般抗凹分析不采用普通的靜力分析。

圖3 翼子板抗凹分析加載位置

基于Optistruct進(jìn)行抗凹分析時(shí)，具體建模過(guò)程如下：本文建模采用創(chuàng)建接觸，施加力加載形式，壓頭采用解析剛性面建模，剛體壓頭與外板間建立接觸，設(shè)置為小滑動(dòng)以利于收斂。約束翼子板的安裝處全部自由度，剛性壓頭參考點(diǎn)處建立局部坐標(biāo)系，向垂直于外板朝上，在該局部坐標(biāo)系下約束除了向平動(dòng)自由度以外的其他自由度，釋放向平動(dòng)自由度，然后在局部坐標(biāo)系下對(duì)翼子板施加載荷，方向?yàn)榫植孔鴺?biāo)系向，大小為250 N。由于高度非線性因素，這種方法計(jì)算速度慢。

2 分析結(jié)果

2.1 翼子板尖點(diǎn)剛度和強(qiáng)度分析

翼子板尖點(diǎn)剛度和強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)表2，云圖如圖4所示。由圖和表可知：位置在點(diǎn)時(shí)，鈑金材料的翼子板計(jì)算剛度值和SMC材料的翼子板剛度值全都小于目標(biāo)值，兩者都不滿足剛度要求：鈑金材料的翼子板承受最大應(yīng)力和SMC材料翼子板承受最大應(yīng)力都分別小于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值，兩者強(qiáng)度滿足要求。位置在點(diǎn)時(shí)，鈑金材料翼子板計(jì)算剛度值小于目標(biāo)值，不滿足剛度要求，SMC材料的翼子板剛度值超過(guò)目標(biāo)值，滿足剛度要求;兩者在位置點(diǎn)最大應(yīng)力分別小于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值，滿足強(qiáng)度要求。位置在點(diǎn)時(shí)，鈑金材料的翼子板計(jì)算剛度值和SMC材料的翼子板剛度值全都大于目標(biāo)值，兩者都滿足剛度要求;兩者在點(diǎn)最大應(yīng)力分別小于對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值，滿足強(qiáng)度要求。

表2 翼子板尖點(diǎn)剛度和強(qiáng)度分析結(jié)果

圖4 翼子板尖點(diǎn)剛度和強(qiáng)度分析云圖

2.2 翼子板側(cè)向剛度和強(qiáng)度分析

翼子板側(cè)向剛度和強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)表3，云圖如圖5所示。在位置處，鈑金材料翼子板最大剛度37 N/mm，最大應(yīng)力160 MPa;SMC材料翼子板最大剛度30 N/mm，最大應(yīng)力14 MPa。兩種材料的翼子板剛度都小于目標(biāo)值，都不滿足剛度要求;鈑金翼子板的最大應(yīng)力超過(guò)目標(biāo)值，材料發(fā)生失效風(fēng)險(xiǎn)很大，不滿足強(qiáng)度要求，SMC翼子板最大應(yīng)力小于目標(biāo)值，滿足強(qiáng)度要求。

表3 翼子板側(cè)向剛度和強(qiáng)度分析結(jié)果

圖5 翼子板側(cè)向剛度和強(qiáng)度云圖

2.3 翼子板抗凹工況分析

翼子板抗凹工況分析的目標(biāo)要求是:當(dāng)力加載到150 N之前，剛度要大于30 N/mm;當(dāng)力加載到200 N時(shí)，最小剛度要大于5 N/mm。翼子板抗凹工況分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 翼子板抗凹工況分析結(jié)果 單位:N/mm

由圖6a可知，鈑金材料翼子板和SMC材料翼子板在點(diǎn)時(shí)，兩條曲線都在30 N/mm上方，所以剛度全部大于 30 N/mm，當(dāng)力加載到200 N時(shí)，兩條曲線的最小斜率也都大于5 N/mm，鈑金翼子板的最小剛度是61 N/mm，SMC翼子板的最小剛度是56 N/mm，所以最小剛度全部大于5 N/mm，兩種材料翼子板均滿足剛度要求。

由圖6b可知，鈑金材料翼子板和SMC材料翼子板在點(diǎn)時(shí)，兩條曲線都在30 N/mm上方，所以剛度全部大于30 N/mm，當(dāng)力加載到200 N時(shí)，兩條曲線的最小斜率也都大于5 N/mm，鈑金翼子板的最小剛度是19 N/mm，SMC翼子板的最小剛度是58 N/mm，所以最小剛度全部大于5 N/mm，兩種材料翼子板均滿足剛度要求。

由圖6c可知，鈑金材料翼子板和SMC材料翼子板在點(diǎn)時(shí)，兩條曲線都在30 N/mm上方，所以剛度全部大于30 N/mm，當(dāng)力加載到200 N時(shí)，兩條曲線的最小斜率也都大于5 N/mm，鈑金翼子板的最小剛度是175 N/mm，SMC翼子板的最小剛度是51 N/mm，所以最小剛度全部大于5 N/mm，兩種材料翼子板均滿足剛度要求。

由圖6d可知，鈑金材料翼子板和SMC材料翼子板在點(diǎn)時(shí)，兩條曲線都在30 N/mm上方，所以剛度全部大于30 N/mm，當(dāng)力加載到200 N時(shí)，兩條曲線的最小斜率也都大于5 N/mm，鈑金翼子板的最小剛度是72 N/mm，SMC翼子板的最小剛度是35 N/mm，所以最小剛度全部大于5 N/mm，兩種材料翼子板均滿足剛度要求。

圖6 翼子板抗凹工況不同位置力-位移曲線

3 結(jié)論

根據(jù)對(duì)翼子板的分析，得到以下結(jié)論：①翼子板尖點(diǎn)剛度和強(qiáng)度分析表明，在位置點(diǎn)時(shí)，兩種材料翼子板都不滿足剛度要求，都滿足強(qiáng)度要求;在位置點(diǎn)時(shí)，鈑金翼子板不滿足剛度要求，SMC翼子板滿足剛度要求，兩者都滿足強(qiáng)度要求;在位置點(diǎn)時(shí)，兩種材料翼子板都滿足剛度和強(qiáng)度要求。②翼子板側(cè)向剛度和強(qiáng)度分析表明，兩種材料翼子板均不滿足剛度要求，其中鈑金翼子板不滿足強(qiáng)度要求，極易發(fā)生材料破壞;SMC翼子板滿足剛度要求。③翼子板抗凹工況分析表明兩種材料翼子板均滿足剛度要求。

綜上，從分析結(jié)果來(lái)看，SMC復(fù)合材料可以取代鈑金材料用于車身覆蓋件，后續(xù)可開(kāi)展SMC復(fù)合材料翼子板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析;從汽車輕量化的角度來(lái)看，SMC復(fù)合材料密度低、強(qiáng)度好，是汽車輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，也是復(fù)合材料行業(yè)在汽車領(lǐng)域的發(fā)展方向。