基于HyperMesh的某乘用車門外板抗凹分析及優(yōu)化

馬佳佳

（比亞迪汽車有限公司 汽車工程院，陜西 西安 710300）

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家政策導(dǎo)向及用戶需求的不斷提升，汽車的性能越來越受到廣大用戶的關(guān)注[1]。其中車門既是整車外覆蓋件的重要組成部分，又是一個(gè)相對獨(dú)立的總成，通常由車門外板、車門內(nèi)板、加強(qiáng)版、門鎖等一系列零部件焊接而成，其性能的好壞，對車內(nèi)乘員的安全性及舒適性有較大的影響，并且直接關(guān)系到用戶對車輛的評價(jià)。

車門抗凹性，反映的是外板在受到外部載荷時(shí)，抵抗局部凹陷、變形的能力，是用戶主觀評價(jià)的重要因素[2]，其性能的優(yōu)劣，會對車輛在高速行駛過程中的抖動(dòng)有一定的影響。針對其抗凹性能的評估，行業(yè)內(nèi)普遍做法是考察加載點(diǎn)的變形量、是否存在油罐現(xiàn)象，以及殘余變形量是否符合設(shè)定的目標(biāo)值，且為了增加車門外板的剛度，通常會在內(nèi)外板之間增加支架，增加板材料厚，優(yōu)化板材結(jié)構(gòu)或者在外板內(nèi)側(cè)增加補(bǔ)強(qiáng)膠片，來使其滿足設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)時(shí)，車門的抗凹性能通常是以某載荷作用下，加載點(diǎn)產(chǎn)生的位移來作為檢驗(yàn)的依據(jù)。因此，本文主要針對我司某款后車門某壓點(diǎn)位移不達(dá)標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以此來提高車門外板的抗凹能力，并為同行業(yè)工程師提供相關(guān)問題的解決思路。

1 數(shù)值模型建立

1.1 模型建立

通過三維建模軟件將車門總稱導(dǎo)出為.stp 等HyperMesh 可識別的文件，并導(dǎo)入HyperMesh 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分前的幾何清理。忽略對車門抗凹性能影響較小的細(xì)小孔、螺栓、圓角等其他特征，保留主要特征。由于車門總成主要為薄壁結(jié)構(gòu)，因此，采用抽取中面，鋪平面殼網(wǎng)格，并控制單元長寬比，翹曲，雅克比，單元角度，三角形占比等參數(shù)，來保證較高質(zhì)量的網(wǎng)格。

為保證計(jì)算精度，車門總成主要單元尺寸為6 mm×6 mm，車門外板加載區(qū)域單元尺寸采用3 mm×3 mm，單元類型為S3 和S4。壓頭使用半球形結(jié)構(gòu)，直徑30 mm，壓頭外表面采用殼單元模擬，賦予剛體材料，整個(gè)車門總成模型中三角形單元比例為3.6%，有限元模型如圖1 所示。

圖1 車門有限元模型

1.2 材料屬性

車門外板的屈曲抗凹分析是典型的非線性問題，為保證分析的準(zhǔn)確性，本文充分考慮了材料非線性、幾何非線性以及邊界非線性[3]。零部件之間采用coupkin、solid 等單元來模擬螺栓連接、焊點(diǎn)連接和粘膠連接。由于車門外板抗凹屬于準(zhǔn)靜態(tài)分析，可以忽略材料的應(yīng)變率對分析結(jié)果的影響。本文中所有材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線均通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)獲得，有限元模型中材料屬性如表1 所示。

表1 主要零部件材料

1.3 邊界條件

移動(dòng)壓頭至目標(biāo)點(diǎn)，在壓頭與車門外板之間建立接觸對。接觸對通常選用剛性較大的結(jié)構(gòu)作為主面。因此，選擇壓頭作為接觸主面，車門外板作為接觸從面，摩擦系數(shù)為0.15，添加有限滑移約束，約束鉸鏈安裝點(diǎn)與門鎖扣安裝點(diǎn)123456自由度，約束壓頭中心點(diǎn)除加載方向之外的其他自由度，加載方向?yàn)檐囬T外板法向，在壓頭上加載200 N 集中力，然后卸載。

2 車門抗凹優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化方案

針對本文中所述測點(diǎn)抗凹性能不滿足要求的問題，提出以下優(yōu)化方案1 與方案2 與原始方案進(jìn)行對比：1）改變外板加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，將初始加強(qiáng)板兩邊向下折彎，中部朝外車門外板側(cè)向上凸起中間涂抹減振膠，變更為中間反向朝向車門內(nèi)側(cè)凹陷，兩側(cè)翻邊涂膠，同時(shí)，將加強(qiáng)板的凹槽深度由原10 mm 增加至18 mm，此種方法可以有效增加加強(qiáng)版與車門外板涂膠面的寬度，從而在一定程度上增加外板剛度，針對此方案進(jìn)行仿真分析。2）在外板加強(qiáng)板變更的基礎(chǔ)上，壓點(diǎn)位置外板內(nèi)側(cè)粘貼150 mm×100 mm×1.5 mm 補(bǔ)強(qiáng)膠片，再次進(jìn)行仿真分析。優(yōu)化方案如圖2 和圖3所示。

圖2 優(yōu)化方案1

圖3 優(yōu)化方案2

2.2 結(jié)果分析

針對原始方案中加載點(diǎn)位移為5.79 mm，不滿足≤5 mm 的目標(biāo)值的問題。對以上2 種優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證，輸出優(yōu)化方案與原始方案的位移載荷對比曲線如圖4 所示，分析結(jié)果如表2 所示。

圖4 測點(diǎn)位移載荷曲線

表2 分析結(jié)果 單位：mm

從計(jì)算結(jié)果可以看出，方案1 與方案2 均增加了車門外板的局部剛度，使外板的抗凹性能得到較大幅度提升，方案1 與方案2 加載點(diǎn)位移與原結(jié)構(gòu)相比分別減小了13.3%和21.9%，且優(yōu)化后外板抗凹性能達(dá)到目標(biāo)范圍。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于優(yōu)化的仿真分析結(jié)果，制作樣件1、樣件2 分別與方案1、方案2 對應(yīng)。利用絲杠加載，由位移傳感器控制位移（分辨率0.01 mm）、力傳感器控制加載值（分辨率1 N），利用輕量化材料應(yīng)用測試系統(tǒng)（AMM-200-I）采集數(shù)據(jù)，壓頭直徑30 mm。實(shí)驗(yàn)過程如圖5 所示，對目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖5 車門抗凹試驗(yàn)

圖6 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比分析 單位：mm

對比表3 分析結(jié)果，可以得出，樣件1 與樣件2 均滿足目標(biāo)值，且方案1 外板加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化已滿足目標(biāo)值，方案2 增加補(bǔ)強(qiáng)膠片可以進(jìn)一步提高車門外板的局部剛度，提升其抗凹性能。仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，說明了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，但綜合評估經(jīng)濟(jì)性與整體性能方面的最優(yōu)化，可以將方案1 運(yùn)用到實(shí)際量產(chǎn)中。

4 結(jié)論

本文針對某轎車車門外板抗凹性能進(jìn)行優(yōu)化，通過變更車門外板加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)與增加補(bǔ)強(qiáng)膠片，來提升外板的抗凹性能，并進(jìn)行仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1）試驗(yàn)與仿真有較好的一致性，說明仿真分析的準(zhǔn)確性。

2）優(yōu)化車門外板加強(qiáng)板與增加補(bǔ)強(qiáng)膠片均可以提升外板的局部剛度，提升其抗凹性能。

3）變更外板加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)對車門外板抗凹性能提升明顯，使其能夠達(dá)到目標(biāo)值，且變更后的外板加強(qiáng)板可以一定程度上提升車門的側(cè)面碰撞性能?；诮?jīng)濟(jì)性的原因，增加補(bǔ)強(qiáng)膠片可以作為外板剛度進(jìn)一步提升的備選方案。

上述結(jié)論為后續(xù)車型開發(fā)過程中車門抗凹性能的提升奠定了基礎(chǔ)，為后續(xù)車門性能的深入研究提供了方向。