基于ABAQUS的前側(cè)車門外板抗凹性分析

摘要： 針對(duì)某車門外板存在的凹陷變形現(xiàn)象，運(yùn)用聯(lián)合數(shù)值仿真對(duì)車門外板進(jìn)行抗凹性分析并進(jìn)行優(yōu)化。首先，利用Hypermesh進(jìn)行CAE計(jì)算文件搭建；再應(yīng)用均勻布點(diǎn)法，鎖定車門外板關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)；進(jìn)一步地，采用逐次加載法對(duì)車門外板進(jìn)行加載與卸載；最后，調(diào)用ABAQUS求解計(jì)算，以獲得載荷-位移曲線、車門位移云圖和殘余形變狀態(tài)云圖。結(jié)果表明，車門外板原狀態(tài)關(guān)鍵區(qū)域的抗凹性不足，需對(duì)其優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化結(jié)果表明，P2點(diǎn)的最大位移減小了33.72%，殘余變形減小86.66%；P3點(diǎn)的最大位移減小28.33%，殘余變形減小96.58%。

關(guān)鍵詞：抗凹性 車門外板 數(shù)值模擬 ABAQUS

中圖分類號(hào)：TH164" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240216

Analysis of Concavity Resistance of Front Door Outer Plate Based

on ABAQUS

Wang Wei Liao Yinghua Liu Ke Wang Hongrui Liu Changzhao

（1. School of Mechanical Engineering， Sichuan University of Science amp; Engineering， Yibin 644000; 2. Automotive Engineering Research Institute， Yibin Cowin Automobile Co.， Ltd.， Yibin 644000; 3.Chongqing University， School of Mechanical and Transportation Engineering， Chongqing 400000）

Abstract： Aiming at the concave deformation of a certain vehicle front door panel，this paper conducts a concavity resistance analysis and optimization on the front door outer panel through a joint numerical simulation. Firstly， Hypermesh is utilized to construct the CAE calculation files. Secondly， the uniform distribution method is applied to fix the loading points in the key areas of the front door panels. Thirdly， the successive loading method is utilized to load and unload the front door panels. Finally， the ABAQUS solver is called for calculation to obtain the “Force-Displacement” curve，the front door displacement contour plot， and residual deformation contour plot. The results show that the anti-denting performance of the key area of the original state of the front door outer panel is insufficient， requiring optimization and improvement. The optimization results indicate that the maximum displacement at point P2 is reduced by 33.72 %， and the residual deformation is reduced by 86.66 %; the maximum displacement at point P3 is reduced by 28.33 %， and the residual deformation is reduced by 96.58 %.

Key words： Concavity resistance， Front door outer panel， Numerical simulation， ABAQUS

1 前言

車門外板是汽車車身的主要覆蓋件，尺寸較大并帶有曲率。當(dāng)受到較大的外載荷時(shí)，車門外板很容易發(fā)生凹陷或永久變形，從而影響車身的美觀和使用性能。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)汽車車身輕量化，車門外板會(huì)使用較薄且強(qiáng)度高的材料，使其凹陷變形的可能性大幅增加[1-2]。抗凹性是指車身覆蓋件在承受外載荷時(shí)抵抗凹陷、彎曲和局部凹痕變形，保持原有形狀的能力，它能很好地反映車身覆蓋件表面質(zhì)量和使用性能[2]。

車門外板抗凹性分析是汽車車身覆蓋件設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要步驟。發(fā)展初期，車門外板的抗凹性評(píng)價(jià)在很大程度上基于試驗(yàn)結(jié)果[3-5]。成艾國(guó)[6]基于對(duì)抗凹性的理論研究，并結(jié)合有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，研制出了一種新的汽車覆蓋件及開閉件的抗凹性測(cè)量裝置。李東升[7]在抗凹性試驗(yàn)原理和抗凹性評(píng)價(jià)參數(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了一套新的基于微機(jī)控制的專用抗凹性試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)[7]。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]均基于試驗(yàn)評(píng)價(jià)車門外板的抗凹性，該方法存在優(yōu)化效率低、優(yōu)化周期長(zhǎng)和成本較高等問(wèn)題。計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)的快速發(fā)展使有限元數(shù)值模擬技術(shù)在汽車車身覆蓋件成形過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用并不斷完善，為汽車車身覆蓋件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[8-10]。廖鶯[11]針對(duì)ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)，結(jié)合Python語(yǔ)言，開發(fā)出了針對(duì)車身覆蓋件抗凹性進(jìn)行分析的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)流程。宋凱[12]對(duì)Tcl/Tk語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，研制出了快速建模工具包，可對(duì)可變工況的車身覆蓋件抗凹性全流程優(yōu)化。文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]對(duì)匯編語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，從而對(duì)抗凹性分析流程進(jìn)行優(yōu)化，但在分析的過(guò)程中，如果出現(xiàn)結(jié)構(gòu)屈曲或材料應(yīng)力達(dá)到塑區(qū)域的情況，則容易出現(xiàn)迭代減少和迭代困難的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致抗凹性分析不能完整進(jìn)行，因此，這些問(wèn)題也急需得到解決。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于有限元分析軟件，以某款車型的前側(cè)車門為研究對(duì)象，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)車門外板進(jìn)行抗凹性分析。篩選出車門外板關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)，并對(duì)加載點(diǎn)進(jìn)行加載與卸載，以期得到載荷-位移曲線、加載位移云圖和殘余形變狀態(tài)，依據(jù)仿真分析結(jié)果和抗凹性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)原狀態(tài)車門外板關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

2 抗凹性的評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 抗凹性的理論評(píng)價(jià)指標(biāo)

抗凹性的理論評(píng)價(jià)指標(biāo)包括抗凹剛度、抗凹穩(wěn)定性和局部凹痕抗力[13]?？拱紕偠仁歉采w件對(duì)凹陷撓曲變形的抵抗能力，通常使用載荷-位移曲線的斜率來(lái)評(píng)價(jià)?？拱挤€(wěn)定性是指覆蓋件受到一定外載荷時(shí)對(duì)彈性變形的抵抗能力，通常使用覆蓋件突然失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷和臨界位移作為其評(píng)價(jià)指標(biāo)。局部凹痕抗力是指覆蓋件在受到外載荷時(shí)抵抗局部永久凹痕的能力，通常用覆蓋件受到一定外載荷所產(chǎn)生的凹陷程度或覆蓋件產(chǎn)生一定凹陷程度所受到的外載荷作為其評(píng)價(jià)指標(biāo)[14-16]。

汽車車身覆蓋件是一種雙曲扁殼類結(jié)構(gòu)，其中車門外板作為外覆蓋件通過(guò)多個(gè)安裝點(diǎn)固定在車身上。因此，可以將車門外板的抗凹性問(wèn)題分析轉(zhuǎn)化為雙曲扁殼在橫向集中載荷下的變化及穩(wěn)定性問(wèn)題分析。外覆蓋件的抗凹剛度包括基本剛度和大位移凹陷剛度[17]。

2.2 抗凹性的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)

抗凹性的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)是研究覆蓋件受到一定外載荷時(shí)，覆蓋件表面發(fā)生凹陷位移和外載荷的動(dòng)態(tài)線性關(guān)系，如圖1所示。

抗凹剛度表現(xiàn)為凹陷位移隨外載荷的變化關(guān)系，可以用曲線的斜率表示?？拱挤€(wěn)定性表現(xiàn)為抗凹剛度的變化率，即曲線切線斜率的變化率。局部凹痕抗力表現(xiàn)為卸載完成后，覆蓋件表面的凹陷位移不為零，即存在一定的殘余變形。如圖1所示，在加載初期，位移和載荷呈線性關(guān)系；當(dāng)外載荷加載到A點(diǎn)處時(shí)，曲線的斜率發(fā)生明顯變化，說(shuō)明A點(diǎn)處的抗凹穩(wěn)定性差，抵抗彈性變形的能力減弱并發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為油壺效應(yīng)（Oil Canning）[18]，常表現(xiàn)為“急回轉(zhuǎn)”和“大通過(guò)”現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試中表現(xiàn)為，覆蓋件受到的外載荷達(dá)到臨界值時(shí)，由于抗凹穩(wěn)定性驟減產(chǎn)生“啪啪嗒嗒”的聲響。因此，在設(shè)計(jì)車身覆蓋件時(shí)，應(yīng)該盡量避免油壺效應(yīng)。

在設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)際生產(chǎn)中，覆蓋件抗凹性能一般以一定外載荷下產(chǎn)生的凹陷位移作為檢驗(yàn)依據(jù)，如果凹陷位移小于檢驗(yàn)位移水平，則認(rèn)定覆蓋件抗凹性合格。

3 有限元建模與抗凹性分析

3.1 前側(cè)車門有限元模型

該前側(cè)車門主要由前側(cè)車門外板、前側(cè)車門內(nèi)板、門板加強(qiáng)板、門鎖、鉸鏈和玻璃導(dǎo)槽組成。對(duì)前側(cè)車門進(jìn)行抗凹性分析時(shí)主要考慮前側(cè)車門外板的加載變形，因此，在CATIA建模時(shí)，可以對(duì)門鎖和玻璃導(dǎo)槽及對(duì)前側(cè)車門結(jié)構(gòu)性能影響較小的部件進(jìn)行簡(jiǎn)化。

將建立好的前側(cè)車門CATIA模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行前處理。鈑金件采用2D殼單元模擬，網(wǎng)格平均尺寸為8 mm，焊接建模采用RBE2模擬；焊點(diǎn)單元采用ACM類型的單元模擬；粘膠和結(jié)構(gòu)膠采用ADHESIVES單元模擬。前側(cè)門模型單元數(shù)量為79 756個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為63 333個(gè)，模型總質(zhì)量為18.9 kg，前側(cè)車門有限元模型如圖2所示。

該前側(cè)車門外板材料標(biāo)號(hào)為B180H1，屈服強(qiáng)度為239 MPa，彈性模量為210 000 MPa，泊松比為0.3，密度為7.83×10-9 t/mm3，B1801H1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

3.2 壓頭底座局部有限元模型

前側(cè)車門抗凹性分析時(shí)，使用壓頭對(duì)車外關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)進(jìn)行加載、卸載以完成試驗(yàn)。壓頭呈半球狀，直徑為80 mm，采用六面體單元，網(wǎng)格平均尺寸為5 mm。壓頭模型單元數(shù)量為1 905個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2 382個(gè)，模型總質(zhì)量為1.4 kg，壓頭局部網(wǎng)格模型如圖4所示。

壓頭底座的彈性模量為21 000 MPa，泊松比為0.30，密度為7.85×10-9 t/mm3。

前側(cè)車門外板與壓頭之間的接觸用關(guān)鍵字*CONTACT PAIR定義，接觸約束系數(shù)類型用關(guān)鍵字*SURFACE TO SURFACE定義，接觸系數(shù)設(shè)置為0.1。

3.3 車門外板抗凹性分析

前側(cè)車門抗凹性分析流程如圖5所示。

前側(cè)車門抗凹性分析涉及材料非線性和接觸非線性問(wèn)題，可用ABAQUS求解此類非線性問(wèn)題。在ABAQUS隱式求解時(shí)，將載荷劃分為一定數(shù)量的增量步施加于結(jié)構(gòu)，每個(gè)增量步結(jié)束時(shí)尋求近似平衡解，若干次迭代后才能獲得最終平衡解。

3.3.1 約束條件

約束車門及門鎖鉸鏈X、Y、Z方向的平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（spc123456），約束下角緩沖塊Y方向的平動(dòng)自由度（spc2），約束壓頭加載點(diǎn)X、Y方向的平動(dòng)自由度和約束該點(diǎn)X、Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（spc12456），目的是使壓頭只在Y方向運(yùn)動(dòng)且可以消除剛體位移。前側(cè)門抗凹分析邊界如圖6所示。

在車門外板和壓頭接觸過(guò)程中，采用基于網(wǎng)格的接觸單元模擬接觸。當(dāng)選擇壓頭球面作為主面（Master Surface）、車門外板作為從面（Slave Sueface）創(chuàng)建接觸對(duì)時(shí)滿足了主面和從面的定義，且主面和從面的法線方向必須相對(duì)。

3.3.2 鎖定關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)

對(duì)前側(cè)車門進(jìn)行抗凹性分析時(shí)，使用一個(gè)直徑為80 mm的壓頭對(duì)車門外板關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)進(jìn)行加載，加載點(diǎn)的確定方法分別為：均勻布點(diǎn)法，將車門外板橫向和縱向劃3條等分線，橫向和縱向等分線的交點(diǎn)為一個(gè)分析點(diǎn)，每個(gè)位置按照矩陣方式編號(hào)，則共有9個(gè)抗凹分析加載點(diǎn)，進(jìn)一步，分析這9個(gè)點(diǎn)的最大位移，將最大位移處的部位作為關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)；模態(tài)分析法，對(duì)車門外板進(jìn)行模態(tài)分析，篩選出車門外板局部模態(tài)振型，選擇車門外板局部模態(tài)垂直外板方向位移較大的部位作為關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)；均布?jí)簭?qiáng)法，先對(duì)車門外板進(jìn)行靜力分析，再對(duì)車門外板施加定量的均布?jí)簭?qiáng)，求解計(jì)算出位移變形相對(duì)較大的部位，即作為關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)。

3種車門外板關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)選擇方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

選擇車門外板關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)的3種方法所使用的模型、載荷和約束均相同。依據(jù)本款車門外板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到車門加強(qiáng)板、防撞梁的焊接位置、設(shè)計(jì)開發(fā)周期的時(shí)間成本，結(jié)合3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文通過(guò)均勻布點(diǎn)法確定了3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)，分別為P1、P2、P3，如圖7所示。

外載荷的加載方式有逐次加載法和一次加載法，本文采用逐次加載法對(duì)車門外板進(jìn)行加載，壓頭施加外載荷流程如圖8所示。

由圖8可知，車門外板的抗凹性分析可分為以下步驟：

a.壓頭施加預(yù)載荷Pt，方向?yàn)榧虞d點(diǎn)坐標(biāo)系法向；

b.采用上述逐次加載法，加載到外載荷為400 N；

c.卸載，分析結(jié)束。

4 抗凹性分析結(jié)果與優(yōu)化

4.1 抗凹性分析結(jié)果

將建立好的車門外板抗凹性分析仿真模型保存并導(dǎo)出inp格式文件，求解文件提交ABAQUS求解計(jì)算，后處理在Hyperview模塊上進(jìn)行。通過(guò)求解計(jì)算及后處理，可得到車門外板關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)的載荷-位移曲線、殘余變形云圖以及加載、卸載位移云圖。P1點(diǎn)的加載、卸載位移云圖和載荷-位移曲線如圖9、圖10所示。

由圖9可知：P1點(diǎn)在外載荷為400 N作用下的最大位移為9.458 mm，卸載后的殘余位移為0.139 mm。依據(jù)2.2節(jié)的抗凹性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)可知，在外載荷逐次增大的過(guò)程中未出現(xiàn)“油壺效應(yīng)”，說(shuō)明P1點(diǎn)的抗凹穩(wěn)定性良好，滿足抗凹性要求。

P2點(diǎn)、P3點(diǎn)的加載、卸載位移云圖如圖11、圖12所示。

加載時(shí)的最大位移和卸載后的殘余變形結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。

如圖11、圖12所示，P2、P3點(diǎn)在外載荷為400 N的作用下最大位移分別為13.643 mm、13.956 mm，均不滿足最大位移目標(biāo)，但卸載后的殘余變形均滿足目標(biāo)。同時(shí)，可發(fā)現(xiàn)在圖13中的B點(diǎn)處和圖14中的C點(diǎn)處，曲線的斜率急劇驟減，抵抗彈性變形的能力減弱并發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，即出現(xiàn)“油壺效應(yīng)”，表明P2、P3點(diǎn)不滿足抗凹性要求，需要對(duì)P2、P3點(diǎn)處進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 優(yōu)化措施

工程實(shí)踐中，對(duì)車門抗凹性不足的優(yōu)化方法有很多種，常用的優(yōu)化方法有車門外板結(jié)構(gòu)優(yōu)化、增加車門外板材料厚度、更換車門外板材料和增加補(bǔ)強(qiáng)膠以滿足抗凹性要求[19]。但本文車型已經(jīng)定型，車外門板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法不易實(shí)現(xiàn)，且考慮到實(shí)現(xiàn)車身輕量化設(shè)計(jì)目的，增加車門外板材料厚度的優(yōu)化方法不宜考慮。綜合以上因素，考慮在P2和P3點(diǎn)中間增加補(bǔ)強(qiáng)膠以滿足抗凹性要求，如圖15所示。

圖15中，綠色部分即為增加的補(bǔ)強(qiáng)膠，該補(bǔ)強(qiáng)膠的彈性模量為1 830 MPa、泊松比為0.49、密度為1.10×10-9 t/mm3，補(bǔ)強(qiáng)膠與車門外板緊密貼合。采用此優(yōu)化方案，邊界條件保持不變，利用3.3節(jié)抗凹性分析流程再次對(duì)優(yōu)化后的P2、P3點(diǎn)進(jìn)行抗凹性分析。優(yōu)化后P2點(diǎn)、P3點(diǎn)的加載、卸載位移云圖如圖16、圖17所示，載荷-位移曲線如圖18、圖19所示。

從優(yōu)化后的分析結(jié)果可知：P2點(diǎn)在外載荷為400 N的作用下的最大位移為9.043 mm，卸載后的殘余變形為0.012 mm，均滿足所設(shè)定的目標(biāo)值，未發(fā)生“油壺效應(yīng)”，滿足抗凹性要求；P3點(diǎn)在外載荷為400 N的作用下的最大位移為10.001 mm，卸載后的殘余變形為0.012 mm，其最大位移接近目標(biāo)值，誤差微小，載荷-位移曲線平滑完整，抗凹穩(wěn)定性良好，且未發(fā)生“油壺效應(yīng)”，滿足抗凹性要求。與優(yōu)化前相比較，P2點(diǎn)、P3點(diǎn)的殘余變形更小，說(shuō)明抵抗凹陷的塑性變形能力有所提高，車門外板的抗凹穩(wěn)定性也有所提高，驗(yàn)證了此優(yōu)化方案的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)車門外板進(jìn)行了抗凹性分析研究，對(duì)不滿足抗凹性要求的原狀態(tài)關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)提出合理的優(yōu)化措施，并再次對(duì)其進(jìn)行抗凹性分析。優(yōu)化結(jié)果表明；P2點(diǎn)的最大位移從13.643 mm降低到9.043 mm，優(yōu)化效率為33.72%，殘余變形從0.090 mm降低到0.012 mm，優(yōu)化效率為86.66%；P3點(diǎn)的最大位移從13.956 mm降低到10.001 mm，優(yōu)化效率為28.33%，殘余變形從0.351 mm降低到0.012 mm，優(yōu)化效率為96.58 %。優(yōu)化后的原狀態(tài)關(guān)鍵區(qū)域加載點(diǎn)滿足抗凹性要求，抗凹穩(wěn)定性得到極大提升，達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

該抗凹性分析方法可以在汽車研發(fā)過(guò)程中降低開發(fā)成本、縮短研發(fā)周期。本文為優(yōu)化車身覆蓋件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，簡(jiǎn)化了車門外板抗凹性分析的流程，規(guī)范了車門外板抗凹性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

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