王家軍，王鋒

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

隨著汽車車身設(shè)計(jì)的成熟，尤其是乘用車的車身安全設(shè)計(jì)，一直是業(yè)內(nèi)人士和消費(fèi)者關(guān)注的重點(diǎn)。車身頂蓋是車身關(guān)鍵總成之一，連接著白車身的 A、B、C柱等重要部位，不但影響著整車外形美觀，更在保持車身結(jié)構(gòu)，保護(hù)乘員安全等方面起著重要作用。對(duì)于汽車頂蓋而言，在遭受以積雪為代表的均布載荷和以指壓或重物為代表沖擊載荷的作用下，其結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生明顯變形甚至整體塌陷，直接影響到汽車的乘坐舒適性，安全性和美觀性。

汽車安全性是指汽車在行駛中避免事故，保障行人和乘員安全的性能，一般分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性。主動(dòng)安全性，主要是指汽車防止或減少道路交通事故發(fā)生的性能?，F(xiàn)代車輛配備的 ABS（制動(dòng)防抱死系統(tǒng)）、ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）等都屬于提升汽車主動(dòng)安全性的裝置。被動(dòng)安全性，是指汽車在事故發(fā)生時(shí)減少乘員傷亡的能力。安全氣囊，安全玻璃，結(jié)構(gòu)吸能等都屬于汽車被動(dòng)安全性的范疇，對(duì)于翻滾事故中車頂抗壓強(qiáng)度的研究也屬于汽車被動(dòng)安全性研究。在對(duì)于汽車車頂抗壓性能的研究過程中，各個(gè)國家以及汽車公司都制定了關(guān)于翻滾碰撞的試驗(yàn)和研究方法，大致可以分為動(dòng)態(tài)翻滾試驗(yàn)方法和準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法。其中，動(dòng)態(tài)翻滾試驗(yàn)時(shí)，車內(nèi)需要放入假人，讓車輛以一定速度單側(cè)輪胎駛?cè)胄逼隆４罅吭囼?yàn)表明，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)具有較高的隨機(jī)性和較差的重復(fù)性，所以目前還沒有廣泛地開展；車頂準(zhǔn)靜態(tài)抗壓試驗(yàn)可以在試驗(yàn)室中完成，且試驗(yàn)重復(fù)性較好，避免了較高的隨機(jī)性，得到了廣泛應(yīng)用。

文章通過對(duì)某 MPV車身頂蓋為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究汽車頂蓋的雪載性能和抗壓性能。從板殼穩(wěn)定性理論和屈曲分析理論出發(fā)，截取汽車頂蓋有限元模型進(jìn)行汽車頂蓋雪載性能分析，通過線性屈曲分析確定臨界屈曲載荷，并在此載荷下進(jìn)行非線性屈曲分析。對(duì)頂蓋進(jìn)行雪載試驗(yàn)，得到其承受不同厚度抗雪壓能力，并研究車頂?shù)挚骨途植堪枷葑冃蔚哪芰?，為新車型開發(fā)提供基本性能數(shù)據(jù)。MPV相對(duì)普通轎車頂蓋尺寸大，加載質(zhì)量大，試驗(yàn)難度高，通過在車上頂蓋逐級(jí)施加一定的分布載荷來模擬雪的重量，并逐次測量車頂各個(gè)測點(diǎn)的變形量，得出車頂在不同載荷下的變形狀況，以此來評(píng)價(jià)車身頂蓋抵抗雪載變形的能力。通過比較仿真分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的車頂優(yōu)化做好準(zhǔn)備。[1]

1 有限元分析

1.1 屈曲分析基本理論

屈曲也叫失穩(wěn)，主要發(fā)生在細(xì)長或薄壁機(jī)構(gòu)上，存在平衡分岔失穩(wěn)與無平衡分岔失穩(wěn)等多種類型。屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，屈曲分析包括線性（特征值）屈曲分析和非線性屈曲分析。對(duì)于大面積的扁殼型車頂而言，頂蓋可能失去局部穩(wěn)定，也可能失去整體穩(wěn)定。鑒于頂蓋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，一般采用有限元方法完成相關(guān)分析。其中線性屈曲分析預(yù)知結(jié)構(gòu)的屈曲臨界載荷，通常將其作為非線性屈曲分析的第一步。

線性屈曲分析以特征值為研究對(duì)象，特征值方程決定了結(jié)構(gòu)的分岔點(diǎn)。進(jìn)行線性屈曲分析的過程就是對(duì)相應(yīng)矩陣方程進(jìn)行求解，找到所求解結(jié)構(gòu)的分岔點(diǎn)，得出材料的屈曲因子λi和屈曲模態(tài)ψi。靜力分析中剛度矩陣的狀態(tài)函數(shù)為：

如果分析是線性的，可以對(duì)載荷和結(jié)合剛度矩陣乘上一個(gè)系數(shù)λi，此時(shí)：

在屈曲模型中，當(dāng)載荷達(dá)到臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移會(huì)大于{x}而載荷沒有增加，即：

通過上述方程求解，可得：

式中：K——結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；

KG——結(jié)構(gòu)的幾何剛度矩陣；

λi——屈曲因子（參考載荷的放大系數(shù)）；

{x}{ψi}——屈曲模態(tài)（位移特征向量）；

{Pref}參考載荷（任意值）。

式（1）-（4）為線性屈曲分析求解方程，對(duì)于同一種材料，K和KG為定值因子，通過方程求解，可以得到屈曲因子λi和屈曲模態(tài)特征值ψi。屈曲臨界載荷為：

其中，求解過程中得到的屈曲因子和屈曲模態(tài)特征值均為多維向量，但結(jié)構(gòu)屈曲只與最小λ有關(guān)。一般按此條件確定臨界載荷，不考慮后面的特征值。

實(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，非線性屈曲分析比線性屈曲分析更加準(zhǔn)確，能夠反映結(jié)構(gòu)屈曲的過程。非線性屈曲分析矩陣形式的控制過程為：

式中：KT= K +KG+KNL。

在非線性屈曲控制方程的求解過程中，求解器通過迭代的方式不斷地將載荷增量d{Pref}帶入矩陣方程中進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)上一步的收斂情況給出下一步的載荷增量，直至求解結(jié)束。[2]

1.2 模型描述

對(duì)數(shù)模頂棚強(qiáng)度性能進(jìn)行仿真分析，考察是否目標(biāo)要求,分析模型如圖1所示，在截取部分進(jìn)行全約束，在頂棚的平面上進(jìn)行加載，施加節(jié)點(diǎn)力，節(jié)點(diǎn)數(shù) 38049，由計(jì)算公式得出節(jié)點(diǎn)力大小為0.2283N；力的方向?yàn)?Z向；頂棚外板材料SPCC_0.7t。

圖1 分析模型如上圖所示

1.3 分析結(jié)果

圖2 90cm雪厚位移云圖

圖3 160cm雪厚位移云圖

圖4 160cm雪厚塑性應(yīng)變云圖

圖5 雪厚與位移曲線圖

1.4 結(jié)論

將分析結(jié)果匯總?cè)缦卤恚?/p>

NC數(shù)據(jù)頂棚在雪厚60cm時(shí)無塑性應(yīng)變，90cm時(shí)無屈曲發(fā)生，滿足目標(biāo)要求。

2 頂蓋雪壓試驗(yàn)

本次雪載試驗(yàn)采用分層逐級(jí)加載方式以模擬不同雪載厚度影響，按最大雪載厚度 160cm 設(shè)計(jì)分層加載質(zhì)量。采用與頂蓋雪厚質(zhì)量相等的石子以模擬整個(gè)過程中頂蓋的承載情況。以石子的質(zhì)量等效于雪載的厚度，其基本關(guān)系式為：

樣車白車身頂蓋計(jì)算面積為：36740cm2，車頂框架按此面積制作，三塊木框內(nèi)側(cè)面積分布見表 2。在頂蓋積雪達(dá)到160cm 厚時(shí)，頂蓋承載為 881.76kg，試驗(yàn)按882kg加載。在試驗(yàn)過程中，按照15cm雪厚 為一個(gè)等級(jí)進(jìn)行加載，總載荷共分成 11 個(gè)等級(jí)進(jìn)行加載，為了保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，本次試驗(yàn)進(jìn)行兩輪。雪載加載情況見表1。[3]

表1 雪載試驗(yàn)?zāi)M加載用木框面積（cm2）

表2 雪載試驗(yàn)加載次序表

圖6 車頂測試系統(tǒng)支架及載荷框架

2.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，可以繪制出以車頂長度為橫坐標(biāo)，變形量為縱坐標(biāo)的各測點(diǎn)變形曲線，從而得到加載至各級(jí)載荷時(shí)，各個(gè)測點(diǎn)的變形量。圖7～11為車頂各列測點(diǎn)雪載變形圖。

圖7 車頂?shù)谝涣袦y點(diǎn)雪載變形

圖8 車頂?shù)诙袦y點(diǎn)雪載變形

圖9 車頂?shù)谌袦y點(diǎn)雪載變形

圖10 車頂?shù)谒牧袦y點(diǎn)雪載變形

圖11 車頂?shù)谖辶袦y點(diǎn)雪載變形

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，車頂測點(diǎn)的橫向變形均呈凹陷狀，即在各級(jí)載荷下，從車頂兩側(cè)到中間，變形量都是逐漸增大，在此選取變形量最大的車頂?shù)谖迮艤y點(diǎn)繪制橫向測點(diǎn)變形曲線如圖12。

圖12 車頂?shù)谖迮艤y點(diǎn)雪載變形

根據(jù)車頂坐標(biāo)和各級(jí)載荷下各測點(diǎn)變形量，以車頂長度為 X 坐標(biāo)，車頂寬度為 Y 坐標(biāo)，變形量為 Z 坐標(biāo)，運(yùn)用Matlab 軟件繪制雪載試驗(yàn)下各個(gè)測點(diǎn)空間變形云圖13：

圖13 車身頂棚雪載試驗(yàn)測點(diǎn)變形

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)車頂雪載設(shè)計(jì)的一般標(biāo)準(zhǔn)，即分別得出積雪厚度60cm、90cm和160cm的車頂變形情況，其變形情況如圖14～16：

從14～16曲線圖和三維圖中都可以看出，在各級(jí)載荷時(shí)，均是車身中部變形量較大，使得整體車頂變形在此處形成下陷，其原因從構(gòu)造來看是此處橫梁間距較大，但整體變形較小。

圖14 積雪厚度60cm時(shí)頂棚測點(diǎn)變形

圖15 積雪厚度90cm時(shí)頂棚測點(diǎn)變形

圖16 積雪厚度160cm時(shí)頂棚測點(diǎn)變形

3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

1）結(jié)果顯示頂蓋在雪厚60cm時(shí)無塑性應(yīng)變，90cm時(shí)無屈曲發(fā)生，滿足目標(biāo)。

2）從變形曲線和變形位置來看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和CAE分析結(jié)果趨勢一致性較好，位移量對(duì)比精度為70.8%。

表3

4 結(jié)論

1）通過有限元分析，確定了MPV頂蓋的臨界屈曲載荷及屈曲失穩(wěn)過程，從雪壓仿真分析和試驗(yàn)兩方面來分析頂蓋的抗雪壓性能。

2）進(jìn)行MPV的頂蓋雪載試驗(yàn)，繪制頂蓋橫向和縱向的各級(jí)變形曲線并對(duì)比CAE分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)車型開發(fā)做好準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪偉康.汽車頂蓋性能分析與試驗(yàn)研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2016:17-22.

[2] 譚繼錦,張代勝.汪小朋,張雷,等.某SUV頂蓋雪壓屈曲性能分析與優(yōu)化研究［J］.中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集,2016:1679-1681.

[3] 遲玉華,楊大芝.白車身頂蓋雪載試驗(yàn)方法［J］.汽車實(shí)用技術(shù),2016（2）:90-93.