謝有浩，尹 廣，王小睿，張立祥

在節(jié)能減排的背景下，車身輕量化設(shè)計(jì)是產(chǎn)品研發(fā)過程中面臨的重要課題之一，強(qiáng)度和剛度等性能的仿真分析計(jì)算更為必不可少。近年來，SUV車型在乘用車產(chǎn)銷總量中的占比逐年提高，因SUV的白車身和車門結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)轎車存在較大的差異，車門的性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得更為重要。

車門是汽車車身零部件中重要的開閉件，不僅能夠起到對外隔音隔熱的作用，還可以起到緩沖外界沖擊力的作用，從而有效地保障駕乘人員的乘坐舒適性和安全性[1]。SUV后背門相對于其他車門是曲面最多、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、尺寸最大的車門分總成系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對車身可靠性的影響至關(guān)重要[2]。

后背門的抗凹性能分析與前后門既有類似的地方，也有不同之處?；贏BAQUS對某款SUV車型后背門為研究對象，建立抗凹性分析模型，從而對后背門抗凹性能進(jìn)行分析研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其抗凹性能滿足法規(guī)和設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。

1 抗凹性能分析方法和評價(jià)指標(biāo)

1.1 抗凹性能分析方法

數(shù)值模擬法和實(shí)驗(yàn)法[3]是當(dāng)前進(jìn)行車身覆蓋件抗凹性分析最常用的兩種方法。由于數(shù)值模擬法操作起來簡單方便，可快速直接得到抗凹性的分析結(jié)果，因此，應(yīng)用在車身覆蓋件抗凹性評估中比較多。但是，由于車身覆蓋件的凹陷變形受外部載荷、材料特性等要素的綜合影響，是一個(gè)非線性化的問題，處理起來很麻煩，而且得到的結(jié)果準(zhǔn)確性不高，對實(shí)際生產(chǎn)的作用有限，故國內(nèi)目前只是采用這種手段作為輔助參考。

實(shí)驗(yàn)法相對于比數(shù)值模擬法要復(fù)雜的多，但由于其根據(jù)實(shí)際結(jié)果測得，比較真實(shí)、可靠，對優(yōu)化抗凹性能具有很強(qiáng)的指導(dǎo)性，是當(dāng)前評判車身覆蓋件抗凹性的主要方法。鑒于實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行抗凹性分析受實(shí)驗(yàn)成本、技術(shù)條件、覆蓋件本身因素等方面的制約，對覆蓋件抗凹性的測定也存在一定的缺陷[4]。因此，再實(shí)際車身覆蓋件抗凹性分析中，為了相對準(zhǔn)確全面的判定車身覆蓋件的抗凹性，通常同時(shí)采用上述兩種抗凹性能分析方法，甚至還采用兩種以上的抗凹性能分析方法進(jìn)行聯(lián)合分析。

1.2 評價(jià)指標(biāo)

車身外覆蓋件的抗凹性一般用靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)來評判。靜態(tài)指標(biāo)指的是抗凹剛度，即試件抵抗凹陷撓曲變形的能力，它對覆蓋件的性能有著顯著的影響。在實(shí)驗(yàn)中，一般用“載荷—位移”曲線的斜率來評估，其與試件的厚度、幾何形狀有關(guān)，與材料的強(qiáng)度無關(guān)。

動態(tài)指標(biāo)考察的是局部區(qū)域在受到外力載荷時(shí)，所顯示出來抵抗外部載荷的穩(wěn)定性，其特征是將外力加載到試件的極限載荷時(shí)，在外力變化不大的情況下，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)強(qiáng)烈，表現(xiàn)為“大通過”和“急回轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象，稱為油壺效應(yīng)。它用不穩(wěn)定范圍作為評價(jià)指標(biāo)，這個(gè)范圍越小越好[5]。

2 后背門抗凹性分析

某車型后背門主要由以下部分組成：后背門外板、后背門內(nèi)板、鎖鏈加強(qiáng)板、彈簧加強(qiáng)板、門鎖加強(qiáng)板等。基于此后背門的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用ABAQUS軟件對其進(jìn)行CAE分析和優(yōu)化，具體步驟如下所示：

2.1 建立模型

后背門的抗凹性是一種非線性分析，目前國內(nèi)用來處理此類問題的軟件有：Ls-Dyna、MSC.Nastran、ABAQUS、Adina等等。本文所用的軟件為ABAQUS，并采用Hypermesh作為前處理軟件。由于非線性問題處理起來較為麻煩，因此要在保證后背門模型準(zhǔn)確的前提下進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，具體處理如下所示：

(1)采用4節(jié)點(diǎn)殼單元劃分網(wǎng)格,容許部分為三角形殼單元，但不超過10%，最好低于5%。單元尺寸控制在10 mm左右，最小尺寸為8mm，最大尺寸為15mm。

(2)進(jìn)行幾何清理，清理不必要的細(xì)節(jié)，包括縫合相鄰面之間的縫隙、去除過于小的孔、修補(bǔ)丟失或破壞的面等。

(3)車門內(nèi)外板材料選用ST16，彈性模量E取210 GPa，泊松比μ取0. 3，外板厚度d為0. 8mm；

約束鉸鏈支架除Y軸轉(zhuǎn)動之外的所有自由度，約束門鎖鉤全部6個(gè)自由度，如圖1所示：

圖1 后背門約束情況

2.2 后背門數(shù)值模擬

在薄弱位置用撞擊塊垂直施加載荷，從0加到400N然后卸載，觀察后背門內(nèi)外板的變化。共選取了8個(gè)點(diǎn)作為主要觀察點(diǎn)，如圖2所示：

圖2 考察點(diǎn)位置

對各點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析，其載荷位移曲線如圖3所示，其中點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3的載荷位移曲線如圖3a 所示，點(diǎn)4、點(diǎn)5、點(diǎn)6的載荷位移曲線如圖3b 所示，點(diǎn)7、點(diǎn)8的載荷位移曲線如圖3c 所示點(diǎn)。

圖3 各點(diǎn)載荷位移曲線

3 結(jié)果分析和優(yōu)化

本文考慮從三個(gè)方面對現(xiàn)有后背門的抗凹性結(jié)果進(jìn)行分析：(1)是否出現(xiàn)“油罐效應(yīng)”；(2)考察點(diǎn)的最大位移；(3)卸載后的殘余位移。從載荷位移曲線上可知：2、3、4、5的殘余變形均在0.7mm以上，6，7，8的殘余變形雖低于目標(biāo)值0.7mm，但最大變形較大，在9mm以上。

工程中影響產(chǎn)品性能的因素有很多，比如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品厚度、材料等，但各有優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以很好的改善抗凹性，但設(shè)計(jì)所花的時(shí)間變長，不利于產(chǎn)品更快的推向市場；改變產(chǎn)品厚度對抗凹性的影響也相當(dāng)明顯，但增加料厚不利于整車輕量化的推動；更換材料方便易操作，但可能會導(dǎo)致成本增加。當(dāng)然，也可以通過別的方法改善抗凹性，比如貼補(bǔ)強(qiáng)貼等。

鑒于研究對象車型的平臺化和通用化情況，以及開發(fā)費(fèi)用、實(shí)施周期和綜合成本等綜合因素，采用更換材料的方法來優(yōu)化后背門外板的抗凹性能，將材料換為ST14。在板厚、結(jié)構(gòu)不變的前提下，對其進(jìn)行CAE分析。分析結(jié)果如表1所示：

表1 材料ST14和ST16數(shù)值分析表

優(yōu)化前后的數(shù)值結(jié)果如表1所示，分析數(shù)據(jù)可知：不滿足要求的2、3、4、5等點(diǎn)的殘余變形已大大降低，滿足小于0.7mm的要求，其余各點(diǎn)的殘余變形也有了顯著改進(jìn)，更換材料對改善后背門的抗凹性能是有效的。

4 結(jié)語

(1)通過CAE軟件模擬了后背門外板的抗凹過程，并得到多點(diǎn)位移載荷曲線及其最大變形和殘余變形。分析數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)有后背門的抗凹性不滿足要求。

(2)綜合考慮，決定更換后背門的材料，并對優(yōu)化方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果證明，優(yōu)化后的后背門抗凹性滿足要求。由此可知，采用CAE方法可以便利的預(yù)測后背門的抗凹性，為優(yōu)化后背門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 羊拯民.汽車車身設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版.2008.

[2] 李文明,谷曉玉.汽車后背門內(nèi)板起皺解決措施[J].模具工業(yè),2013(10):52- 54.

[3] 李雪峰.汽車板板材抗凹性試驗(yàn)方法理論分析和數(shù)值模擬研究[D].北京:北京航空航天大學(xué),2001.

[4] 王亮,李東升,陳連峰,李濤.車身覆蓋件抗凹性試驗(yàn)方法及系統(tǒng)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2014(6):742-743.

[5] 黃湛,樂玉漢,李衛(wèi)平.客車覆蓋件抗凹性有限元分析與研究[J].城市車輛,2009(1):36-37.