魏敏，黃炎，羅慧娟

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

乘用車頂蓋主要由薄壁板件和頂蓋橫梁組成，在設(shè)計(jì)過程中除了對(duì)剛度模態(tài)有一定要求外，對(duì)其承受雪壓載荷抵抗能力也有一定要求。特別是在近年極端天氣多發(fā)[1]、各地頻繁遭受特大暴雪襲擊的情況下，汽車頂棚經(jīng)過雪壓載荷后能否恢復(fù)形變逐漸被人們關(guān)注[2]。靜態(tài)仿真分析方法所計(jì)算的雪壓值與真實(shí)雪壓值存在偏差，不能很好地呈現(xiàn)頂蓋變形的位置和整體變形情況。本文作者為改進(jìn)靜態(tài)方法的缺陷，提出了一種汽車頂蓋雪壓動(dòng)態(tài)仿真分析方法，模擬頂蓋積雪的動(dòng)態(tài)過程，并將其應(yīng)用到某乘用車頂蓋雪壓分析問題上，通過對(duì)比頂蓋雪壓試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，驗(yàn)證了該頂蓋雪壓動(dòng)態(tài)仿真分析方法的可靠性及有效性。

1 頂蓋雪壓仿真分析

1.1 靜態(tài)仿真分析模型及方法

仿真中采用HyperMesh軟件建模該乘用車有限元分析模型，所有鈑金件的單元建立在中面上，尺寸為10 mm×10 mm。點(diǎn)焊采用ACM、縫焊、CO2保護(hù)焊，鉚接、螺栓連接以及鉸接采用剛性連接[3]。頂蓋總成及側(cè)圍鈑金件的材料為鋼材，材料類型是各向同性線性材料MAT1，在賦材料特性時(shí)采用鋼材的材料特性。其密度、質(zhì)量等按實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

(1)邊界條件

截取白車身立柱及頂蓋模型，約束側(cè)圍截?cái)嗝孀畹紫聝膳殴?jié)點(diǎn)的1-6自由度，如圖1所示。

圖1 約束示意

加載過程分兩步，首先進(jìn)行線性靜力學(xué)分析[4]，對(duì)頂蓋受壓區(qū)域施加方向?yàn)閆軸負(fù)向、大小為p1的壓力(單位MPa)，計(jì)算結(jié)構(gòu)在此載荷下的位移分布。壓力p1為積雪厚度h0等于60 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的頂蓋Z向所受均勻壓力。

p1=ρ雪gh0

(1)

在靜力分析的基礎(chǔ)上，利用其載荷條件進(jìn)行屈曲分析[5]，求解模型的特征值，提取第一階特征值λ1，則頂蓋臨界屈曲載荷p=p1λ1，并根據(jù)臨界載荷計(jì)算出對(duì)應(yīng)濕雪厚度。

h=p/(ρ雪g)=(p1λ1)/(ρ雪g)=(ρ雪gh0λ1)/(ρ雪g)=h0λ1

(2)

(2)結(jié)果后處理及分析

用后處理軟件打開結(jié)果文件，顯示頂蓋在p1壓力下的位移云圖以及發(fā)生臨界屈曲的振型和數(shù)值，如圖2所示。

圖2 臨界屈曲結(jié)果

由公式(2)可知，臨界屈曲對(duì)應(yīng)積雪厚度h=h0λ1=1.64×60=98.4 cm。根據(jù)對(duì)近年來的雪厚統(tǒng)計(jì)，該車頂蓋雪壓滿足要求。但該方法只能反映出頂蓋外板的變形情況，沒有顯示出頂蓋外板與頂梁的整體失穩(wěn)狀態(tài)。

1.2 一種動(dòng)態(tài)仿真分析模型及方法

在靜態(tài)仿真分析模型基礎(chǔ)上修改設(shè)置，點(diǎn)焊類型改為mat100，頂蓋總成、側(cè)圍總成鈑金件的材料類型為各向同性非線性材料，根據(jù)其實(shí)際材料牌號(hào)賦非線性曲線，其他設(shè)置基本相同，不再重述。

(1)邊界條件

約束與靜態(tài)仿真分析模型相同，載荷條件為在頂蓋頂面施加一條由3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)連成的載荷曲線，如圖3所示。這條曲線的X軸為加載時(shí)間t，ms；Y軸為頂蓋頂面上每個(gè)節(jié)點(diǎn)所受的力F，kN。3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為(0，0)、(X2，Y2)和(X3，Y3)，其中X2建議取200～400 ms，Y2等于1.5 m雪壓厚度時(shí)頂蓋上每個(gè)節(jié)點(diǎn)所受的力，kN，Y2=2.94×A/N。式中：A為頂蓋頂面在XY平面的投影面積，m2；N為頂蓋頂面節(jié)點(diǎn)集合的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；X3為大于X2的任意數(shù)值；Y3=Y2。

圖3 頂蓋頂面加載曲線

仿真試驗(yàn)中加力方式模擬從0～300 ms時(shí)，對(duì)應(yīng)著頂蓋承受從0～1.5 m雪壓厚度，頂蓋上每個(gè)節(jié)點(diǎn)所受力的方向?yàn)檎囎鴺?biāo)系Z軸負(fù)向。

(2)結(jié)果后處理及分析

在工作窗口中繪制頂蓋Z向位移的云圖，然后播放動(dòng)畫，動(dòng)畫反映了頂蓋隨著雪壓逐漸升高時(shí)的變形過程。根據(jù)動(dòng)畫初步判斷加載過程是否正常，仿真結(jié)果是否有效。將動(dòng)畫定格在仿真終止時(shí)刻，在頂蓋及頂梁中心線上取若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，測(cè)量其Z向相對(duì)位移，并繪制曲線，估算臨界雪壓厚度，如圖4所示。

圖4 頂蓋位移云圖及位移曲線

根據(jù)曲線判斷對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生壓潰，判斷依據(jù)：如果在某時(shí)刻以后，曲線下降速度明顯加快，在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)、快速地下降15 mm以上，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)在此時(shí)刻開始發(fā)生壓潰。最先發(fā)生壓潰的節(jié)點(diǎn)為頂蓋上最薄弱的部位，根據(jù)其開始?jí)簼⒌臅r(shí)刻t可以計(jì)算出頂蓋的臨界雪壓厚度H。如果t

如圖4所示，屈曲點(diǎn)位置出現(xiàn)在t=170 ms。在t=170 ms后，曲線下降速度明顯加快，在20 ms內(nèi)連續(xù)、快速地下降了18 mm。根據(jù)其開始?jí)簼⒌臅r(shí)刻可知，頂蓋的臨界雪壓厚度H=150×170/300=85 cm。

該乘用車頂蓋抗雪壓符合目標(biāo)，由于頂蓋除了滿足雪壓要求外，還同時(shí)要滿足頂蓋模態(tài)及頂蓋抗凹兩項(xiàng)性能要求。為了平衡這三項(xiàng)性能，這款頂蓋不屬于過設(shè)計(jì)，不需要再進(jìn)行下一步的優(yōu)化。

1.3 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)仿真分析結(jié)果對(duì)比

經(jīng)分析對(duì)比，頂蓋靜態(tài)仿真分析結(jié)果與動(dòng)態(tài)仿真分析結(jié)果如表1所示。靜態(tài)仿真方法所得雪壓厚度為98.4 cm，動(dòng)態(tài)仿真方法所得雪壓厚度為85 cm，靜態(tài)所得雪壓厚度比動(dòng)態(tài)所得雪壓厚度高出13.4 cm。

表1 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)仿真分析結(jié)果對(duì)比

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為：該乘用車白車身一臺(tái)、白車身試驗(yàn)臺(tái)、沙袋若干(每袋5 kg、尺寸為40 cm×40 cm)、測(cè)量臺(tái)架、尺子。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)約束條件及加載：白車身自然平放在臺(tái)架上，在頂蓋頂面均勻地鋪撒沙袋，單層從前向后不斷增加數(shù)量。模擬積雪對(duì)頂蓋的作用，直至頂蓋有屈曲坍塌或者有大的變形。試驗(yàn)邊界條件如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)邊界條件

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置在頂蓋及頂梁中心，與仿真布置位置一致，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)時(shí)輕放沙袋，均勻放置，單層從前向后不斷增加數(shù)量，在加載54個(gè)沙袋后(270 kg)，頂蓋與橫梁開始出現(xiàn)變形，此時(shí)加載面積約為2 350 mm×1 050 mm=2.47 m2，相當(dāng)于55 cm雪厚。卸載第二根橫梁上面的沙袋，頂蓋與橫梁恢復(fù)狀態(tài)，但無明顯壓變形特征，頂蓋沒有變軟現(xiàn)象。

在加載58個(gè)沙袋后(290 kg)靜置24 h，此時(shí)加載面積約為2 350 mm×1 050 mm=2.47 m2，相當(dāng)于59 cm雪厚，頂蓋與橫梁變形加大。卸載全部沙袋，頂蓋與橫梁基本恢復(fù)狀態(tài)，但無明顯壓變形特征，頂蓋出現(xiàn)變軟現(xiàn)象。

在加載72個(gè)沙袋后(360 kg)，頂蓋中后部發(fā)生變形，此時(shí)加載面積約為2 350 mm×1 050 mm=2.47 m2，相當(dāng)于73 cm雪厚。卸載全部沙袋，頂蓋與橫梁基本恢復(fù)狀態(tài)，但無明顯壓變形特征，頂蓋出現(xiàn)變軟現(xiàn)象。

增至加載86個(gè)沙袋后(430 kg)，兩根后橫梁變形加大，橫梁中間位置已經(jīng)低于兩側(cè)，此時(shí)加載面積約為2 350 mm×1 050 mm=2.47 m2,相當(dāng)于87 cm雪厚。

繼續(xù)加載沙袋，頂蓋與橫梁變形明顯加大，此時(shí)第二根橫梁中間位置位移大于15 mm，卸載后部分橫梁與頂蓋有塑性變形現(xiàn)象。

從試驗(yàn)過程及測(cè)量結(jié)果可知，頂蓋臨界雪壓厚度為87 cm。由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)對(duì)比可知，試驗(yàn)與仿真結(jié)果基本一致。

2.4 試驗(yàn)與仿真對(duì)標(biāo)

分別對(duì)比靜態(tài)、動(dòng)態(tài)仿真分析方法與試驗(yàn)所得頂蓋抗雪壓厚度，如表2所示。

表2 試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

由試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比可知，靜態(tài)仿真分析所得結(jié)果比試驗(yàn)值高出11.4 cm，并且靜態(tài)仿真分析方法只反映出頂蓋外板的變形情況。動(dòng)態(tài)仿真分析所得頂蓋抗雪壓厚度與試驗(yàn)值基本吻合，證明了動(dòng)態(tài)仿真分析方法的可靠性和有效性，并且動(dòng)態(tài)仿真分析方法完整地呈現(xiàn)出頂蓋及頂梁整體的失穩(wěn)狀態(tài)，更加真實(shí)地反映了在實(shí)際積雪過程中，頂蓋變形的位置和整體變形情況。

3 結(jié)論

(1)原有的靜態(tài)仿真分析方法所計(jì)算的雪壓與實(shí)測(cè)雪壓值存在偏差，不能很好地反映頂蓋變形的實(shí)際位置和整體變形模式。本文作者為改進(jìn)靜態(tài)方法，提出了一種汽車頂蓋雪壓動(dòng)態(tài)仿真分析方法。

(2)以某乘用車為例，運(yùn)用動(dòng)態(tài)仿真分析方法，考慮材料的非線性，采用顯式計(jì)算，并分析、評(píng)價(jià)了仿真分析計(jì)算結(jié)果。

(3)通過頂蓋雪壓試驗(yàn)，并用實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比，驗(yàn)證了文中提出的頂蓋雪壓動(dòng)態(tài)仿真分析方法的可靠性及有效性，為頂蓋的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了重要思路。