郝文宏

摘 ?要：輕量化設計是零部件設計的難點之一。在重型卡車側圍外板的輕量化設計中，減薄外板的料厚是輕量化設計方案之一，但是減薄零件的料厚會影響零件的抗凹性?？拱夹栽O計指標低于一定數值時，不僅會帶來NVH問題還會影響客戶對產品的主觀評價。為了量化重型卡車側圍后部的抗凹性，采用Benchmark的方法，利用CAE分析的方式對重卡側圍后部抗凹性進行了分析，并研究了CAE分析結果與人的主觀評價之間的關系。

關鍵詞：重型卡車側圍外板后部;抗凹性

中圖分類號：U463.82 ? ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1005-2550（2020）06-0068-05

Abstract： Lightweight design is one of the difficulties in component design. In the lightweight design of the outer plate of the side of the heavy truck， reducing the material thickness of the outer plate is one of the lightweight design schemes， but this design schemes will affect the parts's resistance to concave. when the design index of concave resistance is lower than a certain value， it will not only bring NVH problem， but also affect the customer's subjective evaluation of the product. In order to quantity the concave resistance of the rear of the side of heavy truck， the method of benchmark and CAE analysis were used to analyze the concave resistance of the rear of the side of heavy truck， and the analysis results were compared with the subjective evaluation.

Key Words： Rear of the Side of Heavy Truck; The Concave Resistance

1 ? ?前言

重型卡車的側圍外板是重型卡車白車身總成中重要的大型零件之一，其重量占卡車白車身總成（不包括白車門總成及白工具箱總成）總重量的11%左右。輕量化是汽車技術永恒的追求，如何設計出輕量化的白車身是白車身設計技術的難點之一。減小側圍外板的料厚是實現輕量化技術方案之一。側圍外板料厚減薄后，會出現一系列的技術問題，在這些技術問題中，側圍外板后部的抗凹性是這些技術問題中首先要面對的問題。

重型卡車側圍后部是如圖1所示的區(qū)域，在此區(qū)域中，一般會存在面積較大的無骨架支撐的薄板結構，此區(qū)域常見的技術問題是：區(qū)域的局部模態(tài)接近發(fā)動機怠速頻率，此區(qū)域的抗凹性極易被設計人員忽略。

側圍外板后部的抗凹性屬于主觀評價，不同的用戶可能會產生不同的評價。如果用戶對這一區(qū)域的抗凹性產生“很軟”這一主觀評價，會影響用戶對整個駕駛室的品質評價。不僅如此，如果在產品設計初期，此區(qū)域的性能設計指標制定的偏弱，不僅會影響用戶的主觀評價還會影響駕駛室的NVH性能。因此，側圍外板后部的抗凹性應在產品設計初期就制定出一定的設計指標。文獻[1]中，作者在數值模擬的基礎上對發(fā)動機罩的抗凹性給出了在400N載荷的作用下，壓頭的上部材料為鋼材，下部為橡膠材料，半徑為R=80mm時，覆蓋件的外板凹陷位移不超過15mm為合格。文獻[2]中，為了評價頂蓋的抗凹性，作者給出的CAE分析結果的評價方法為：（1）一次性緩慢加載，使加載點的撓曲位移f達到10mm，獲取載荷-位移曲線，載荷-位移曲線處于目標剛度曲線13N/mm之上，且載荷大于等于400N為合格;（2）由載荷-位移曲線，檢查130N處凹陷位移，小于等于6mm為合格;（3）檢查載荷-位移曲線，從0到400N沒有出現油罐效應為合格。此文中，加載物體是直徑為100mm的剛性半球。

以上文獻中給出的設計指標屬于轎車相關總成的設計指標，由于重型卡車的用戶多數為男性，所以這些設計指標是否適合重卡側圍后部的抗凹性，需要進一步的研究。

2 ? ?工況及受力數值的確定

為了確定側圍外板后部的受力工況及受力大小，我們進行了兩種工況下力大小的實際測量工作。一種工況模擬人用右手大拇指按壓時人的施力狀況，另一種工況模擬人用右手手掌推時人的施力狀況。測量的人數為6人，測量結果見表1：

這些數據的測量條件為：被測量人站立時自由施力，力的大小讀取的是測力計上最高峰值時力的大小。選取男性的原因是：考慮到重卡的使用者大多為男性。

在參考文獻[3]中，給出了我國中等體力20～30歲的男青年手臂肌肉的施力大小為：左手370N，右手390N。拇指肌肉的施力大小為：左手100N，右手120N。

根據力的測量結果，我們認為手掌推工況為評價側圍后部抗凹性較惡劣的工況。結合參考文獻[3]以及測量的實際情況，我們認為力的大小選取400N較為合適。

3 ? ?分析方法的選擇

隨著CAE有限元分析技術的發(fā)展，CAE有限元分析技術在產品創(chuàng)新中的作用變得越來越重要。CAE有限元分析技術以其分析成本低，精度高，時間短，可重復性好而成為產品創(chuàng)新不可或缺的環(huán)節(jié)。

為了制定重型卡車側圍后部抗凹性設計指標，我們選取了三輛重型卡車駕駛室作為研究對象。在分析這三輛重型卡車駕駛室側圍后部抗凹性時，為了降低成本，我們選擇CAE有限元分析技術來進行分析工作。這三輛重型卡車駕駛室分別為駕駛室A，駕駛室B和駕駛室C。在分析這三輛駕駛室側圍后部抗凹性時，我們是在不考慮補強板的情況下進行的分析工作，駕駛室A和駕駛室C的側圍零部件的材料來源于逆向材料分析，駕駛室B的側圍零部件的材料來源于正向設計。

4 ? ?側圍外板后部抗凹性有限元分析

4.1 ? 建立有限元分析模型

利用HyperMesh對需要進行分析的車型建立有限元分析模型，為了提高計算效率，模型去除了與車門裝配的部分，如圖2所示。模型中共有56326個單元，焊點和膨脹膠均采用C3D8H單元模擬。

4.2 ? 壓頭的分析模型

分析時的壓頭球面半徑為41.3mm，后部連接半徑為40mm的圓柱體。壓頭的圓柱部分為鋼材，球面部分為橡膠。壓頭的模型如圖3所示：

同時，為了保證整個有限元計算的準確性，對壓頭加載的側圍外板區(qū)域進行了局部網格精細化處理，如圖4所示：

4.3 ? 分析點的選擇

側圍的抗凹性與其結構直接相關，根據側圍總成結構，在沒有支撐的薄弱部位選擇加載點，加載點的數量及部位見圖5，圖6，圖7。

4.4 ? 約束條件及加載方式

約束側圍與白車身連接位置的X、Y、Z三個方向的平動和轉動自由度，同時約束壓頭X、Z方向的平動自由度，在壓頭與側圍之間添加接觸設置，并施加400N的作用力。根據側圍總成的結構，曲面的法向與Y向夾角小于0.2度，為了簡化分析，加載方向選取Y向，在不同加載點，分別計算三輛車型的Y向變形。

4.5 ? 材料屬性

材料屬性見表2。

4.6 ? 分析結果

通過有限元分析，得到三個駕駛室側圍外板在400N載荷作用下的位移大小。駕駛室A的位移大小如表3所示，駕駛室B和C的位移大小如表2所示：

5 ? ?主觀評價

我們在實際車輛上找出分析的點并選擇6人對它們進行主觀評價。選取的6個人全部為男性，年齡為28～45歲的技術員。進行主觀評價時，在駕駛室B和C的側圍后部按壓時感覺不到有位移，所以我們認為駕駛室B和C的側圍后部抗凹性良好，沒有進行實際點的測繪工作。在對駕駛室A進行主觀評價時，側圍后部有些部位明顯感覺到有較大的位移，駕駛室A側圍后部實際點如圖8所示。選擇的6個人對駕駛室A側圍后部不同點的主觀評價見表5：

從主觀評價的結果看，主觀評價一致為良好的位移量是：7.5，6.6;主觀評價一致為不可接受的位移量是：14.75，13.9，13.29;主觀評價一致為可接受的位移量9.56，10.77，10.62;主觀評價有的為可接受，有的為不可接受，有的為勉強接受的位移量是：13.66，10.32。

從位移的角度看，我們容易得到：當位移小于8mm時，側圍外板的抗凹性可以滿足良好這一主觀評價。當位移小于10mm時，側圍外板的抗凹性可以滿足可接受這一主觀評價。考慮到我們的主觀評價為小樣本研究，我們對駕駛室A側圍后部序號為2，3的點的剛度曲線進行了比較。

從點的剛度曲線我們可以看出，點3的剛度曲線出現了明顯不連續(xù)的情況，而點2的剛度曲線是連續(xù)的。這說明雖然點2的位移量處于13mm以上，但它能被一部分人勉強接受。

6 ? ?結論

通過以上研究，我們認為，對于重型卡車側圍外板后部的抗凹性設計指標可以采用分區(qū)定義的方式進行設計。在側圍外板高度2/3以下的區(qū)域，我們建議的設計指標是：（1）在400N的載荷下，壓頭采用本文所述的壓頭的情況下，位移小于等于8mm;（2）加載點的剛度曲線連續(xù)無突變。在側圍外板高度2/3以上的區(qū)域，在滿足局部模態(tài)的前提下，側圍外板的抗凹性設計指標可以在13mm以內。

在檢查重型卡車側圍外板后部區(qū)域的局部模態(tài)時，這一區(qū)域的局部模態(tài)應避免與發(fā)動機怠速頻率或發(fā)動機常用頻率接近。

據文獻[4]，零部件的抗凹性和材料的強度級別正相關，所以本文的結論只適合DC系列的材料或強度級別與DC系列相同材料的零部件抗凹性的設計。

參考文獻：

[1]胡從義. 基于數值模擬的發(fā)動機罩抗凹性能優(yōu)化 農業(yè)裝備與車輛工程，2014.07.

[2]劉瑜，劉子建. 車頂覆蓋件抗凹和抗雪壓性能分析與評價，汽車工程，2017.11.

[3]袁泉. 汽車人機工程學，北京：清華大學出版社.

[4]羊軍，來新民. 高強度車身外覆蓋件的剛度及抗凹形影響因素研究，上海汽車，2013.06.