車門抗凹陷性能分析研究

譙萬(wàn)成 羊定侯 賀方平

（一汽海馬汽車有限公司）

1 前言

車門系統(tǒng)是外覆蓋件中的一個(gè)子系統(tǒng)，是客戶直觀評(píng)價(jià)外覆蓋件抗凹陷性能的主要系統(tǒng)。車門抗凹陷性能是車門外板在載荷作用下抵抗凹陷變形的能力。抵抗變形能力的大小取決于車門結(jié)構(gòu)的幾何形狀和零件的材料屬性。根據(jù)抗凹陷試驗(yàn)方法，本文采用一汽海馬公司傳統(tǒng)的抗凹陷仿真分析方式與改進(jìn)后的仿真分析方式分別進(jìn)行CAE仿真，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，考察兩種仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差異性，為抗凹陷仿真分析提供更好的方法。

2 車門抗凹陷試驗(yàn)

在凹陷性臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)某車型前車門進(jìn)行試驗(yàn)，在前車門外板上選取按單位間距排列的點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)測(cè)試，以驗(yàn)證整個(gè)車門的抗凹陷性能。取值時(shí)，對(duì)車門所有測(cè)試點(diǎn)在每個(gè)額定載荷作用下讀取一個(gè)相對(duì)應(yīng)的位移值。本文隨機(jī)選擇其中一個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,臺(tái)架試驗(yàn)如圖1所示。

根據(jù)凹陷性試驗(yàn)方法，在搭建CAE仿真分析模型時(shí)，可簡(jiǎn)化為被測(cè)區(qū)域在外力作用下發(fā)生凹陷，其試驗(yàn)作用過程如圖2所示。

抗凹陷性能主要由被測(cè)點(diǎn)的最大變形量、殘余變形量、易拉罐效應(yīng)3個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判。通過多個(gè)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的整理與分析，可知這3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間并不存在任何相對(duì)應(yīng)的數(shù)值關(guān)系。

3 有限元模型搭建

模擬臺(tái)架加載方式搭建相應(yīng)的有限元仿真模型，基于HyperMesh前處理搭建車門子系統(tǒng)基礎(chǔ)網(wǎng)格模型。

傳統(tǒng)抗凹陷性仿真分析方式與改進(jìn)后的抗凹陷性仿真分析方式載荷大小與載荷方向相同，最主要差別在于載荷的施加方式不同。傳統(tǒng)仿真分析方式是在HyperMesh的ABAQUS模塊中對(duì)被測(cè)區(qū)域表面施加額定壓強(qiáng)；改進(jìn)后的仿真分析方式是在ABAQUS_CAE模塊中處理，建立剛性球，對(duì)鋼性球施加額定集中載荷，使用鋼性球擠壓被測(cè)區(qū)域[1]。

兩種仿真方式均采用ABAQUS隱式求解器求解。

3.1 抗凹陷性能隱式求解理論

隱式算法基本上采用紐曼法進(jìn)行時(shí)間域的積分，由連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論得到系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為:

式中，M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；a為加速度；v為速度；u為位移；F為作用力。

Newmark—beta隱式積分一般形式為:

式中，n為迭代次數(shù)；Δt為時(shí)間增量；β、γ為常數(shù)。

采用4節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行有限元離散化時(shí)，γ=1/2，β=1/4，可得:

式中，內(nèi)力 R=乙βTσdv。

為消除線性化帶來的誤差，采用牛頓—拉弗森法進(jìn)行平衡迭代，迭代求解平衡方程為:

式中，kt（u）為增量步開始時(shí)的切線剛度矩陣。

第一次求解得到Δu=Δu1，下一次迭代有:

解得 Δu=Δu2，反復(fù)迭代得到:

迭代收斂條件為位移收斂條件，即:

式中，i為迭代次數(shù)號(hào)；FRCTOL為定義的收斂容差。

在求解過程中，若迭代既沒有收斂也沒有發(fā)散，則按式（9）進(jìn)行位移修正:

繼續(xù)進(jìn)行平衡迭代，一直到得到收斂的解[2]，求出抗凹陷性能的位移值。

3.2 被測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格細(xì)化

為了更好的模擬試驗(yàn)臺(tái)架，需要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架觸頭與車門外板接觸部分做直徑為12 mm范圍面積的網(wǎng)格細(xì)化。

外表面被測(cè)區(qū)域中心的網(wǎng)格最細(xì)，網(wǎng)格大小可以控制在0.5 mm×0.5 mm內(nèi)；只允許出現(xiàn)極少數(shù)的三角形網(wǎng)格；網(wǎng)格圍繞中心區(qū)域向四周擴(kuò)散，網(wǎng)格大小逐漸變大。網(wǎng)格細(xì)化后得到的典型網(wǎng)格分布如圖3所示。為提高仿真精度，細(xì)化的網(wǎng)格與周圍網(wǎng)格連接時(shí)，應(yīng)避免不合格網(wǎng)格的出現(xiàn)。

3.3 材料與屬性

傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼板屈服應(yīng)力大、強(qiáng)度高，但其沖壓成形性較差，特別是起皺、回彈等缺陷比較明顯。車輛外覆蓋件材料選擇則需要考慮外覆蓋件的抗凹陷性能。該車門外板采用的材料為經(jīng)過烘烤硬化的高強(qiáng)度鋼板（BH鋼），其不僅具有良好的剛度、強(qiáng)度，還具有優(yōu)良的抗凹陷性能[3]。該種材料與傳統(tǒng)鋼材的抗凹陷性能對(duì)比如圖4所示。

在建立抗凹陷仿真分析有限元模型時(shí)，根據(jù)材料試驗(yàn)得到該材料的彈性模量、密度、泊松比以及材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。經(jīng)過處理后的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。

3.4 邊界條件

兩種載荷施加方法的仿真約束方式相同，均采用和臺(tái)架試驗(yàn)一致的約束方式，載荷施加方向與被測(cè)點(diǎn)表面的法向相同。車門門鎖處以及車門上下鉸鏈約束整車坐標(biāo)系下X、Y、Z軸向平動(dòng)自由度，車門限位點(diǎn)約束2自由度，約束方式如圖6所示。

第一種載荷施加方式為壓強(qiáng)，在前車門外表面被測(cè)區(qū)域內(nèi)施加壓強(qiáng)。根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)的載荷值以及觸頭與車門接觸的面積，算出施加到被測(cè)點(diǎn)每一個(gè)網(wǎng)格單元上的平均壓強(qiáng)值為0.442MPa，壓強(qiáng)與接觸面積的乘積為200N。搭建完成后的模型如圖7所示。

搭建第二種載荷施加模型時(shí)，需要在ABAQUS的前處理界面創(chuàng)建屬性為解析剛體的直徑為80 mm的剛性球，將集中載荷200 N加載于剛性球上，再讓剛性球作用于車門被測(cè)點(diǎn)。通過建立剛性球外表面與被測(cè)表面之間的接觸屬性以及摩擦關(guān)系，保證剛性球擠壓被測(cè)表面過程中更接近抗凹陷臺(tái)架試驗(yàn)的整個(gè)測(cè)試狀態(tài)。搭建模型時(shí)，建立以車門外表面被測(cè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)、其中一個(gè)方向坐標(biāo)軸垂直于被測(cè)表面的局部坐標(biāo)系。集中載荷作用在剛性球上的方向?yàn)榫植孔鴺?biāo)系下垂直于被測(cè)表面的坐標(biāo)軸。對(duì)剛性球進(jìn)行約束時(shí)，在局部坐標(biāo)系下放開沿被測(cè)點(diǎn)表面法向一致的平動(dòng)自由度，其余方向全約束[4]。搭建完成的模型如圖8所示。

考慮到抗凹陷臺(tái)架試驗(yàn)中加載是一個(gè)緩慢的過程，仿真分析的載荷可近似為線性的加載與卸載，載荷曲線如圖9所示。

4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

4.1 第二種載荷施加方式作用過程

剛性球與被測(cè)點(diǎn)之間的相互作用是一個(gè)連續(xù)的過程，作用力與位移云圖如圖10所示。

4.2 兩種載荷施加方式作用結(jié)果

兩種不同的載荷施加方式導(dǎo)致的最大變形與殘余變形結(jié)果如圖11、圖12所示。

4.3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)，制作載荷位移曲線，將兩種不同載荷施加方式的仿真結(jié)果與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比如圖13所示。

前車門抗凹陷性能臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果最大變形量為10.21 mm，殘余變形量為0.192 mm；第一種載荷施加方式計(jì)算所得的最大變形量為11.16 mm，殘余變形量為0.12 mm；與試驗(yàn)結(jié)果相比最大變形量的相對(duì)誤差為13.6%，殘余變形量的相對(duì)誤差為36.5%。第二種載荷施加方式計(jì)算所得的仿真結(jié)果最大變形量為10.62 mm，殘余變形量為0.16 mm；與試驗(yàn)結(jié)果相比最大變形量的相對(duì)誤差為4.0%，殘余變形量的相對(duì)誤差為17.7%。

在整個(gè)車門外表面臺(tái)架試驗(yàn)中隨機(jī)選擇6個(gè)測(cè)試點(diǎn)，除去文中所述的測(cè)試點(diǎn)，其余5個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的結(jié)果與計(jì)算機(jī)仿真分析所得的結(jié)果如表1所列。通過仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，某些測(cè)試點(diǎn)最大變形量不滿足要求，但是殘余變形量滿足要求；某些測(cè)試點(diǎn)則是最大變形量滿足要求，但是殘余變形量不滿足要求。對(duì)于固定載荷、固定鋼性球直徑測(cè)試方式，可以按照試驗(yàn)要求的目標(biāo)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

從表1中誤差分析情況可以看出，第二種載荷施加方式與試驗(yàn)更加接近。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立剛性球，創(chuàng)建外表面接觸以及摩擦參數(shù)，是一種更加接近試驗(yàn)的模擬仿真手段，其不僅局限在車門上，還適用于車身外覆蓋件的各個(gè)子系統(tǒng)上，包括擋泥板、翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板、后背門蓋板抗凹陷性能仿真分析中。

經(jīng)過一系列的試驗(yàn)對(duì)比研究，第二種載荷施加方式更能反映外覆蓋件承受凹陷變形的能力，為汽車外覆蓋件設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)支持。同時(shí)，采取該仿真分析方式能大大節(jié)約試驗(yàn)成本及時(shí)間。

1 曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:98～108.

2 韋勇，裴磊，成艾國(guó).基于ABAQUS的汽車覆蓋件抗凹陷性分析.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（1）:80～82.

3 江海濤，康永林，王全禮，等.高強(qiáng)度汽車板的烘烤硬化特性.鋼鐵研究，2006:54～57.

4 劉展，祖景平，錢英莉，等.ABAQUS6.6基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解.北京:中國(guó)水利出版社，2008:324～328.