某乘用車車門抗凹陷性能分析及優化

韋永平，鄧國紅，楊鄂川，龐通，張勇

(汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

某乘用車車門抗凹陷性能分析及優化

韋永平，鄧國紅，楊鄂川，龐通，張勇

(汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054)

為了對某乘用車車門的抗凹陷性能進行分析，采用HyperMesh作為前處理器，利用ABAQUS/Standard隱式求解方法對其進行屈曲抗凹分析。對車門外板進行屈曲模態分析，確定抗凹分析中的加載位置，建立剛性球壓頭模擬指壓對車門進行抗凹分析，得到車門的殘余變形量和加載卸載過程載荷與位移的關系曲線，并針對車門進行優化，提高了車門的抗凹陷性能。

ABAQUS;屈曲模態;抗凹;車門;隱式求解

車門作為汽車重要的覆蓋件和車身結構件，其表面質量是影響車身性能的一項重要指標和特性。車門外板尺寸一般相對較大、帶曲率，有一定的預變形，在使用過程中常常受到外載荷的作用，譬如人為的觸摸按壓、積雪的靜載荷、行進過程中的振動以及掉落的樹枝、冰雹、碎石等沖擊動載荷。這些載荷往往使車門外板發生凹陷撓曲甚至產生局部永久凹痕，直接影響車門的外觀品質和日常使用。

在汽車制造領域中，一般把車門承受外部載荷作用、抵抗凹陷撓曲及局部凹陷變形，保持原有形狀的能力稱為車門的抗凹性［1］。抗凹性與車門板材的種類、車門的結構型式設計和沖壓成形工藝等密切相關。抗凹性的3個重要指標為抗凹剛度、抗凹穩定性及局部凹痕抗力［2］。在設計和實際生產過程中，常常以定載荷作用下產生的局部凹陷位移作為車門的抗凹性能評價依據。若凹陷位移小于檢驗位移水平，則車門的抗凹性能合格。前期的抗凹性評價部分是基于試驗完成的［3－5］。荷蘭的Vreede［6］和日本三菱汽車公司的Keiichi Hamano［7］提出用三維測量機測量試件的殘余凹陷量，對不同屬性和形狀的鋼鐵、鋁制試件進行了試驗分析。隨著有限元理論的成熟和計算機仿真技術的不斷發展，有學者利用非線性有限元的方法對車門的靜態強度進行了計算分析［8－9］。數值模擬車門在靜、動態凹陷情況下的抗凹性能，對預測和評價車門的抗凹性能具有直接的指導意義。本文使用非線性有限元方法，利用ABAQUS隱式求解，通過建立剛性球壓頭模型，對車門的屈曲模態和抗凹特性進行分析，為車門的設計和改進提供了理論參考。

1 有限元模型的建立

1.1 車門模型的建立

車門由以下部分組成:車門外板、內板及其加強板，防撞梁，門鎖加強板，鉸鏈加強板以及玻璃導槽和玻璃。由于該乘用車車門總成只進行了焊接和涂裝，在分析車門的抗凹陷性能時主要是考慮車門外板的加載變形情況，因此建模時忽略車窗玻璃、玻璃導槽和玻璃升降器等附件。其中車門外板和內板之間通過包邊結合，防撞梁與外板之間通過粘膠連接，門鎖和鉸鏈加強板通過焊接方式與內板相連。

將車門的CATIA數模導入到HyperMesh/ ABAQUS接口中進行幾何清理及簡化。由于車門均為鈑金結構件，因此主要采用四節點殼單元對車門進行有限單元離散化處理，而少量的三角形單元可滿足高質量網格的過度需要。目標單元尺寸為10 mm×10 mm，車門外板與剛性壓頭接觸區域需要細化，細化單元尺寸為5 mm×5 mm。

將車門的鉸鏈畫成實體網格模型，且至少為3層，對車門外板與內板之間的包邊進行簡化，并采用節點共用實現兩者之間的連接。用RBE2下的Beam單元模擬各部件之間的CO2氣體保護焊連接。螺栓連接采用B31桿單元來模擬。建立完成的車門有限元模型如圖1所示。

圖1 車門有限元模型

整個仿真模型共有殼單元61 782個。其中四邊形單元59 565個，三角形單元1 934個，三角形單元所占比例為3.1%，滿足計算精度要求。

1.2 剛性球壓頭模型的建立

在抗凹加載點處通過加載剛性球壓頭模型來進行抗凹性分析的加載，以模擬抗凹性試驗。壓頭的位置一般設在車門外板相對薄弱的位置，根據經驗(無加強筋及曲率變化較大的應力集中位置)和車門外板的屈曲模態的振型圖來確定剛度薄弱的區域。本文根據文獻［10］建立剛性球壓頭模型，采用直徑為20 mm，高為35 mm的球形實體網格模型，網格目標尺寸為3 mm×3 mm。建立好的剛性壓頭有限元模型如圖2所示。

圖2 剛性球壓頭有限元模型

1.3 材料與屬性的確定

車門抗凹分析屬于材料非線性和幾何非線性分析。本文考慮到材料的非線性，選用各向同性的彈塑性材料。通過試驗得到車門鈑金件鋼板材料準靜態下的真實應力應變曲線。由于抗凹性分析屬于準靜態分析，速度較小，因此不考慮材料的應變率對材料的影響，同時鋼板不考慮材料的失效。本次分析中用到的主要部件的材料如表1所示。

表1 主要部件所用材料

2 屈曲分析

抗凹屈曲分析主要用于研究結構在特定載荷下的穩定性以及確定結構失穩的臨界載荷［11］。屈曲分析包括線性屈曲和非線性屈曲。線性屈曲以小位移、小應變的線彈性理論為基礎，分析中不考慮受載變化過程中結構構形的變化。本文通過特征值屈曲分析得到車門外板模型的屈曲載荷因子和屈曲模態振型圖。建模時邊界條件為:約束模型上下鉸鏈處的6個自由度，約束門鎖安裝板的3個平動自由度，以限制其剛性位移。同時在車門外板上施加1 N大小的均布載荷，進行靜態(static)分析，得到均布載荷下線性的屈曲(buckle)模態。選取在均布載荷下變形最大的位置點作為后屈曲分析的加載點，將建立好的模型提交到ABAQUS/Standard求解器計算，得到車門模型的前4階屈曲模態振型圖，見圖3～6。

圖31 階屈曲模態振型圖

圖42 階屈曲模態振型圖

圖53 階屈曲模態振型圖

圖64 階屈曲模態振型圖

前4階的屈曲模態因子如表2所示。

表2 車門前4階屈曲模態因子

3 抗凹分析

ABAQUS/Standard使用Newton－Raphson算法來求解非線性問題。它把分析過程劃分為一系列的載荷增量步，在每個增量步內進行多次迭代，得到合理的解后再求解下一個增量步，所有增量相應的總和就是非線性的近似解。在車門的抗凹分析中，最重要的是接觸和邊界條件的正確設置。以計算所得的1階屈曲模態振型最大處作為車門抗凹分析的加載位置。

3.1 接觸的設置

接觸問題屬于典型的邊界條件非線性問題。在ABAQUS/Standard中通過定義接觸面或接觸單元來模擬接觸問題，其接觸對由從面(slave surface)和主面(master surface)構成。在定義接觸過程中，接觸方向總是主面的法線方向，從面上的節點不允許穿越主面，但主面上的節點可以穿越從面，因此在本文中選擇車門外板作為從面，剛性球球面作為主面來建立接觸對，同時建立摩擦因數為0.2的有限滑移屬性。

3.2 邊界條件的設置

車門抗凹性分析的邊界條件與試驗的邊界條件一致［12］:約束車門模型的上下鉸鏈處的6個自由度，約束門鎖安裝板的3個平動自由度。同時在剛性球參考點處建立局部坐標系，約束剛性球參考點除Y方向的平動之外的所有自由度，讓其只在Y方向上運動，消除模型中的剛性位移。只考察車門受到外力作用下的殘余變形量。在車門受力擠壓的過程中，施加在剛性球參考點的載荷分為以下3個載荷步:

第1步在剛性球參考點處沿Y方向施加0.05 mm的位移載荷，使剛性球與車門外板之間的接觸關系平穩地建立起來。

第2步在剛性球參考點處施加400 N的力來模擬人手指的壓力。

第3步卸載。

邊界條件如圖7所示。

圖7 抗凹分析邊界條件

3.3 輸出設置

設置相應的場變量和歷史變量輸出，為分析車門外板的抗凹性，需要分別設置剛性球壓頭模型加載點的位移U隨時間的變化關系和接觸力CF隨時間的變化關系。

4 結果分析

將建立好的車門抗凹分析模型導出為inp格式文件，提交給ABAQUS/Standard求解器進行計算。將計算完成的odb結果文件導入到Hyper－View、HyperGraph中，得到加載位置處車門的殘余變形量和加載卸載位移曲線，如圖8、9所示。

圖8 車門的殘余變形量，其值為1.104 mm

圖9 加載、卸載位移曲線

通過以上的計算可以看出:車門抗凹加載點的最大殘余變形量為1.104 mm，當曲線加載到400 N時最大位移為5.08 mm。整個加載過程中，沒有出現負剛度，即不存在油罐效應［13］，說明此車門結構的抗凹穩定性良好，滿足要求。但與國外其他豪華轎車相比，其抗凹穩定性較弱，因此需進行相應的優化分析。

5 優化

一般的優化方法采用優化結構、增加材料板厚或者更換材料以增強其力學性能等方面的措施。本文針對最大殘余變形量給出2種車門外板的優化方案，如表3所示。

表32 種優化方案對比

針對2種優化方案進行計算，得到優化后的殘余變形量和加載卸載位移曲線如圖10～13所示。

由以上2種優化方案的結果分析可知:增加材料板厚和更改材料均能提高車門的抗凹穩定性，與未優化前的結果分析對比見表4。

圖10 方案1殘余變形量，其值為0.807 mm

圖11 方案1加載卸載位移曲線

圖12 方案2殘余變形量，其值為0.663 mm

圖13 方案2加載卸載位移曲線

表4 優化前后的結果對比

由表4可以看出:方案1中車門外板的厚度對最大位移更為敏感;方案2中材料對最大殘余變形量更為敏感。兩種優化方案優化后的最大彈性變形位移和最大殘余變形量均小于設計目標值，與優化前相比，車門的抗凹穩定性提高了，從而驗證了改進方案的有效性。

6 結束語

本文通過建立車門的屈曲抗凹分析模型，利用ABAQUS/Standard求解器進行求解，得到了車門外板的屈曲模態振型圖、車門的殘余變形量和加載卸載位移關系曲線，并對分析結果進行了研究。對車門提出了改進措施，從而提高了該款車型的車門抗凹能力，為車門的結構設計和材料的選取提供了理論指導和數據依據。該研究成果對于指導工程實際應用具有重大的理論研究意義。

［1］俞寧峰，汪承璞，李川海.汽車鋼板抗凹性試驗方法及其應用［J］.鍛壓技術，2004，28(1):51－53.

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［3］汪承璞，俞寧峰，李東升.汽車鋼板抗凹性試驗研究［J］.材料科學與工藝，2004，12(6):622－624.

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［13］黃湛，樂玉漢，李衛平.微型客車覆蓋件抗凹性有限元分析與研究［J］.輕型汽車技術，2008(11):15－18.

(責任編輯 劉舸)

Denting Resistance Analysis and Optimization of the Door Panel of a Passenger Car

WEI Yong－ping，DENG Guo－hong，YANG E－chuan，PANG Tong，ZHANG Yong
(Key Laboratory of Advanced Manufacturing Techniques for Automobile Parts of Ministry of Education，Chongqing 400054，China)

To analyze the denting resistance of the door panel of a passenger car，buckling and denting resistance analysis were described in this paper by using HyperMesh as pre－processor and using ABAQUS/Standard implicit.It ascertained the load position in denting resistance analysis through the buckling modal analysis for the door panel and made a denting resistance analysis through establishing rigid indenter imitating the thumb touch.The residual deformation of the door panel and the load displacement curve were obtained.Besides，to enhance the denting resistance performance of the door panel，the optimization for the door panel was made.

ABAQUS;buckling mode;denting resistance;door pane;implicit solve

U463.83+4

A

1674－8425(2014)03－0028－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.006

2013－10－21

重慶高校創新團隊建設計劃資助項目(KJTD201319)

韋永平(1987—)，男，重慶人，碩士研究生，主要從事車輛系統動力學控制研究。

韋永平，鄧國紅，楊鄂川，等.某乘用車車門抗凹陷性能分析及優化［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(3):28－32.

format:WEI Yong－ping，DENG Guo－hong，YANG E－chuan，et al.Denting Resistance Analysis and Optimization of the Door Panel of a Passenger Car［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):28－32.