某MPV車型頂蓋屈曲性能分析及試驗

王家軍，王鋒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

隨著汽車車身設計的成熟，尤其是乘用車的車身安全設計，一直是業(yè)內人士和消費者關注的重點。車身頂蓋是車身關鍵總成之一，連接著白車身的 A、B、C柱等重要部位，不但影響著整車外形美觀，更在保持車身結構，保護乘員安全等方面起著重要作用。對于汽車頂蓋而言，在遭受以積雪為代表的均布載荷和以指壓或重物為代表沖擊載荷的作用下，其結構會產生明顯變形甚至整體塌陷，直接影響到汽車的乘坐舒適性，安全性和美觀性。

汽車安全性是指汽車在行駛中避免事故，保障行人和乘員安全的性能，一般分為主動安全性和被動安全性。主動安全性，主要是指汽車防止或減少道路交通事故發(fā)生的性能。現(xiàn)代車輛配備的 ABS（制動防抱死系統(tǒng)）、ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）等都屬于提升汽車主動安全性的裝置。被動安全性，是指汽車在事故發(fā)生時減少乘員傷亡的能力。安全氣囊，安全玻璃，結構吸能等都屬于汽車被動安全性的范疇，對于翻滾事故中車頂抗壓強度的研究也屬于汽車被動安全性研究。在對于汽車車頂抗壓性能的研究過程中，各個國家以及汽車公司都制定了關于翻滾碰撞的試驗和研究方法，大致可以分為動態(tài)翻滾試驗方法和準靜態(tài)抗壓強度試驗方法。其中，動態(tài)翻滾試驗時，車內需要放入假人，讓車輛以一定速度單側輪胎駛入斜坡。大量試驗表明，動態(tài)試驗具有較高的隨機性和較差的重復性，所以目前還沒有廣泛地開展；車頂準靜態(tài)抗壓試驗可以在試驗室中完成，且試驗重復性較好，避免了較高的隨機性，得到了廣泛應用。

文章通過對某 MPV車身頂蓋為研究對象，重點研究汽車頂蓋的雪載性能和抗壓性能。從板殼穩(wěn)定性理論和屈曲分析理論出發(fā)，截取汽車頂蓋有限元模型進行汽車頂蓋雪載性能分析，通過線性屈曲分析確定臨界屈曲載荷，并在此載荷下進行非線性屈曲分析。對頂蓋進行雪載試驗，得到其承受不同厚度抗雪壓能力，并研究車頂?shù)挚骨途植堪枷葑冃蔚哪芰Γ瑸樾萝囆烷_發(fā)提供基本性能數(shù)據。MPV相對普通轎車頂蓋尺寸大，加載質量大，試驗難度高，通過在車上頂蓋逐級施加一定的分布載荷來模擬雪的重量，并逐次測量車頂各個測點的變形量，得出車頂在不同載荷下的變形狀況，以此來評價車身頂蓋抵抗雪載變形的能力。通過比較仿真分析與試驗數(shù)據，為后續(xù)的車頂優(yōu)化做好準備。[1]

1 有限元分析

1.1 屈曲分析基本理論

屈曲也叫失穩(wěn)，主要發(fā)生在細長或薄壁機構上，存在平衡分岔失穩(wěn)與無平衡分岔失穩(wěn)等多種類型。屈曲分析主要用于研究結構在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結構失穩(wěn)的臨界載荷，屈曲分析包括線性（特征值）屈曲分析和非線性屈曲分析。對于大面積的扁殼型車頂而言，頂蓋可能失去局部穩(wěn)定，也可能失去整體穩(wěn)定。鑒于頂蓋結構的復雜性，一般采用有限元方法完成相關分析。其中線性屈曲分析預知結構的屈曲臨界載荷，通常將其作為非線性屈曲分析的第一步。

線性屈曲分析以特征值為研究對象，特征值方程決定了結構的分岔點。進行線性屈曲分析的過程就是對相應矩陣方程進行求解，找到所求解結構的分岔點，得出材料的屈曲因子λi和屈曲模態(tài)ψi。靜力分析中剛度矩陣的狀態(tài)函數(shù)為：

如果分析是線性的，可以對載荷和結合剛度矩陣乘上一個系數(shù)λi，此時：

在屈曲模型中，當載荷達到臨界值時，結構的位移會大于{x}而載荷沒有增加，即：

通過上述方程求解，可得：

式中：K——結構的剛度矩陣；

KG——結構的幾何剛度矩陣；

λi——屈曲因子（參考載荷的放大系數(shù)）；

{x}{ψi}——屈曲模態(tài)（位移特征向量）；

{Pref}參考載荷（任意值）。

式（1）-（4）為線性屈曲分析求解方程，對于同一種材料，K和KG為定值因子，通過方程求解，可以得到屈曲因子λi和屈曲模態(tài)特征值ψi。屈曲臨界載荷為：

其中，求解過程中得到的屈曲因子和屈曲模態(tài)特征值均為多維向量，但結構屈曲只與最小λ有關。一般按此條件確定臨界載荷，不考慮后面的特征值。

實際結構計算時，非線性屈曲分析比線性屈曲分析更加準確，能夠反映結構屈曲的過程。非線性屈曲分析矩陣形式的控制過程為：

式中：KT= K +KG+KNL。

在非線性屈曲控制方程的求解過程中，求解器通過迭代的方式不斷地將載荷增量d{Pref}帶入矩陣方程中進行計算，并根據上一步的收斂情況給出下一步的載荷增量，直至求解結束。[2]

1.2 模型描述

對數(shù)模頂棚強度性能進行仿真分析，考察是否目標要求,分析模型如圖1所示，在截取部分進行全約束，在頂棚的平面上進行加載，施加節(jié)點力，節(jié)點數(shù) 38049，由計算公式得出節(jié)點力大小為0.2283N；力的方向為-Z向；頂棚外板材料SPCC_0.7t。

圖1 分析模型如上圖所示

1.3 分析結果

圖2 90cm雪厚位移云圖

圖3 160cm雪厚位移云圖

圖4 160cm雪厚塑性應變云圖

圖5 雪厚與位移曲線圖

1.4 結論

將分析結果匯總如下表：

NC數(shù)據頂棚在雪厚60cm時無塑性應變，90cm時無屈曲發(fā)生，滿足目標要求。

2 頂蓋雪壓試驗

本次雪載試驗采用分層逐級加載方式以模擬不同雪載厚度影響，按最大雪載厚度 160cm 設計分層加載質量。采用與頂蓋雪厚質量相等的石子以模擬整個過程中頂蓋的承載情況。以石子的質量等效于雪載的厚度，其基本關系式為：

樣車白車身頂蓋計算面積為：36740cm2，車頂框架按此面積制作，三塊木框內側面積分布見表 2。在頂蓋積雪達到160cm 厚時，頂蓋承載為 881.76kg，試驗按882kg加載。在試驗過程中，按照15cm雪厚 為一個等級進行加載，總載荷共分成 11 個等級進行加載，為了保證試驗結果準確可靠，本次試驗進行兩輪。雪載加載情況見表1。[3]

表1 雪載試驗模擬加載用木框面積（cm2）

表2 雪載試驗加載次序表

圖6 車頂測試系統(tǒng)支架及載荷框架

2.1 數(shù)據處理

根據采集到的數(shù)據，可以繪制出以車頂長度為橫坐標，變形量為縱坐標的各測點變形曲線，從而得到加載至各級載荷時，各個測點的變形量。圖7～11為車頂各列測點雪載變形圖。

圖7 車頂?shù)谝涣袦y點雪載變形

圖8 車頂?shù)诙袦y點雪載變形

圖9 車頂?shù)谌袦y點雪載變形

圖10 車頂?shù)谒牧袦y點雪載變形

圖11 車頂?shù)谖辶袦y點雪載變形

在試驗數(shù)據處理過程中，車頂測點的橫向變形均呈凹陷狀，即在各級載荷下，從車頂兩側到中間，變形量都是逐漸增大，在此選取變形量最大的車頂?shù)谖迮艤y點繪制橫向測點變形曲線如圖12。

圖12 車頂?shù)谖迮艤y點雪載變形

根據車頂坐標和各級載荷下各測點變形量，以車頂長度為 X 坐標，車頂寬度為 Y 坐標，變形量為 Z 坐標，運用Matlab 軟件繪制雪載試驗下各個測點空間變形云圖13：

圖13 車身頂棚雪載試驗測點變形

2.2 數(shù)據分析

根據車頂雪載設計的一般標準，即分別得出積雪厚度60cm、90cm和160cm的車頂變形情況，其變形情況如圖14～16：

從14～16曲線圖和三維圖中都可以看出，在各級載荷時，均是車身中部變形量較大，使得整體車頂變形在此處形成下陷，其原因從構造來看是此處橫梁間距較大，但整體變形較小。

圖14 積雪厚度60cm時頂棚測點變形

圖15 積雪厚度90cm時頂棚測點變形

圖16 積雪厚度160cm時頂棚測點變形

3 仿真與試驗對比

1）結果顯示頂蓋在雪厚60cm時無塑性應變，90cm時無屈曲發(fā)生，滿足目標。

2）從變形曲線和變形位置來看，實驗結果和CAE分析結果趨勢一致性較好，位移量對比精度為70.8%。

表3

4 結論

1）通過有限元分析，確定了MPV頂蓋的臨界屈曲載荷及屈曲失穩(wěn)過程，從雪壓仿真分析和試驗兩方面來分析頂蓋的抗雪壓性能。

2）進行MPV的頂蓋雪載試驗，繪制頂蓋橫向和縱向的各級變形曲線并對比CAE分析與試驗數(shù)據，為后續(xù)車型開發(fā)做好準備。

參考文獻

[1] 汪偉康.汽車頂蓋性能分析與試驗研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學,2016:17-22.

[2] 譚繼錦,張代勝.汪小朋,張雷,等.某SUV頂蓋雪壓屈曲性能分析與優(yōu)化研究［J］.中國汽車工程學會年會論文集,2016:1679-1681.

[3] 遲玉華,楊大芝.白車身頂蓋雪載試驗方法［J］.汽車實用技術,2016（2）:90-93.