某乘用車后背門屈曲穩(wěn)定性分析及優(yōu)化

劉俊紅，劉丹，袁夏麗

?

某乘用車后背門屈曲穩(wěn)定性分析及優(yōu)化

劉俊紅，劉丹，袁夏麗

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章以某乘用車后背門為研究對(duì)象，針對(duì)其把手處出現(xiàn)凹陷的質(zhì)量問題，根據(jù)實(shí)際受力情況，用有限元分析方法進(jìn)行屈曲穩(wěn)定性研究，得出后背門產(chǎn)生凹陷的真正原因，提出解決方案，進(jìn)而利用有限元虛擬仿真技術(shù)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了可行性驗(yàn)證，經(jīng)實(shí)車確認(rèn)，凹陷問題得到徹底解決，有效提升產(chǎn)品品質(zhì)。

后背門；屈曲穩(wěn)定性；凹陷；分析；優(yōu)化

前言

當(dāng)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力達(dá)到屈服極限或抗拉極限時(shí)，將引起塑性變形或斷裂，這屬于強(qiáng)度不足引起的失效。薄板件受壓時(shí)，卻表現(xiàn)出與強(qiáng)度失效全然不同的性質(zhì)，當(dāng)薄板件所受壓力逐漸增加到某一極限值時(shí)，其平衡狀態(tài)會(huì)變?yōu)椴环€(wěn)定，稱為失穩(wěn)或屈曲。

屈曲分析主要研究結(jié)構(gòu)在特定載荷作用下的穩(wěn)定性及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷及屈曲模態(tài)形式，屈曲常分線性屈曲和非線性屈曲兩種形式。本文主要講述線性屈曲分析。 汽車外板設(shè)計(jì)主要由造型設(shè)計(jì)決定，造型和材料一旦確定，外板件的屈曲性能也即確定。本文針對(duì)某在研車型在試驗(yàn)驗(yàn)證階段出現(xiàn)的批量后背門外板凹陷問題，利用有限元數(shù)值仿真分析方法，對(duì)其屈曲性能進(jìn)行分析研究，并根據(jù)分析結(jié)果提出優(yōu)化方案，提升整車產(chǎn)品品質(zhì)。

圖1 實(shí)車凹陷區(qū)域示意圖

1 有限元模型的建立

對(duì)于結(jié)構(gòu)簡單的部件，可以采用經(jīng)典的歐拉公式計(jì)算臨界載荷，相應(yīng)的變形可以從截面的慣性矩判斷，結(jié)構(gòu)的彎曲變形一定發(fā)生于抗彎能力最小的縱向平面內(nèi)。但對(duì)于稍加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，更快速有效的手段是建立有限元模型、使用有限元仿真技術(shù)進(jìn)行臨界載荷的計(jì)算。

1.1 FE模型建立

抽取后背門和截取的車身部分CAD模型的中面，使用二維SHELL單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，平均網(wǎng)格尺寸為10mm，為了保證分析精度，使用下表1所示的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量的檢查。對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的后背門把手區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，平均尺寸為5mm，不銹鋼增強(qiáng)墊的粘膠部分采用三維實(shí)體單元進(jìn)行劃分，不銹鋼部分采用二維SHELL單元類型進(jìn)行劃分，平均網(wǎng)格尺寸為5mm，鉸鏈部分采用三維實(shí)體單元進(jìn)行劃分，平均網(wǎng)格尺寸為3mm。

表1 單元質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)

圖3 不銹鋼增強(qiáng)墊FE模型

1.2 材料屬性及連接

鈑金件及不銹鋼增強(qiáng)墊均定義材料的線性屬性，材料屬性定義如下表：

表2 材料屬性列表

用KINCOUP單元來模擬二保焊和螺栓連接部分，用ACM單元來模擬點(diǎn)焊部分。

1.3 邊界條件

為模擬實(shí)車在正常關(guān)閉狀態(tài)下開啟門把手時(shí)的情況，約束車身截取位置的全部自由度，后背門鉸鏈處放開繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，門鎖處約束3個(gè)方向平動(dòng)自由度，氣撐桿位置施加810N的力，門把手處按照實(shí)測情況施加277N的最大開啟力。

圖4 后背門屈曲有限元模型

2 分析結(jié)果

2.1 原方案分析結(jié)果

有限元軟件中線性屈曲計(jì)算通常得到屈曲載荷因子（特征值）λ及屈曲模態(tài)，其中λ=臨界載荷/施加載荷，屈曲模態(tài)能夠預(yù)測結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式。屈曲載荷因子可以是正值也可是負(fù)值，負(fù)值表明只有與施加載荷相反方向的載荷才能引起屈曲；屈曲載荷因子也可以小于1，小于1表明施加載荷已經(jīng)超過了屈曲載荷值。提取后背門結(jié)構(gòu)的屈曲特性：特征值和屈曲模態(tài)（主要看第一階模態(tài)，因?yàn)楫a(chǎn)生第一階屈曲模態(tài)時(shí)的臨界載荷最小），結(jié)果如圖5所示。

圖5 原方案屈曲分析結(jié)果

從分析結(jié)果可見，后背門結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)第一階振型恰好出現(xiàn)在后背門把手上端的凹陷處，第一階特征值為-4.156，即在沿門把手方向推力達(dá)到1152N時(shí)，后背門會(huì)在屈曲模態(tài)振型產(chǎn)生的位置發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。這與試驗(yàn)結(jié)果相一致。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中，常采用改變鋼板的幾何形狀、約束條件或者增加鋼板厚度等方式提高薄板結(jié)構(gòu)的抗屈曲失穩(wěn)能力。改變后背門外板的幾何形狀需要重新修改模具，考慮到成本，此方法不可取，在后背門邊界條件一定的前提下，只能通過增加鋼板厚度的辦法來改善結(jié)構(gòu)的屈曲性能，如果對(duì)整個(gè)后背門外板增加厚度，則成本增加太多，且對(duì)整車的輕量化及經(jīng)濟(jì)性不利，鑒于此，采取局部加強(qiáng)的方法應(yīng)該是較優(yōu)選擇，修改方案確定為在產(chǎn)生凹陷區(qū)域按圖示貼一尺寸為50×150mm的不銹鋼加強(qiáng)條。為了驗(yàn)證方案是否有效，采用有限元分析的方法進(jìn)行了虛擬驗(yàn)證，改進(jìn)方案及分析結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 改進(jìn)方案

圖7 改進(jìn)方案分析結(jié)果

通過上述分析，可以看出：對(duì)后背門外板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，在車門開啟力作用下，外板發(fā)生屈曲的特征值和位置均發(fā)生了變化。增加加強(qiáng)條后，后背門外板的屈曲特征值有明顯提升，說明使結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的載荷提高了，屈曲振型發(fā)生的位置也從產(chǎn)生凹陷的區(qū)域移到了置放車牌的位置。所以，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后可以有效地避免后背門外板原凹陷區(qū)域的產(chǎn)生。

2.3 實(shí)車方案可行性分析

圖8 實(shí)車方案

圖9 實(shí)車方案分析結(jié)果

在開啟力作用下后背門外板發(fā)生屈曲的位置集中在后背門右側(cè)，左側(cè)沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，建議實(shí)車應(yīng)用方案在改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整：取消左側(cè)增強(qiáng)墊，保留右側(cè)增強(qiáng)墊。建議實(shí)車方案和分析結(jié)果如圖8和圖9所示。

從圖8和9并結(jié)合表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出：取消左側(cè)增強(qiáng)墊對(duì)后背門外板結(jié)構(gòu)屈曲特征值、屈曲模態(tài)及屈曲產(chǎn)生的位置影響不大，因此認(rèn)為實(shí)車實(shí)施時(shí)，可以取消左側(cè)的增強(qiáng)墊。

表3 后背門各方案屈曲分析結(jié)果匯總

3 結(jié)論

后背門外板原始結(jié)構(gòu)方案在推力作用下產(chǎn)生屈曲的位置與實(shí)車出現(xiàn)凹陷的位置一致，表明實(shí)際出現(xiàn)后背門凹陷是由于結(jié)構(gòu)缺乏支撐而產(chǎn)生了屈曲所致；在對(duì)后背門外板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，發(fā)生屈曲的位置發(fā)生了變化，不再位于實(shí)際發(fā)生凹陷的位置，屈曲特征值也有明顯提升，說明使結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的載荷提高了，使用增加不銹鋼增強(qiáng)墊的方法可以有效地避免后背門外板原凹陷區(qū)域的產(chǎn)生；取消左側(cè)增強(qiáng)墊對(duì)后背門外板結(jié)構(gòu)屈曲特征值和屈曲模態(tài)均影響不大，因此在實(shí)際實(shí)施改動(dòng)時(shí)，可以取消左側(cè)的增強(qiáng)墊。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用實(shí)車建議方案，僅在右側(cè)增加不銹鋼加強(qiáng)條，通過多臺(tái)車的實(shí)車驗(yàn)證，實(shí)車建議方案的驗(yàn)證效果良好，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)開關(guān)后背門達(dá)到3000次以上無屈曲凹陷發(fā)生。按照客戶正常使用頻次，可以保證10年以上的可靠性。

通過有限元虛擬仿真技術(shù)找出某乘用車后背門產(chǎn)生凹陷的原因，并通過方案對(duì)比分析，找出較優(yōu)的解決方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)，最終解決產(chǎn)生凹陷的質(zhì)量問題。利用有限元屈曲仿真，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，縮短開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。

[1] 劉鴻文.材料力學(xué)[M]北京:高等教育出版社.2004.

[2] 艾傳智,肖攀,周建文. 雨刮機(jī)構(gòu)連桿屈曲分析[J]. MSC.Software [C].2007.

[3] 黃鵬程,張林波,張關(guān)良等.屈曲分析在汽車開發(fā)中的應(yīng)用[J]. MSC. Software[C].2007.

Analysis and Optimization of the Buckling Stability of the Tailgate of a Passenger Car

Liu Junhong, Liu Dan, Yuan Xiali

（The Center of Technology of Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

Based on the tailgate of a passenger car as the research object, its handles appear the collapse quality problem, according to the actual working situation, using finite element method for buckling stability study, it is concluded that the real reason that procedures collapse problem, the efficient solution is proposed, further using finite element simulation technology to check the optimize case feasibility and confirmed by the real vehicle, collapse problem get solved, effectively improve the quality of products.

Tailgate; Buckling; Stability; Collapse; Analysis; Optimization

A

1671-7988(2019)03-34-03

U462

A

1671-7988(2019)03-34-03

U462

劉俊紅，女，(1981.2-)，安徽合肥人，研究生學(xué)歷，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.009