一種汽車頂蓋抗雪壓動態仿真分析方法

魏敏，黃炎，羅慧娟

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

乘用車頂蓋主要由薄壁板件和頂蓋橫梁組成，在設計過程中除了對剛度模態有一定要求外，對其承受雪壓載荷抵抗能力也有一定要求。特別是在近年極端天氣多發[1]、各地頻繁遭受特大暴雪襲擊的情況下，汽車頂棚經過雪壓載荷后能否恢復形變逐漸被人們關注[2]。靜態仿真分析方法所計算的雪壓值與真實雪壓值存在偏差，不能很好地呈現頂蓋變形的位置和整體變形情況。本文作者為改進靜態方法的缺陷，提出了一種汽車頂蓋雪壓動態仿真分析方法，模擬頂蓋積雪的動態過程，并將其應用到某乘用車頂蓋雪壓分析問題上，通過對比頂蓋雪壓試驗結果與仿真結果，驗證了該頂蓋雪壓動態仿真分析方法的可靠性及有效性。

1 頂蓋雪壓仿真分析

1.1 靜態仿真分析模型及方法

仿真中采用HyperMesh軟件建模該乘用車有限元分析模型，所有鈑金件的單元建立在中面上，尺寸為10 mm×10 mm。點焊采用ACM、縫焊、CO2保護焊，鉚接、螺栓連接以及鉸接采用剛性連接[3]。頂蓋總成及側圍鈑金件的材料為鋼材，材料類型是各向同性線性材料MAT1，在賦材料特性時采用鋼材的材料特性。其密度、質量等按實際參數進行設置。

(1)邊界條件

截取白車身立柱及頂蓋模型，約束側圍截斷面最底下兩排節點的1-6自由度，如圖1所示。

圖1 約束示意

加載過程分兩步，首先進行線性靜力學分析[4]，對頂蓋受壓區域施加方向為Z軸負向、大小為p1的壓力(單位MPa)，計算結構在此載荷下的位移分布。壓力p1為積雪厚度h0等于60 cm時對應的頂蓋Z向所受均勻壓力。

p1=ρ雪gh0

(1)

在靜力分析的基礎上，利用其載荷條件進行屈曲分析[5]，求解模型的特征值，提取第一階特征值λ1，則頂蓋臨界屈曲載荷p=p1λ1，并根據臨界載荷計算出對應濕雪厚度。

h=p/(ρ雪g)=(p1λ1)/(ρ雪g)=(ρ雪gh0λ1)/(ρ雪g)=h0λ1

(2)

(2)結果后處理及分析

用后處理軟件打開結果文件，顯示頂蓋在p1壓力下的位移云圖以及發生臨界屈曲的振型和數值，如圖2所示。

圖2 臨界屈曲結果

由公式(2)可知，臨界屈曲對應積雪厚度h=h0λ1=1.64×60=98.4 cm。根據對近年來的雪厚統計，該車頂蓋雪壓滿足要求。但該方法只能反映出頂蓋外板的變形情況，沒有顯示出頂蓋外板與頂梁的整體失穩狀態。

1.2 一種動態仿真分析模型及方法

在靜態仿真分析模型基礎上修改設置，點焊類型改為mat100，頂蓋總成、側圍總成鈑金件的材料類型為各向同性非線性材料，根據其實際材料牌號賦非線性曲線，其他設置基本相同，不再重述。

(1)邊界條件

約束與靜態仿真分析模型相同，載荷條件為在頂蓋頂面施加一條由3個數據點連成的載荷曲線，如圖3所示。這條曲線的X軸為加載時間t，ms；Y軸為頂蓋頂面上每個節點所受的力F，kN。3個數據點為(0，0)、(X2，Y2)和(X3，Y3)，其中X2建議取200～400 ms，Y2等于1.5 m雪壓厚度時頂蓋上每個節點所受的力，kN，Y2=2.94×A/N。式中：A為頂蓋頂面在XY平面的投影面積，m2；N為頂蓋頂面節點集合的節點數量；X3為大于X2的任意數值；Y3=Y2。

圖3 頂蓋頂面加載曲線

仿真試驗中加力方式模擬從0～300 ms時，對應著頂蓋承受從0～1.5 m雪壓厚度，頂蓋上每個節點所受力的方向為整車坐標系Z軸負向。

(2)結果后處理及分析

在工作窗口中繪制頂蓋Z向位移的云圖，然后播放動畫，動畫反映了頂蓋隨著雪壓逐漸升高時的變形過程。根據動畫初步判斷加載過程是否正常，仿真結果是否有效。將動畫定格在仿真終止時刻，在頂蓋及頂梁中心線上取若干個節點，測量其Z向相對位移，并繪制曲線，估算臨界雪壓厚度，如圖4所示。

圖4 頂蓋位移云圖及位移曲線

根據曲線判斷對應節點是否發生壓潰，判斷依據：如果在某時刻以后，曲線下降速度明顯加快，在短時間內連續、快速地下降15 mm以上，則認為該節點在此時刻開始發生壓潰。最先發生壓潰的節點為頂蓋上最薄弱的部位，根據其開始壓潰的時刻t可以計算出頂蓋的臨界雪壓厚度H。如果t

如圖4所示，屈曲點位置出現在t=170 ms。在t=170 ms后，曲線下降速度明顯加快，在20 ms內連續、快速地下降了18 mm。根據其開始壓潰的時刻可知，頂蓋的臨界雪壓厚度H=150×170/300=85 cm。

該乘用車頂蓋抗雪壓符合目標，由于頂蓋除了滿足雪壓要求外，還同時要滿足頂蓋模態及頂蓋抗凹兩項性能要求。為了平衡這三項性能，這款頂蓋不屬于過設計，不需要再進行下一步的優化。

1.3 靜態與動態仿真分析結果對比

經分析對比，頂蓋靜態仿真分析結果與動態仿真分析結果如表1所示。靜態仿真方法所得雪壓厚度為98.4 cm，動態仿真方法所得雪壓厚度為85 cm，靜態所得雪壓厚度比動態所得雪壓厚度高出13.4 cm。

表1 靜態與動態仿真分析結果對比

2 試驗驗證

2.1 試驗設備

試驗設備為：該乘用車白車身一臺、白車身試驗臺、沙袋若干(每袋5 kg、尺寸為40 cm×40 cm)、測量臺架、尺子。

2.2 試驗方法

試驗約束條件及加載：白車身自然平放在臺架上，在頂蓋頂面均勻地鋪撒沙袋，單層從前向后不斷增加數量。模擬積雪對頂蓋的作用，直至頂蓋有屈曲坍塌或者有大的變形。試驗邊界條件如圖5所示。

圖5 試驗邊界條件

試驗測點布置在頂蓋及頂梁中心，與仿真布置位置一致，如圖6所示。

圖6 試驗測點布置

2.3 試驗結果

試驗時輕放沙袋，均勻放置，單層從前向后不斷增加數量，在加載54個沙袋后(270 kg)，頂蓋與橫梁開始出現變形，此時加載面積約為2 350 mm×1 050 mm=2.47 m2，相當于55 cm雪厚。卸載第二根橫梁上面的沙袋，頂蓋與橫梁恢復狀態，但無明顯壓變形特征，頂蓋沒有變軟現象。

在加載58個沙袋后(290 kg)靜置24 h，此時加載面積約為2 350 mm×1 050 mm=2.47 m2，相當于59 cm雪厚，頂蓋與橫梁變形加大。卸載全部沙袋，頂蓋與橫梁基本恢復狀態，但無明顯壓變形特征，頂蓋出現變軟現象。

在加載72個沙袋后(360 kg)，頂蓋中后部發生變形，此時加載面積約為2 350 mm×1 050 mm=2.47 m2，相當于73 cm雪厚。卸載全部沙袋，頂蓋與橫梁基本恢復狀態，但無明顯壓變形特征，頂蓋出現變軟現象。

增至加載86個沙袋后(430 kg)，兩根后橫梁變形加大，橫梁中間位置已經低于兩側，此時加載面積約為2 350 mm×1 050 mm=2.47 m2,相當于87 cm雪厚。

繼續加載沙袋，頂蓋與橫梁變形明顯加大，此時第二根橫梁中間位置位移大于15 mm，卸載后部分橫梁與頂蓋有塑性變形現象。

從試驗過程及測量結果可知，頂蓋臨界雪壓厚度為87 cm。由以上試驗數據與仿真分析數據對比可知，試驗與仿真結果基本一致。

2.4 試驗與仿真對標

分別對比靜態、動態仿真分析方法與試驗所得頂蓋抗雪壓厚度，如表2所示。

表2 試驗值與仿真值對比

由試驗值與仿真值對比可知，靜態仿真分析所得結果比試驗值高出11.4 cm，并且靜態仿真分析方法只反映出頂蓋外板的變形情況。動態仿真分析所得頂蓋抗雪壓厚度與試驗值基本吻合，證明了動態仿真分析方法的可靠性和有效性，并且動態仿真分析方法完整地呈現出頂蓋及頂梁整體的失穩狀態，更加真實地反映了在實際積雪過程中，頂蓋變形的位置和整體變形情況。

3 結論

(1)原有的靜態仿真分析方法所計算的雪壓與實測雪壓值存在偏差，不能很好地反映頂蓋變形的實際位置和整體變形模式。本文作者為改進靜態方法，提出了一種汽車頂蓋雪壓動態仿真分析方法。

(2)以某乘用車為例，運用動態仿真分析方法，考慮材料的非線性，采用顯式計算，并分析、評價了仿真分析計算結果。

(3)通過頂蓋雪壓試驗，并用實測值與仿真值對比，驗證了文中提出的頂蓋雪壓動態仿真分析方法的可靠性及有效性，為頂蓋的研發設計提供了重要思路。