基于非線性有限元的轎車頂棚雪載分析及優化

張艷玲 蘆偉 李偉 徐余平

摘 要：文章基于非線性有限元理論，以某轎車頂棚為例，進行雪載分析及優化，重點介紹了頂棚雪載分析的具體流程，通過與目標值的對比，對其雪載性能進行評價;并根據分析結果確定了優化頂棚結構的方案;對優化后的結構重新進行分析，仿真計算結果表明，頂棚雪載的性能得到提高，滿足設計要求。

關鍵字：頂棚雪載;非線性;塑性變形;屈曲

中圖分類號：U462 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-155-03

Abstract： In this paper， roof snow pressure performance is analyzed based on the nonlinear finite element theory， and for a passenger car roof as an example. It mainly introduces the roof snow pressure analysis of the specific process. Through the comparison with the target， the snow pressure performance is evaluated. According to the results of the analysis， the optimized roof structure scheme is determined. The simulation calculation results of the optimized structure show that the roof snow pressure performance is improved， and meet the design requirements.

Keywords： Roof snow; Nonlinearity; Plastic strain; Buckling

CLC NO.： U462 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-155-03

1 引言

汽車頂棚作為車身的重要總成件之一，其結構必須有足夠的剛度和強度以保證其裝配和使用的要求。汽車頂棚雪載分析目的是分析頂棚的承受雪載能力，看其是否能夠達到承載一定的均布載荷以滿足設計要求，這對整車頂壓性能的衡量也有一定的參考意義。

2 轎車頂棚雪載分析

2.1 頂棚雪載分析的理論及方法

有限元法是根據變分原理求解數學物理問題的一種數值計算方法。它實際上是一種離散化方法，將彈性連續體劃分為有限小單元，它們在有限節點上互相連接。在滿足精度要求下，對每個單元用有限個參數來描述它的力學特性，而整個連續體的力學特性可以認為是這些小單元力學特性的總和，從而建立連續體的力的平衡關系。

頂棚雪載分析屬于非線性分析，利用Abaqus作為求解器進行求解。

2.2 有限元模型的建立

對于頂棚結構來說，選用有限單元類中的殼體單元來描述其力學特性是最合理的。由于考慮了結構單元中性面上的平面剛度、彎曲剛度和曲率效應，殼體單元比梁單元、板單元具有更高的計算精度。

頂棚的模型是在白車身有限元模型的基礎上進行截取獲得，首先導入白車身有限元模型，使白車身的模型在XZ平面內展示，如圖1所示，圖中黑色線框內為所要截取的部分，這里應注意截取的部分應該保證完整的A柱結構，為了保證計算結果的精度所截取的各柱長度不得小于該柱長度的2/3。

由于本文需要使用Abaqus非線性算法計算零部件的結構強度，屬于金屬材料的彈塑性分析，在定義材料非線性時除了需要定義材料的楊氏模量，泊松比和密度等彈性部分外，還需要準確地定義材料的塑性部分。

2.3 邊界條件及載荷的定義

對于頂棚雪載分析的邊界條件如圖2所示，為了能考慮到門柱對頂棚不穩定性的影響，需要約束截取的部位，可以采取將所有的斷面上的節點均約束住的辦法，也可以采取節點間隔約束將平動和轉動的所有自由度約束住。

對于頂棚雪載分析的載荷邊界條件按照如下的公式進行推導施加。

2.4 分析結果

頂棚雪載性能結果，主要考察的指標有60cm時的塑性應變，90cm時的屈曲及位移，160cm雪厚時的塑性應變和最大位移作為參考。經過計算可得如表1，圖3所示分析結果。圖4為整個過程中雪載厚度與位移的關系曲線。

頂棚雪載分析結果要求：頂棚在60cm內不出現塑性應變;頂棚在90cm內不發生屈曲變形。故此頂棚結構不滿足雪載強度要求。

3 頂棚結構優化及分析

3.1 頂棚結構優化

根據上面的雪載性能分析結果，需要對頂棚及支撐結構做進一步優化，從而提高其雪載性能。優化方案的提出主要是針對頂棚出現屈曲的部位進行加強，改變頂棚發生屈曲變形位置及附近的加強筋的數量，由原來的5條增加為6來條，并且在下方增加厚度為0.7mm的橫梁，材料為B340LA，優化示意如圖5所示。

3.2 頂棚結構優化分析結果

對優化后的結構重新進行頂棚雪載分析，優化后的位移分布云圖如圖6所示，分析結果如表2所示。整個過程中雪載厚度與位移的關系曲線如圖7所示。

由分析結果可知，優化后的頂棚結構在60cm內沒有出現塑性應變;在90cm內沒有發生屈曲變形。故優化后的頂棚結構滿足雪載性能要求。

4 結論

本文采用非線性 有限元仿真分析方法，建立轎車頂棚雪載的有限元模 型，對其進行雪載性能分析，并根據分析結果提出了優 化方案，通過對優化方 案進行重新分析，以及前后分析結果的對比，證明該方案對提高頂棚雪載性能具有明顯效果，對于頂棚結構的設計以及優化都具有一定的指導意義。

參考文獻

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