基于試驗與仿真的汽車頂蓋抗凹性能分析

韋超忠 和麗梅 劉洋 袁代敏 李穎慧

【關鍵詞】汽車頂蓋;抗凹性能;油罐;抗凹試驗;數值仿真

【中圖分類號】U463.83 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）07-0040-04

0 引言

汽車覆蓋件在外力作用下抵抗變形的能力稱為抗凹性能[1]。申秋燕等人[2]基于薄壁理論對汽車頂蓋的抗凹性能進行優化，并利用有限元仿真分析手段驗證了優化結果。韋東明等人[3]則系統地分析了頂蓋弧度、加強筋、鈑金件厚度及橫梁間距對汽車頂蓋抗凹性能的影響，并提出提高頂蓋抗凹性能的方法。劉瑜等人[1]基于國標和企標的典型評價準則提出了適用于仿真分析的汽車頂蓋抗凹性能分析方法，為頂蓋抗凹性能分析提供參考。肖志等人[4]利用Abques對碳纖維汽車頂蓋的抗凹性能進行分析，結果表明頂蓋抗凹性能滿足設計要求。武蕾等人[5]建立了鋼板抗凹力學性能模型，并基于數值仿真分析方法分析了汽車覆蓋件的抗凹性能。

油罐效應是衡量車身覆蓋件動態抗凹性能的一項關鍵指標，預測油罐效應對于車身覆蓋件的抗凹性能設計具有重要意義[1]。上述研究主要基于試驗與仿真手段研究車身覆蓋件的抗凹性能，未能通過數值仿真分析手段對汽車頂蓋油罐效應進行預測仿真分析。本文通過正交試驗設計法，識別影響頂蓋抗凹性能的關鍵因素。利用數值仿真分析手段分析汽車頂蓋抗凹性能，能夠在汽車頂蓋的前期概念設計階段較為準確地預測出油罐效應，對汽車頂蓋抗凹性能設計具有重要參考意義。

1 抗凹性能評價指標

抗凹性能指標主要分為靜態性能指標和動態性能指標。靜態性能指標指的是覆蓋件的初始剛度，衡量覆蓋件初始抵抗變形的能力。載荷位移曲線上可用曲線初始斜率表示（如圖1所示）。動態性能指標衡量的是覆蓋件在外力作用下抵抗失穩的能力。載荷位移曲線上表現為“大通過”或“急轉現象”，即在很小的作用力下，出現大位移或者作用力急劇下降。我們稱這種現象為“油罐效應”（如圖1所示）。

2 關鍵參數識別與仿真模型修正

汽車頂蓋作為一個系統部件，由很多結構件組成。影響頂蓋抗凹性能的因素除了頂蓋橫梁結構、位置等，還需要考慮制造工藝對其抗凹性能的影響。因此，如何識別關鍵參數對頂蓋數值仿真模型搭建、提高仿真模型精度至關重要。本文對頂蓋外板厚度、頂蓋與側圍焊接厚度、側圍外板厚度等5個因素（如圖2所示）進行正交試驗法分析，其中每個因素2個水平，以油罐載荷誤差為目標，共進行8次實驗。利用Latin軟件對實驗結果數據進行極差、方差及貢獻率計算分析[6]。

分析結果表明，頂蓋外板厚度和激光焊接厚度對頂蓋抗凹性能影響很大。為了將制造工藝誤差考慮到數值仿真模型中，要考慮沖壓工藝導致的鈑金減薄問題及頂蓋激光焊縫的厚度。圖3是頂蓋外板不同位置的實際測量厚度，可以看出各點厚度相對設計值0.7 mm發生了一定的減薄。因此，頂蓋外板仿真模型用測量的平均值，即0.619 mm。同理，將測量焊縫位置的實際值與設計值比較，將實際測量值輸入仿真模型中，對仿真模型輸入參數進行修正。

3 汽車頂蓋抗凹性能分析與驗證

首先，對汽車頂蓋進行抗凹性能試驗，選擇頂蓋區域中易發生的油罐點，一共17個測量點（如圖4所示）。利用汽車零部件局部剛度試驗機進行加載測試，加載方向垂直于鈑金件，加載速度恒定為5 mm/min。依次對不同加載點進行測試，獲取相應的力-位移曲線。

其次，基于Hypermesh軟件建立頂蓋部件數值仿真模型，同時考慮制造工藝誤差。數值仿真模型如圖5所示，測點數量、位置及加載工況與試驗保持一致。

最后，利用Abques軟件求解數值仿真模型，獲取不同加載位置的力-位移曲線，并與試驗結果進行對比（如圖6所示）。可以看到，所建立的仿真力-位移曲線在初始彈性階段和試驗曲線的一致性較好，這表明所建立的數值仿真模型能夠較準確地反映頂蓋初始剛度。仿真結果中點4、點13、點16 和點17出現油罐現象，與試驗出現油罐的加載點位置一致。同時，油罐點的仿真載荷值與試驗載荷值的最大誤差為21.5%，滿足工程仿真誤差要求（25%以內），油罐點的載荷仿真值與實測值誤差見表1。

綜上分析我們認為，所建立的頂蓋數值仿真模型能夠準確地模擬頂蓋初始剛度性能，同時能夠成功預測出油罐點和油罐載荷值。該數值模型可以用于后續的頂蓋抗凹性能分析和抗凹性能的結構優化設計。

4 結論

本文利用數值仿真分析手段對汽車頂蓋進行了抗凹分析，基于正交試驗法識別影響抗凹性能的關鍵參數，建立考慮制造工藝誤差的數值仿真模型。將仿真分析結果與試驗結果進行對比，驗證了數值仿真模型的準確性。同時，本文建立的數值仿真模型成功模擬出汽車頂蓋油罐效應，對后續汽車頂蓋抗凹設計具有重要指導意義。

參 考 文 獻

[1]劉瑜，劉子建.車頂覆蓋件抗凹和抗雪壓性能分析與評價[J].汽車工程，2017（11）：1305-1309.

[2]申秋燕，梁小妮，潘能貴.基于薄板理論的汽車頂蓋性能研究[J].企業科技與發展，2014（11）：61-63.

[3]韋東明，張虎城，周曉明.頂蓋抗凹性能影響因素及提升方法[J].企業科技與發展，2015（8）：61-62.

[4]肖志，杜慶勇，莫富灝，等.基于ABAQUS的碳纖維頂蓋雪壓及抗凹性能分析[C].廈門：湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室會議論文集，2015.

[5]武蕾，吳其龍.基于abaqus的轎車外覆蓋件抗凹性有限元分析[J].三明學院學報，2019，140（6）：49-54.

[6]王敏華.統計質量控制[M].北京：中國標準出版社，中國質檢出版社，2014.