加強貼在提高側圍外板抗凹性能中的應用和優化

付 炯

（廣汽三菱汽車有限公司研究開發部，長沙 410100）

在汽車制造領域，覆蓋件在外部載荷的作用下，抵抗凹陷扭曲與局部凹痕變形和保持形狀不變的能力稱為抗凹性。抗凹性是評價車身覆蓋件使用性能的一項重要指標[1]。

外覆蓋件尺寸相對比較大，一般帶有曲率，有一定的預變形，在用戶使用過程中常常會受到外載荷作用，如人為的觸摸按壓、行進過程中的振動以及碎石沖擊等。這些載荷往往使側圍發生凹陷，甚至產生局部的永久變形，直接影響車輛的外觀品質[2]。

側圍厚度一般為0.6～0.8 mm，且采用屈服強度較低的鋼材，相對較軟。提高側圍抗凹性能的方法有多種，如改變材料類型、增加鈑金厚度、增加加強件、改變結構形式和貼增強片等。在前期造型已經確定的情況下，改變外覆蓋件的結構比較困難，需要從成本和工藝實施等方面進行綜合考慮[3]。考慮車身減重節能、增加鈑金件厚度或內支撐件的數量等來提高側圍剛性的方法難以實現。因此，對于局部剛性不足的情況可采用增強貼的方法，不僅成本低、質量輕、操作簡單，而且改善效果明顯。

1 加強貼在抗凹性能中的應用

加強貼也稱為補強材，一般為3層或多層復合材料。最上層為玻璃纖維骨架材料，中間是環氧樹脂基材的粘接層，底層為防粘紙。該復合材料可根據實際需要制成各種尺寸和形狀，在使用時揭去防粘紙，將其貼附于需補強的鋼板表面，經電泳漆烘烤工序時（一般為160～215 ℃，保持20 min）粘接層固化，使得玻璃纖維、粘接層與鋼材形成復合結構，從而增加鋼板剛性、彎曲強度，從而提高強度性能[4]。由于汽車覆蓋件（車門外板、側圍等）局部剛性弱，因此常采用加強貼來增加其剛性和強度。

1.1 試驗簡介

為了測量加強貼對側圍外板剛性的影響，通過靜壓試驗來檢驗側圍抗凹性能，以壓頭反力和位移曲線來評價側圍剛度性能[5]。

將車身固定在臺架上，在側圍外板依次布置8個樣本點，采用手動位移測量計和試驗加力器測量在50 N的工況下測量外板的位移量。此試驗共4組模型，分別為無加強貼模型和有加強貼的W0模型、W1模型、W2模型，加強貼尺寸為220 mm×75 mm，加強貼位置如圖1所示。

圖1 試驗方案

1.2 有限元建模

側圍抗凹性分析采用準靜態，隱式求解（Abaqus/standard），前后處理采用HyperWorks軟件。側圍材料為DC03，彈性模量E=2.1×105GPa，泊松比v=0.345，密度ρ=7.85×10-9kg·mm-3，屈服極限為162 MPa，抗拉極限為297 MPa，材料曲線見圖2。

圖2 DC03材料曲線

參考實驗方法，加載點與測點之間約為15 mm（如圖3所示）。如圖4所示，在CAE分析過程中，測點和加載點之間保持15 mm的距離。此外，加載沖頭模型是根據實際加載器建立D12mm柱狀剛性殼體。實驗所用到的計算軟件是Abaqus，加載方式是沖頭強制沿軸向位移5 mm，并對車身截取斷面進行全約束，輸出結果包括加載反力和測點位移。提取反力要在工況為50 N時測量此時的側圍外板位移量。

圖3 加載沖頭模型

圖4 CAE模型

1.3 試驗與對標結果

經過實驗和CAE仿真后，把實驗數據和仿真數據擬合，如圖5所示。從圖5中可以得出以下兩點結論：一是有限元計算結果與試驗結果對比誤差較小，精度較高（除P1和P8點外）；二是鈑金的弧度對CAE精度有影響，如點P1和P8，因此后續有限元計算不包含點P1和P8。通過試驗和CAE數據對比分析可見，總體上試驗數據和仿真數據趨勢一致，可用有限元計算代替試驗對外板剛性進行優化[6]。

圖5 CAE與試驗對標

2 加強貼方案與優化

2.1 加強貼布置初步方案

考慮到成本及外板剛性特點（無加強貼變形結果值），將加強貼一分為二，尺寸為110 mm×75 mm。拆分后的兩塊加強貼布置初步方案如圖6所示。

圖6 優化方案

2.2 CAE分析結果及優化方案

經過CAE仿真分析數據統計，如表1所示，觀測點P5和P6變形值偏大。針對CAE分析結果，對測點P5和P6的變形值進行優化。觀測點P5和P6正好位于加強貼1和加強貼2之間，而加強貼1有效增強測點P2和P3位置剛性，故選擇加強貼2進行優化。將加強貼分別向上移動10 mm、30 mm、40 mm及50 mm，對這4個方案進行優化，分別記為方案1、方案2、方案3及方案4。

2.3 CAE分析結果及優化方案

通過表1最優方案結果值可以看出，隨著加強貼2上移，測點P5和P6的剛性增強，而測點P7的剛性有降低的風險。綜上所述，方案2和方案3為優方案，綜合考慮后確定了將加強貼2在原初步方案的基礎上向上移動30 mm的方案為最優方案。優化后，觀測點P5和P6的剛度分別提升了8.9%和31.4%。

表1 最優方案結果

3 結語

通過抗凹試驗，驗證了加強貼的位置對外板剛性的影響，同時用有限元對側圍剛度弱的位置進行分析。結果顯示，采用加強貼加強和優化的方法能增強側圍剛度。優化后，側圍剛度兩個最弱處分別提升了31.4%和8.9%。有限元計算結果與試驗結果對比誤差較小，精度較高。此外，局部增加加強貼和改變其位置和形狀，可以達到提高側圍抗凹性能的效果，為側圍外板和車身頂蓋覆蓋件設計提供了參考。