某乘用车车门抗凹陷性能分析及优化

韦永平，邓国红，杨鄂川，庞通，张勇

(汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

某乘用车车门抗凹陷性能分析及优化

韦永平，邓国红，杨鄂川，庞通，张勇

(汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054)

为了对某乘用车车门的抗凹陷性能进行分析，采用HyperMesh作为前处理器，利用ABAQUS/Standard隐式求解方法对其进行屈曲抗凹分析。对车门外板进行屈曲模态分析，确定抗凹分析中的加载位置，建立刚性球压头模拟指压对车门进行抗凹分析，得到车门的残余变形量和加载卸载过程载荷与位移的关系曲线，并针对车门进行优化，提高了车门的抗凹陷性能。

ABAQUS;屈曲模态;抗凹;车门;隐式求解

车门作为汽车重要的覆盖件和车身结构件，其表面质量是影响车身性能的一项重要指标和特性。车门外板尺寸一般相对较大、带曲率，有一定的预变形，在使用过程中常常受到外载荷的作用，譬如人为的触摸按压、积雪的静载荷、行进过程中的振动以及掉落的树枝、冰雹、碎石等冲击动载荷。这些载荷往往使车门外板发生凹陷挠曲甚至产生局部永久凹痕，直接影响车门的外观品质和日常使用。

在汽车制造领域中，一般把车门承受外部载荷作用、抵抗凹陷挠曲及局部凹陷变形，保持原有形状的能力称为车门的抗凹性［1］。抗凹性与车门板材的种类、车门的结构型式设计和冲压成形工艺等密切相关。抗凹性的3个重要指标为抗凹刚度、抗凹稳定性及局部凹痕抗力［2］。在设计和实际生产过程中，常常以定载荷作用下产生的局部凹陷位移作为车门的抗凹性能评价依据。若凹陷位移小于检验位移水平，则车门的抗凹性能合格。前期的抗凹性评价部分是基于试验完成的［3－5］。荷兰的Vreede［6］和日本三菱汽车公司的Keiichi Hamano［7］提出用三维测量机测量试件的残余凹陷量，对不同属性和形状的钢铁、铝制试件进行了试验分析。随着有限元理论的成熟和计算机仿真技术的不断发展，有学者利用非线性有限元的方法对车门的静态强度进行了计算分析［8－9］。数值模拟车门在静、动态凹陷情况下的抗凹性能，对预测和评价车门的抗凹性能具有直接的指导意义。本文使用非线性有限元方法，利用ABAQUS隐式求解，通过建立刚性球压头模型，对车门的屈曲模态和抗凹特性进行分析，为车门的设计和改进提供了理论参考。

1 有限元模型的建立

1.1 车门模型的建立

车门由以下部分组成:车门外板、内板及其加强板，防撞梁，门锁加强板，铰链加强板以及玻璃导槽和玻璃。由于该乘用车车门总成只进行了焊接和涂装，在分析车门的抗凹陷性能时主要是考虑车门外板的加载变形情况，因此建模时忽略车窗玻璃、玻璃导槽和玻璃升降器等附件。其中车门外板和内板之间通过包边结合，防撞梁与外板之间通过粘胶连接，门锁和铰链加强板通过焊接方式与内板相连。

将车门的CATIA数模导入到HyperMesh/ ABAQUS接口中进行几何清理及简化。由于车门均为钣金结构件，因此主要采用四节点壳单元对车门进行有限单元离散化处理，而少量的三角形单元可满足高质量网格的过度需要。目标单元尺寸为10 mm×10 mm，车门外板与刚性压头接触区域需要细化，细化单元尺寸为5 mm×5 mm。

将车门的铰链画成实体网格模型，且至少为3层，对车门外板与内板之间的包边进行简化，并采用节点共用实现两者之间的连接。用RBE2下的Beam单元模拟各部件之间的CO2气体保护焊连接。螺栓连接采用B31杆单元来模拟。建立完成的车门有限元模型如图1所示。

图1 车门有限元模型

整个仿真模型共有壳单元61 782个。其中四边形单元59 565个，三角形单元1 934个，三角形单元所占比例为3.1%，满足计算精度要求。

1.2 刚性球压头模型的建立

在抗凹加载点处通过加载刚性球压头模型来进行抗凹性分析的加载，以模拟抗凹性试验。压头的位置一般设在车门外板相对薄弱的位置，根据经验(无加强筋及曲率变化较大的应力集中位置)和车门外板的屈曲模态的振型图来确定刚度薄弱的区域。本文根据文献［10］建立刚性球压头模型，采用直径为20 mm，高为35 mm的球形实体网格模型，网格目标尺寸为3 mm×3 mm。建立好的刚性压头有限元模型如图2所示。

图2 刚性球压头有限元模型

1.3 材料与属性的确定

车门抗凹分析属于材料非线性和几何非线性分析。本文考虑到材料的非线性，选用各向同性的弹塑性材料。通过试验得到车门钣金件钢板材料准静态下的真实应力应变曲线。由于抗凹性分析属于准静态分析，速度较小，因此不考虑材料的应变率对材料的影响，同时钢板不考虑材料的失效。本次分析中用到的主要部件的材料如表1所示。

表1 主要部件所用材料

2 屈曲分析

抗凹屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷［11］。屈曲分析包括线性屈曲和非线性屈曲。线性屈曲以小位移、小应变的线弹性理论为基础，分析中不考虑受载变化过程中结构构形的变化。本文通过特征值屈曲分析得到车门外板模型的屈曲载荷因子和屈曲模态振型图。建模时边界条件为:约束模型上下铰链处的6个自由度，约束门锁安装板的3个平动自由度，以限制其刚性位移。同时在车门外板上施加1 N大小的均布载荷，进行静态(static)分析，得到均布载荷下线性的屈曲(buckle)模态。选取在均布载荷下变形最大的位置点作为后屈曲分析的加载点，将建立好的模型提交到ABAQUS/Standard求解器计算，得到车门模型的前4阶屈曲模态振型图，见图3～6。

图31 阶屈曲模态振型图

图42 阶屈曲模态振型图

图53 阶屈曲模态振型图

图64 阶屈曲模态振型图

前4阶的屈曲模态因子如表2所示。

表2 车门前4阶屈曲模态因子

3 抗凹分析

ABAQUS/Standard使用Newton－Raphson算法来求解非线性问题。它把分析过程划分为一系列的载荷增量步，在每个增量步内进行多次迭代，得到合理的解后再求解下一个增量步，所有增量相应的总和就是非线性的近似解。在车门的抗凹分析中，最重要的是接触和边界条件的正确设置。以计算所得的1阶屈曲模态振型最大处作为车门抗凹分析的加载位置。

3.1 接触的设置

接触问题属于典型的边界条件非线性问题。在ABAQUS/Standard中通过定义接触面或接触单元来模拟接触问题，其接触对由从面(slave surface)和主面(master surface)构成。在定义接触过程中，接触方向总是主面的法线方向，从面上的节点不允许穿越主面，但主面上的节点可以穿越从面，因此在本文中选择车门外板作为从面，刚性球球面作为主面来建立接触对，同时建立摩擦因数为0.2的有限滑移属性。

3.2 边界条件的设置

车门抗凹性分析的边界条件与试验的边界条件一致［12］:约束车门模型的上下铰链处的6个自由度，约束门锁安装板的3个平动自由度。同时在刚性球参考点处建立局部坐标系，约束刚性球参考点除Y方向的平动之外的所有自由度，让其只在Y方向上运动，消除模型中的刚性位移。只考察车门受到外力作用下的残余变形量。在车门受力挤压的过程中，施加在刚性球参考点的载荷分为以下3个载荷步:

第1步在刚性球参考点处沿Y方向施加0.05 mm的位移载荷，使刚性球与车门外板之间的接触关系平稳地建立起来。

第2步在刚性球参考点处施加400 N的力来模拟人手指的压力。

第3步卸载。

边界条件如图7所示。

图7 抗凹分析边界条件

3.3 输出设置

设置相应的场变量和历史变量输出，为分析车门外板的抗凹性，需要分别设置刚性球压头模型加载点的位移U随时间的变化关系和接触力CF随时间的变化关系。

4 结果分析

将建立好的车门抗凹分析模型导出为inp格式文件，提交给ABAQUS/Standard求解器进行计算。将计算完成的odb结果文件导入到Hyper－View、HyperGraph中，得到加载位置处车门的残余变形量和加载卸载位移曲线，如图8、9所示。

图8 车门的残余变形量，其值为1.104 mm

图9 加载、卸载位移曲线

通过以上的计算可以看出:车门抗凹加载点的最大残余变形量为1.104 mm，当曲线加载到400 N时最大位移为5.08 mm。整个加载过程中，没有出现负刚度，即不存在油罐效应［13］，说明此车门结构的抗凹稳定性良好，满足要求。但与国外其他豪华轿车相比，其抗凹稳定性较弱，因此需进行相应的优化分析。

5 优化

一般的优化方法采用优化结构、增加材料板厚或者更换材料以增强其力学性能等方面的措施。本文针对最大残余变形量给出2种车门外板的优化方案，如表3所示。

表32 种优化方案对比

针对2种优化方案进行计算，得到优化后的残余变形量和加载卸载位移曲线如图10～13所示。

由以上2种优化方案的结果分析可知:增加材料板厚和更改材料均能提高车门的抗凹稳定性，与未优化前的结果分析对比见表4。

图10 方案1残余变形量，其值为0.807 mm

图11 方案1加载卸载位移曲线

图12 方案2残余变形量，其值为0.663 mm

图13 方案2加载卸载位移曲线

表4 优化前后的结果对比

由表4可以看出:方案1中车门外板的厚度对最大位移更为敏感;方案2中材料对最大残余变形量更为敏感。两种优化方案优化后的最大弹性变形位移和最大残余变形量均小于设计目标值，与优化前相比，车门的抗凹稳定性提高了，从而验证了改进方案的有效性。

6 结束语

本文通过建立车门的屈曲抗凹分析模型，利用ABAQUS/Standard求解器进行求解，得到了车门外板的屈曲模态振型图、车门的残余变形量和加载卸载位移关系曲线，并对分析结果进行了研究。对车门提出了改进措施，从而提高了该款车型的车门抗凹能力，为车门的结构设计和材料的选取提供了理论指导和数据依据。该研究成果对于指导工程实际应用具有重大的理论研究意义。

［1］俞宁峰，汪承璞，李川海.汽车钢板抗凹性试验方法及其应用［J］.锻压技术，2004，28(1):51－53.

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［3］汪承璞，俞宁峰，李东升.汽车钢板抗凹性试验研究［J］.材料科学与工艺，2004，12(6):622－624.

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(责任编辑 刘舸)

Denting Resistance Analysis and Optimization of the Door Panel of a Passenger Car

WEI Yong－ping，DENG Guo－hong，YANG E－chuan，PANG Tong，ZHANG Yong
(Key Laboratory of Advanced Manufacturing Techniques for Automobile Parts of Ministry of Education，Chongqing 400054，China)

To analyze the denting resistance of the door panel of a passenger car，buckling and denting resistance analysis were described in this paper by using HyperMesh as pre－processor and using ABAQUS/Standard implicit.It ascertained the load position in denting resistance analysis through the buckling modal analysis for the door panel and made a denting resistance analysis through establishing rigid indenter imitating the thumb touch.The residual deformation of the door panel and the load displacement curve were obtained.Besides，to enhance the denting resistance performance of the door panel，the optimization for the door panel was made.

ABAQUS;buckling mode;denting resistance;door pane;implicit solve

U463.83+4

A

1674－8425(2014)03－0028－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.006

2013－10－21

重庆高校创新团队建设计划资助项目(KJTD201319)

韦永平(1987—)，男，重庆人，硕士研究生，主要从事车辆系统动力学控制研究。

韦永平，邓国红，杨鄂川，等.某乘用车车门抗凹陷性能分析及优化［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(3):28－32.

format:WEI Yong－ping，DENG Guo－hong，YANG E－chuan，et al.Denting Resistance Analysis and Optimization of the Door Panel of a Passenger Car［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):28－32.