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基于ABAQUS的某款SUV后背门抗凹性能分析

2018-06-14谢有浩王小睿张立祥

滁州学院学报 2018年2期
关键词:后背车身数值

谢有浩,尹 广,王小睿,张立祥

在节能减排的背景下,车身轻量化设计是产品研发过程中面临的重要课题之一,强度和刚度等性能的仿真分析计算更为必不可少。近年来,SUV车型在乘用车产销总量中的占比逐年提高,因SUV的白车身和车门结构与传统轿车存在较大的差异,车门的性能分析和结构优化显得更为重要。

车门是汽车车身零部件中重要的开闭件,不仅能够起到对外隔音隔热的作用,还可以起到缓冲外界冲击力的作用,从而有效地保障驾乘人员的乘坐舒适性和安全性[1]。SUV后背门相对于其他车门是曲面最多、结构最复杂、尺寸最大的车门分总成系统,其结构设计的合理性对车身可靠性的影响至关重要[2]。

后背门的抗凹性能分析与前后门既有类似的地方,也有不同之处。基于ABAQUS对某款SUV车型后背门为研究对象,建立抗凹性分析模型,从而对后背门抗凹性能进行分析研究和优化设计,使其抗凹性能满足法规和设计目标的要求。

1 抗凹性能分析方法和评价指标

1.1 抗凹性能分析方法

数值模拟法和实验法[3]是当前进行车身覆盖件抗凹性分析最常用的两种方法。由于数值模拟法操作起来简单方便,可快速直接得到抗凹性的分析结果,因此,应用在车身覆盖件抗凹性评估中比较多。但是,由于车身覆盖件的凹陷变形受外部载荷、材料特性等要素的综合影响,是一个非线性化的问题,处理起来很麻烦,而且得到的结果准确性不高,对实际生产的作用有限,故国内目前只是采用这种手段作为辅助参考。

实验法相对于比数值模拟法要复杂的多,但由于其根据实际结果测得,比较真实、可靠,对优化抗凹性能具有很强的指导性,是当前评判车身覆盖件抗凹性的主要方法。鉴于实验法进行抗凹性分析受实验成本、技术条件、覆盖件本身因素等方面的制约,对覆盖件抗凹性的测定也存在一定的缺陷[4]。因此,再实际车身覆盖件抗凹性分析中,为了相对准确全面的判定车身覆盖件的抗凹性,通常同时采用上述两种抗凹性能分析方法,甚至还采用两种以上的抗凹性能分析方法进行联合分析。

1.2 评价指标

车身外覆盖件的抗凹性一般用静态指标和动态指标来评判。静态指标指的是抗凹刚度,即试件抵抗凹陷挠曲变形的能力,它对覆盖件的性能有着显著的影响。在实验中,一般用“载荷—位移”曲线的斜率来评估,其与试件的厚度、几何形状有关,与材料的强度无关。

动态指标考察的是局部区域在受到外力载荷时,所显示出来抵抗外部载荷的稳定性,其特征是将外力加载到试件的极限载荷时,在外力变化不大的情况下,结构的位移响应强烈,表现为“大通过”和“急回转”的现象,称为油壶效应。它用不稳定范围作为评价指标,这个范围越小越好[5]。

2 后背门抗凹性分析

某车型后背门主要由以下部分组成:后背门外板、后背门内板、锁链加强板、弹簧加强板、门锁加强板等。基于此后背门的设计数据,利用ABAQUS软件对其进行CAE分析和优化,具体步骤如下所示:

2.1 建立模型

后背门的抗凹性是一种非线性分析,目前国内用来处理此类问题的软件有:Ls-Dyna、MSC.Nastran、ABAQUS、Adina等等。本文所用的软件为ABAQUS,并采用Hypermesh作为前处理软件。由于非线性问题处理起来较为麻烦,因此要在保证后背门模型准确的前提下进行适当的优化,具体处理如下所示:

(1)采用4节点壳单元划分网格,容许部分为三角形壳单元,但不超过10%,最好低于5%。单元尺寸控制在10 mm左右,最小尺寸为8mm,最大尺寸为15mm。

(2)进行几何清理,清理不必要的细节,包括缝合相邻面之间的缝隙、去除过于小的孔、修补丢失或破坏的面等。

(3)车门内外板材料选用ST16,弹性模量E取210 GPa,泊松比μ取0. 3,外板厚度d为0. 8mm;

约束铰链支架除Y轴转动之外的所有自由度,约束门锁钩全部6个自由度,如图1所示:

图1 后背门约束情况

2.2 后背门数值模拟

在薄弱位置用撞击块垂直施加载荷,从0加到400N然后卸载,观察后背门内外板的变化。共选取了8个点作为主要观察点,如图2所示:

图2 考察点位置

对各点进行数值分析,其载荷位移曲线如图3所示,其中点1、点2、点3的载荷位移曲线如图3a 所示,点4、点5、点6的载荷位移曲线如图3b 所示,点7、点8的载荷位移曲线如图3c 所示点。

图3 各点载荷位移曲线

3 结果分析和优化

本文考虑从三个方面对现有后背门的抗凹性结果进行分析:(1)是否出现“油罐效应”;(2)考察点的最大位移;(3)卸载后的残余位移。从载荷位移曲线上可知:2、3、4、5的残余变形均在0.7mm以上,6,7,8的残余变形虽低于目标值0.7mm,但最大变形较大,在9mm以上。

工程中影响产品性能的因素有很多,比如产品结构、产品厚度、材料等,但各有优缺点:优化产品结构可以很好的改善抗凹性,但设计所花的时间变长,不利于产品更快的推向市场;改变产品厚度对抗凹性的影响也相当明显,但增加料厚不利于整车轻量化的推动;更换材料方便易操作,但可能会导致成本增加。当然,也可以通过别的方法改善抗凹性,比如贴补强贴等。

鉴于研究对象车型的平台化和通用化情况,以及开发费用、实施周期和综合成本等综合因素,采用更换材料的方法来优化后背门外板的抗凹性能,将材料换为ST14。在板厚、结构不变的前提下,对其进行CAE分析。分析结果如表1所示:

表1 材料ST14和ST16数值分析表

优化前后的数值结果如表1所示,分析数据可知:不满足要求的2、3、4、5等点的残余变形已大大降低,满足小于0.7mm的要求,其余各点的残余变形也有了显著改进,更换材料对改善后背门的抗凹性能是有效的。

4 结语

(1)通过CAE软件模拟了后背门外板的抗凹过程,并得到多点位移载荷曲线及其最大变形和残余变形。分析数据可知,现有后背门的抗凹性不满足要求。

(2)综合考虑,决定更换后背门的材料,并对优化方案的可行性进行了验证。结果证明,优化后的后背门抗凹性满足要求。由此可知,采用CAE方法可以便利的预测后背门的抗凹性,为优化后背门的结构设计和材料选择提供数据参考和理论依据。

[参 考 文 献]

[1] 羊拯民.汽车车身设计[M].北京:机械工业出版.2008.

[2] 李文明,谷晓玉.汽车后背门内板起皱解决措施[J].模具工业,2013(10):52- 54.

[3] 李雪峰.汽车板板材抗凹性试验方法理论分析和数值模拟研究[D].北京:北京航空航天大学,2001.

[4] 王亮,李东升,陈连峰,李涛.车身覆盖件抗凹性试验方法及系统[J].北京航空航天大学学报,2014(6):742-743.

[5] 黄湛,乐玉汉,李卫平.客车覆盖件抗凹性有限元分析与研究[J].城市车辆,2009(1):36-37.

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