某乘用车后背门屈曲稳定性分析及优化

刘俊红，刘丹，袁夏丽



某乘用车后背门屈曲稳定性分析及优化

刘俊红，刘丹，袁夏丽

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

文章以某乘用车后背门为研究对象，针对其把手处出现凹陷的质量问题，根据实际受力情况，用有限元分析方法进行屈曲稳定性研究，得出后背门产生凹陷的真正原因，提出解决方案，进而利用有限元虚拟仿真技术对优化方案进行了可行性验证，经实车确认，凹陷问题得到彻底解决，有效提升产品品质。

后背门；屈曲稳定性；凹陷；分析；优化

前言

当结构所受应力达到屈服极限或抗拉极限时，将引起塑性变形或断裂，这属于强度不足引起的失效。薄板件受压时，却表现出与强度失效全然不同的性质，当薄板件所受压力逐渐增加到某一极限值时，其平衡状态会变为不稳定，称为失稳或屈曲。

屈曲分析主要研究结构在特定载荷作用下的稳定性及确定结构失稳的临界载荷及屈曲模态形式，屈曲常分线性屈曲和非线性屈曲两种形式。本文主要讲述线性屈曲分析。 汽车外板设计主要由造型设计决定，造型和材料一旦确定，外板件的屈曲性能也即确定。本文针对某在研车型在试验验证阶段出现的批量后背门外板凹陷问题，利用有限元数值仿真分析方法，对其屈曲性能进行分析研究，并根据分析结果提出优化方案，提升整车产品品质。

图1 实车凹陷区域示意图

1 有限元模型的建立

对于结构简单的部件，可以采用经典的欧拉公式计算临界载荷，相应的变形可以从截面的惯性矩判断，结构的弯曲变形一定发生于抗弯能力最小的纵向平面内。但对于稍加复杂的结构，更快速有效的手段是建立有限元模型、使用有限元仿真技术进行临界载荷的计算。

1.1 FE模型建立

抽取后背门和截取的车身部分CAD模型的中面，使用二维SHELL单元进行网格划分，平均网格尺寸为10mm，为了保证分析精度，使用下表1所示的标准进行网格质量的检查。对重点关注的后背门把手区域进行网格细化，平均尺寸为5mm，不锈钢增强垫的粘胶部分采用三维实体单元进行划分，不锈钢部分采用二维SHELL单元类型进行划分，平均网格尺寸为5mm，铰链部分采用三维实体单元进行划分，平均网格尺寸为3mm。

表1 单元质量检查标准

图3 不锈钢增强垫FE模型

1.2 材料属性及连接

钣金件及不锈钢增强垫均定义材料的线性属性，材料属性定义如下表：

表2 材料属性列表

用KINCOUP单元来模拟二保焊和螺栓连接部分，用ACM单元来模拟点焊部分。

1.3 边界条件

为模拟实车在正常关闭状态下开启门把手时的情况，约束车身截取位置的全部自由度，后背门铰链处放开绕Y轴转动自由度，门锁处约束3个方向平动自由度，气撑杆位置施加810N的力，门把手处按照实测情况施加277N的最大开启力。

图4 后背门屈曲有限元模型

2 分析结果

2.1 原方案分析结果

有限元软件中线性屈曲计算通常得到屈曲载荷因子（特征值）λ及屈曲模态，其中λ=临界载荷/施加载荷，屈曲模态能够预测结构的失稳形式。屈曲载荷因子可以是正值也可是负值，负值表明只有与施加载荷相反方向的载荷才能引起屈曲；屈曲载荷因子也可以小于1，小于1表明施加载荷已经超过了屈曲载荷值。提取后背门结构的屈曲特性：特征值和屈曲模态（主要看第一阶模态，因为产生第一阶屈曲模态时的临界载荷最小），结果如图5所示。

图5 原方案屈曲分析结果

从分析结果可见，后背门结构的屈曲模态第一阶振型恰好出现在后背门把手上端的凹陷处，第一阶特征值为-4.156，即在沿门把手方向推力达到1152N时，后背门会在屈曲模态振型产生的位置发生不稳定现象。这与试验结果相一致。

2.2 结构优化分析

在实际工程应用中，常采用改变钢板的几何形状、约束条件或者增加钢板厚度等方式提高薄板结构的抗屈曲失稳能力。改变后背门外板的几何形状需要重新修改模具，考虑到成本，此方法不可取，在后背门边界条件一定的前提下，只能通过增加钢板厚度的办法来改善结构的屈曲性能，如果对整个后背门外板增加厚度，则成本增加太多，且对整车的轻量化及经济性不利，鉴于此，采取局部加强的方法应该是较优选择，修改方案确定为在产生凹陷区域按图示贴一尺寸为50×150mm的不锈钢加强条。为了验证方案是否有效，采用有限元分析的方法进行了虚拟验证，改进方案及分析结果如图6和图7所示。

图6 改进方案

图7 改进方案分析结果

通过上述分析，可以看出：对后背门外板结构进行改进后，在车门开启力作用下，外板发生屈曲的特征值和位置均发生了变化。增加加强条后，后背门外板的屈曲特征值有明显提升，说明使结构发生屈曲的载荷提高了，屈曲振型发生的位置也从产生凹陷的区域移到了置放车牌的位置。所以，进行结构改进后可以有效地避免后背门外板原凹陷区域的产生。

2.3 实车方案可行性分析

图8 实车方案

图9 实车方案分析结果

在开启力作用下后背门外板发生屈曲的位置集中在后背门右侧，左侧没有出现不稳定现象。因此，建议实车应用方案在改进方案的基础上进行调整：取消左侧增强垫，保留右侧增强垫。建议实车方案和分析结果如图8和图9所示。

从图8和9并结合表2统计数据可以看出：取消左侧增强垫对后背门外板结构屈曲特征值、屈曲模态及屈曲产生的位置影响不大，因此认为实车实施时，可以取消左侧的增强垫。

表3 后背门各方案屈曲分析结果汇总

3 结论

后背门外板原始结构方案在推力作用下产生屈曲的位置与实车出现凹陷的位置一致，表明实际出现后背门凹陷是由于结构缺乏支撑而产生了屈曲所致；在对后背门外板结构进行改进后，发生屈曲的位置发生了变化，不再位于实际发生凹陷的位置，屈曲特征值也有明显提升，说明使结构发生屈曲的载荷提高了，使用增加不锈钢增强垫的方法可以有效地避免后背门外板原凹陷区域的产生；取消左侧增强垫对后背门外板结构屈曲特征值和屈曲模态均影响不大，因此在实际实施改动时，可以取消左侧的增强垫。

根据计算结果采用实车建议方案，仅在右侧增加不锈钢加强条，通过多台车的实车验证，实车建议方案的验证效果良好，能够实现连续开关后背门达到3000次以上无屈曲凹陷发生。按照客户正常使用频次，可以保证10年以上的可靠性。

通过有限元虚拟仿真技术找出某乘用车后背门产生凹陷的原因，并通过方案对比分析，找出较优的解决方案，通过试验验证确认，最终解决产生凹陷的质量问题。利用有限元屈曲仿真，指导结构改进优化，缩短开发周期，降低研发成本。

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[3] 黄鹏程,张林波,张关良等.屈曲分析在汽车开发中的应用[J]. MSC. Software[C].2007.

Analysis and Optimization of the Buckling Stability of the Tailgate of a Passenger Car

Liu Junhong, Liu Dan, Yuan Xiali

（The Center of Technology of Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

Based on the tailgate of a passenger car as the research object, its handles appear the collapse quality problem, according to the actual working situation, using finite element method for buckling stability study, it is concluded that the real reason that procedures collapse problem, the efficient solution is proposed, further using finite element simulation technology to check the optimize case feasibility and confirmed by the real vehicle, collapse problem get solved, effectively improve the quality of products.

Tailgate; Buckling; Stability; Collapse; Analysis; Optimization

A

1671-7988(2019)03-34-03

U462

A

1671-7988(2019)03-34-03

U462

刘俊红，女，(1981.2-)，安徽合肥人，研究生学历，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.009