一种加油口门刚度分析方法

魏敏 黄炎 罗慧娟

摘  要：传统的加油口门刚度分析方法不能体现加油口门的整体刚度水平，且未考察卸载后的塑性变形情况。为改进原有方法的缺陷，本文提出一种系统全面的加油口门刚度分析方法，分别从水平刚度、垂直刚度及扭转刚度三个方面分析加油口门的整体刚度。运用该方法成功分析了某乘用车加油口门刚度，并通过结构优化，使其满足设计要求。该方法在量产车中得到验证，为加油口门的研发设计提供重要思路。

关键词：加油口门;水平刚度;垂直刚度;扭转刚度

中图分类号：U463    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2020）01-0078-04

A Stiffness Analysis Method of Fuel Filler Door

WEI Min，HUANG Yan，LUO Hui-juan

（SAIV GM Wuling Automobile Co.，LiuZhou545005，China）

Abstract：  The traditional stiffness analysis method for the fuel filler door can not reflect the overall stiffness of the fuel filler door level，and does not investigate the plastic deformation after unloading. To improve the defect of existing methods， in this paper， the systematic and comprehensive stiffness analysis method which includes horizontal stiffness， vertical and torsional stiffness for fuel filler door have been presented. This method has been successfully used for fuel filler door stiffness of using passenger car ， and according to the result of structural optimization， the predetermined target value have been resched.The method has been verified in the production cars， the fuel filler door is designed to provide important research ideas.

引言

加油口门的主要功能是保护加油口。在汽车加油时，加油口门总成要能顺利开启和关闭。因此，加油口门总成对汽车加油的顺畅、内部加油管的密封起到重要作用。加油口门总成开启后有一定的开关力，即其通过内部拉索机构开启后，也要能顺利关闭[1]。在加油口门频繁的开启、关闭过程中，对其整体刚度要求也相应较高。但目前加油口门的刚度分析方法只分析加油口门的水平刚度，未考察卸载后的塑性变形情况，不能反映加油口门变形的真实情况。本文提出了一种系统全面的加油口门刚度分析方法，并将其应用到某乘用车加油口门刚度分析问题上，通过结构优化，提高其整体刚度。

1    加油口门刚度分析方法及应用

加油口门水平刚度指加油口门在水平弯曲工况载荷的作用下抵抗变形的能力;垂直刚度指加油口门在水平弯曲工况载荷的作用下抵抗变形的能力;扭转刚度指加油口门在扭转载荷作用下抵抗变形的能力。传统的加油口门刚度分析只分析加油口门的水平刚度，而忽略了垂直刚度与扭转刚度，不能体现加油口门的整体刚度水平。并且采用线性分析方法，只考察加载工况下的位移，未考察卸载后的塑性变形情况，不能反映加油口門变形的真实情况。

1.1   加油口门刚度分析方法

基于加油门的实际应用情况，本文提出了一种加油口门刚度分析方法，并建立加油口门刚度分析流程如图1所示。

加油口总成有限元分析模型采用HyperMesh软件建模，所有钣金件的单元建立在中面上，尺寸采用5mm×5mm。点焊采用ACM，缝焊、CO2 保护焊、铆接、螺栓连接以及铰接采用刚性连接[2]。侧围外板、加油口焊合件及加油口总成等钣金件的材料为各向同性非线性，根据其实际材料牌号赋非线性曲线。其余钣金件的材料为钢材，材料类型是各向同性线性材料MAT1，在赋材料特性时采用钢材的材料特性。其密度、质量等按实际参数进行设置。

1.1.1 边界条件

加油口模型从白车身几何模型中截取，截取部分应包含加油口总成、部分侧围内外板、加油口焊合件及后轮罩零件。

1）水平刚度

①水平刚度分析分为两个分析步：加载分析步、卸载至0 N分析步。

②加载分析步要求约束截断处自由度、约束限位自由度。

③卸载至0 N分析步要求约束截断处自由度、约束限位自由度。

2）垂直刚度

垂直刚度的约束及加载工况同上1）。

3）扭转刚度

①扭转刚度分析分为两个分析步：加载标准力矩分析步、卸载至0 N?m的力矩分析步。

②加载标准力矩分析步要求约束截断处自由度、约束距离转动销最远端自由度。在加油口门水平中心线，距离转动销最远端施加标准力矩。

③卸载至0 N?m的力矩分析步要求同②标准力矩分析步。

1.1.2 结果后处理

1）水平刚度值

用后处理软件打开结果文件，提取加载点在两个分析步的位移，计算出水平刚度值。

刚度计算公式如下：

（1）

式中：

k — 刚度，单位N/mm;

F — 力，单位N;

S — 位移，单位mm。

2）垂直刚度值

用后处理软件打开结果文件，提取加载点在两个分析步的位移，计算出垂直刚度值。刚度计算公式同公式（1）。

3）扭转刚度值

用后处理软件打开结果文件，提取加油口门上边缘中心点、下边缘中心点位移，计算出扭转刚度值。

用下面公式计算扭转刚度：

（2）

式中：

K——刚度，单位N?m /deg;

M——加油口门加载点加载的力矩，单位N?m;

θ——指示杆初始位置和加载变形后位置之间的夹角，单位deg。

用下面公式计算扭转角θ：

（3）

式中：

θ——加油口门竖直中心线CD在加载前与加载变形后之间的夹角，单位deg，计算原理如图2所示;

L——加油口门上边缘中心点C与下边缘中心点D的长度;

Δ——加油口门上边缘中心点C与下边缘中心点D，在加载变形后局部坐标系X方向的位移之差。

注：图中红线为加油口门竖直中心线CD的原始位置，绿线为其扭转后的位置。

1.2   加油口门刚度分析方法的应用

以某乘用车的加油口门分析为例，严格按照上述方法建立有限元模型，其加油口总成结构如图3所示：

该加油口门刚度分析计算结果如表1：

从以上结果来看，水平刚度及扭转刚度较弱，需要从结构上进行优化。

2    结构优化

2.1   优化方案

加油口门总成内部结构如图3所示，在水平方向所加载荷作用下，其应力云图如图4所示：

从应力云图可知，高应力集中位置分别在铰链臂及侧围侧铰链，相关结构优化方案如表2：

2.2   方案验证

优化设计完成后，将原方案与优化方案进行刚度分析，结果如表3所示：

2.3   优化结果分析

原方案中垂直刚度基本达标，因此在优化方案中未进行验证。与原方案相比，优化方案中的水平刚度提升0.65N/mm，卸载后残余变形量降低了9.04mm;虽然残余变形量尚未达标，但比某量产车型相对较小，且目前尚未收到该某量产车型的加油口售后问题，因此可以认为此分析结果可接受。扭转刚度提升0.54 N?m /deg，扭转角度达标，卸载后残余扭转角度基本达标。

3    結论

1）传统的加油口门刚度分析方法不能体现加油口门的整体刚度水平，且未考察卸载后的塑性变形情况。本文提出了一种加油口门刚度分析方法。

2）以某乘用汽车的加油口门为例，运用本文提出的加油口门刚度分析方法进行分析，并通过其量产状态实车验证与仿真性能对比，保证了该仿真分析方法的可靠性，为加油口门总成的研发设计提供重要思路。

3）通过对关键区域的结构优化，提出解决方案，成功解决了实例中某乘用汽车加油口门水平刚度、扭转刚度弱的的问题。

参考文献：

[1]朱英，李国林，李宏华，赵福全. 加油口盖耐久性问题分析及优化设计[J] . 汽车技术，2013年第4期.

[2]李楚琳，张胜兰，冯樱. HyperWorks分析应用实例. 北京：机械工业出版社，2011年.

[3]孙海涛，乔淑萍. 轿车车身加油口盖零件设计分析.汽车与配件，2009，（40）：33-35.

[4]万晓敏，赵辉. 加油口盖的工艺分析及压形翻边模.模具技术，2000，（5）：39-40.

[5]张渝，张浦仁，安治国. 基于逆向工程的汽车加油口铰链冲压模具设计.机械设计与制造，2010，（3）：238-239.