車門抗凹陷性能分析研究

譙萬成 羊定侯 賀方平

（一汽海馬汽車有限公司）

1 前言

車門系統是外覆蓋件中的一個子系統，是客戶直觀評價外覆蓋件抗凹陷性能的主要系統。車門抗凹陷性能是車門外板在載荷作用下抵抗凹陷變形的能力。抵抗變形能力的大小取決于車門結構的幾何形狀和零件的材料屬性。根據抗凹陷試驗方法，本文采用一汽海馬公司傳統的抗凹陷仿真分析方式與改進后的仿真分析方式分別進行CAE仿真，并與試驗結果進行對比，考察兩種仿真分析結果與試驗結果的差異性，為抗凹陷仿真分析提供更好的方法。

2 車門抗凹陷試驗

在凹陷性臺架試驗機上，對某車型前車門進行試驗，在前車門外板上選取按單位間距排列的點進行逐個測試，以驗證整個車門的抗凹陷性能。取值時，對車門所有測試點在每個額定載荷作用下讀取一個相對應的位移值。本文隨機選擇其中一個測試點進行對比分析,臺架試驗如圖1所示。

根據凹陷性試驗方法，在搭建CAE仿真分析模型時，可簡化為被測區域在外力作用下發生凹陷，其試驗作用過程如圖2所示。

抗凹陷性能主要由被測點的最大變形量、殘余變形量、易拉罐效應3個性能指標進行評判。通過多個試驗結果數據的整理與分析，可知這3個評價指標之間并不存在任何相對應的數值關系。

3 有限元模型搭建

模擬臺架加載方式搭建相應的有限元仿真模型，基于HyperMesh前處理搭建車門子系統基礎網格模型。

傳統抗凹陷性仿真分析方式與改進后的抗凹陷性仿真分析方式載荷大小與載荷方向相同，最主要差別在于載荷的施加方式不同。傳統仿真分析方式是在HyperMesh的ABAQUS模塊中對被測區域表面施加額定壓強；改進后的仿真分析方式是在ABAQUS_CAE模塊中處理，建立剛性球，對鋼性球施加額定集中載荷，使用鋼性球擠壓被測區域[1]。

兩種仿真方式均采用ABAQUS隱式求解器求解。

3.1 抗凹陷性能隱式求解理論

隱式算法基本上采用紐曼法進行時間域的積分，由連續介質力學理論得到系統的運動方程為:

式中，M為質量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；a為加速度；v為速度；u為位移；F為作用力。

Newmark—beta隱式積分一般形式為:

式中，n為迭代次數；Δt為時間增量；β、γ為常數。

采用4節點單元進行有限元離散化時，γ=1/2，β=1/4，可得:

式中，內力 R=乙βTσdv。

為消除線性化帶來的誤差，采用牛頓—拉弗森法進行平衡迭代，迭代求解平衡方程為:

式中，kt（u）為增量步開始時的切線剛度矩陣。

第一次求解得到Δu=Δu1，下一次迭代有:

解得 Δu=Δu2，反復迭代得到:

迭代收斂條件為位移收斂條件，即:

式中，i為迭代次數號；FRCTOL為定義的收斂容差。

在求解過程中，若迭代既沒有收斂也沒有發散，則按式（9）進行位移修正:

繼續進行平衡迭代，一直到得到收斂的解[2]，求出抗凹陷性能的位移值。

3.2 被測點網格細化

為了更好的模擬試驗臺架，需要對試驗臺架觸頭與車門外板接觸部分做直徑為12 mm范圍面積的網格細化。

外表面被測區域中心的網格最細，網格大小可以控制在0.5 mm×0.5 mm內；只允許出現極少數的三角形網格；網格圍繞中心區域向四周擴散，網格大小逐漸變大。網格細化后得到的典型網格分布如圖3所示。為提高仿真精度，細化的網格與周圍網格連接時，應避免不合格網格的出現。

3.3 材料與屬性

傳統高強度鋼板屈服應力大、強度高，但其沖壓成形性較差，特別是起皺、回彈等缺陷比較明顯。車輛外覆蓋件材料選擇則需要考慮外覆蓋件的抗凹陷性能。該車門外板采用的材料為經過烘烤硬化的高強度鋼板（BH鋼），其不僅具有良好的剛度、強度，還具有優良的抗凹陷性能[3]。該種材料與傳統鋼材的抗凹陷性能對比如圖4所示。

在建立抗凹陷仿真分析有限元模型時，根據材料試驗得到該材料的彈性模量、密度、泊松比以及材料的應力應變曲線。經過處理后的材料應力應變曲線如圖5所示。

3.4 邊界條件

兩種載荷施加方法的仿真約束方式相同，均采用和臺架試驗一致的約束方式，載荷施加方向與被測點表面的法向相同。車門門鎖處以及車門上下鉸鏈約束整車坐標系下X、Y、Z軸向平動自由度，車門限位點約束2自由度，約束方式如圖6所示。

第一種載荷施加方式為壓強，在前車門外表面被測區域內施加壓強。根據臺架試驗的載荷值以及觸頭與車門接觸的面積，算出施加到被測點每一個網格單元上的平均壓強值為0.442MPa，壓強與接觸面積的乘積為200N。搭建完成后的模型如圖7所示。

搭建第二種載荷施加模型時，需要在ABAQUS的前處理界面創建屬性為解析剛體的直徑為80 mm的剛性球，將集中載荷200 N加載于剛性球上，再讓剛性球作用于車門被測點。通過建立剛性球外表面與被測表面之間的接觸屬性以及摩擦關系，保證剛性球擠壓被測表面過程中更接近抗凹陷臺架試驗的整個測試狀態。搭建模型時，建立以車門外表面被測點為坐標原點、其中一個方向坐標軸垂直于被測表面的局部坐標系。集中載荷作用在剛性球上的方向為局部坐標系下垂直于被測表面的坐標軸。對剛性球進行約束時，在局部坐標系下放開沿被測點表面法向一致的平動自由度，其余方向全約束[4]。搭建完成的模型如圖8所示。

考慮到抗凹陷臺架試驗中加載是一個緩慢的過程，仿真分析的載荷可近似為線性的加載與卸載，載荷曲線如圖9所示。

4 仿真計算結果分析

4.1 第二種載荷施加方式作用過程

剛性球與被測點之間的相互作用是一個連續的過程，作用力與位移云圖如圖10所示。

4.2 兩種載荷施加方式作用結果

兩種不同的載荷施加方式導致的最大變形與殘余變形結果如圖11、圖12所示。

4.3 仿真結果與試驗對比

根據試驗所得的數據，制作載荷位移曲線，將兩種不同載荷施加方式的仿真結果與試驗曲線進行對比如圖13所示。

前車門抗凹陷性能臺架試驗結果最大變形量為10.21 mm，殘余變形量為0.192 mm；第一種載荷施加方式計算所得的最大變形量為11.16 mm，殘余變形量為0.12 mm；與試驗結果相比最大變形量的相對誤差為13.6%，殘余變形量的相對誤差為36.5%。第二種載荷施加方式計算所得的仿真結果最大變形量為10.62 mm，殘余變形量為0.16 mm；與試驗結果相比最大變形量的相對誤差為4.0%，殘余變形量的相對誤差為17.7%。

在整個車門外表面臺架試驗中隨機選擇6個測試點，除去文中所述的測試點，其余5個測試點測得的結果與計算機仿真分析所得的結果如表1所列。通過仿真與試驗結果對比可知，某些測試點最大變形量不滿足要求，但是殘余變形量滿足要求；某些測試點則是最大變形量滿足要求，但是殘余變形量不滿足要求。對于固定載荷、固定鋼性球直徑測試方式，可以按照試驗要求的目標作為評價標準。

表1 仿真與試驗結果

從表1中誤差分析情況可以看出，第二種載荷施加方式與試驗更加接近。

5 結束語

建立剛性球，創建外表面接觸以及摩擦參數，是一種更加接近試驗的模擬仿真手段，其不僅局限在車門上，還適用于車身外覆蓋件的各個子系統上，包括擋泥板、翼子板、發動機蓋板、后背門蓋板抗凹陷性能仿真分析中。

經過一系列的試驗對比研究，第二種載荷施加方式更能反映外覆蓋件承受凹陷變形的能力，為汽車外覆蓋件設計提供可靠的技術支持。同時，采取該仿真分析方式能大大節約試驗成本及時間。

1 曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析實例詳解.北京:機械工業出版社，2009:98～108.

2 韋勇，裴磊，成艾國.基于ABAQUS的汽車覆蓋件抗凹陷性分析.機電產品開發與創新，2010，23（1）:80～82.

3 江海濤，康永林，王全禮，等.高強度汽車板的烘烤硬化特性.鋼鐵研究，2006:54～57.

4 劉展，祖景平，錢英莉，等.ABAQUS6.6基礎教程與實例詳解.北京:中國水利出版社，2008:324～328.