基于abaqus的轎車外覆蓋件抗凹性有限元分析

武 蕾，吳其龍

(1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.綠色鑄鍛及其高端零部件制造福建省2011 協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 三明 365004；4.福建省鑄鍛零部件工程技術(shù)研究中心，福建 三明 365004)

轎車車身鋼板耗材約占整車的75%，輕量化作為節(jié)能減排的有效手段被越來越多地應(yīng)用于純電動汽車設(shè)計(jì)。 目前，汽車覆蓋件最簡單的輕量化方案就是采取降低材料厚度的方法，然而降低材料厚度會導(dǎo)致汽車覆蓋件剛度不足，發(fā)生凹陷或產(chǎn)生凹坑，即抗凹性不足[1]；因此，汽車外覆蓋件輕量化后的抗凹性分析與評估成為汽車設(shè)計(jì)的重要部分[2]。 汽車覆蓋件抗凹性分析常用的方法是實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法[3]。 實(shí)驗(yàn)法是依據(jù)實(shí)車抗凹性實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，對汽車覆蓋件的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。 張彥等利用扁殼理論研究了汽車保險(xiǎn)杠的抗凹性實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)了小曲率的扁平薄板類零件在集中載荷作用下的抗凹剛度表達(dá)式，把扁平中心局部產(chǎn)生微小凹痕的臨界載荷作為扁平類零件輕量化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)指標(biāo)[4]；李東升等開發(fā)了基于微機(jī)控制的專用抗凹性試驗(yàn)機(jī)[5]；成艾國等綜合運(yùn)用機(jī)械裝置和LabVIEW 程序設(shè)計(jì)了一套抗凹性測量裝置[6]。 但是，覆蓋件的抗凹性測定還存在一定的缺陷，如實(shí)驗(yàn)成本高、測試標(biāo)準(zhǔn)不完善，以及試驗(yàn)設(shè)備在方便性及精確性方面存在不足[7]。 有限元數(shù)值模擬技術(shù)可快速獲取汽車覆蓋件抗凹性的分析結(jié)果，大大縮短汽車的設(shè)計(jì)周期，對預(yù)測和評價(jià)材料的抗凹性具有直接指導(dǎo)意義[8]。 本文通過建立車身鋼板的抗凹性力學(xué)模型，采用有限元數(shù)值模擬方法對轎車發(fā)動機(jī)罩蓋、頂蓋與后備箱蓋外板的靜態(tài)抗凹性進(jìn)行了仿真分析。

1 抗凹性評價(jià)指標(biāo)及力學(xué)模型的建立

1.1 抗凹性評價(jià)指標(biāo)

汽車在靜止或者高速運(yùn)動狀態(tài)下受到力的作用，包括按壓、沖擊等工況的反映，一般情況下按照工況的不同，其外覆蓋件的抗凹性一般用靜態(tài)指標(biāo)及動態(tài)指標(biāo)來評判[7]。 靜態(tài)抗凹與動態(tài)抗凹原理相近，不同在于加載速度，一般加載壓頭的直徑為25.4 mm 或者10～25 mm 之間，有時(shí)甚至是100 mm。 根據(jù)T/CSAE 50-2016 《汽車外覆蓋件抗凹性測試標(biāo)準(zhǔn)》，測試采用單次加載法或增量加載法，通過臺架加載機(jī)構(gòu)測量白車身不同部位（如翼子板、頂蓋和尾蓋等較薄部位）在下壓過程中的位移、力、加速度等參數(shù)用以評估抗凹性的好壞[10]。 靜態(tài)與動態(tài)抗凹性測試方法最大的不同之處在于測試壓頭與試件接觸時(shí)的速度，一般靜態(tài)抗凹性的壓頭加載速度小于10-3m/s。

本次采用靜態(tài)抗凹性的分析方法，載荷-位移曲線如圖1 所示，曲線反應(yīng)了抗凹性的3 個(gè)指標(biāo)：（1）抗凹剛度。反應(yīng)板料在受到抗凹載荷作用初期抵抗外加載荷的能力，抗凹剛度的大小與1 處線段的斜率相關(guān)，斜率越大，抗凹剛度越大。 （2）抗凹穩(wěn)定性。 在載荷位移曲線上，點(diǎn)2 的載荷可用于表征板料抗凹穩(wěn)定性，有時(shí)還用之后的一段線段的載荷變化區(qū)域作為抗凹穩(wěn)定性的范圍。 （3）凹痕抗力。 當(dāng)載荷大于點(diǎn) 3 處的值時(shí)，板料卸載之后將會產(chǎn)生一定的凹痕深度，凹痕抗力指的就是產(chǎn)生一定凹痕深度下的載荷。 在相同的凹痕深度情況下，載荷越大，或在相同的載荷作用下，凹痕深度越小，表示凹痕抗力越強(qiáng)[10]。

圖1 一次加載抗凹性試驗(yàn)

因此有以下幾點(diǎn)主要影響抗凹性：（1）材料的力學(xué)性能；（2）板料的幾何結(jié)構(gòu)；（3）抗凹性測試的條件和參數(shù)；（4）板料形變的影響；（5）板材的初始剛度。

1.2 抗凹性力學(xué)模型的建立

車身覆蓋件一般為有一定曲率的薄板類零件，由于沖擊載荷作用，如人為觸摸按壓、頂蓋積雪以及碎石沖擊動載荷等，使局部應(yīng)變過大，超過彈性變形范圍，造成鋼板產(chǎn)生凹坑。 由于沖擊過程中接觸面積小，可取鋼板一部分作為研究對象，其受力模型見圖2。

圖2 鋼板受力分析圖

假設(shè)鋼板表面凹坑面積為S，在沖擊作用下產(chǎn)生的力F 均勻分布在凹坑上，則可用q=F/S 近似的表示作用載荷。

其接觸應(yīng)力可根據(jù)接觸力學(xué)理論表示為[9]

其中：E1，E2分別為壓頭及鋼板的彈性模量；μ1，μ2分別為壓頭及鋼板的泊松比；R1，R2分別為凹坑處壓頭及鋼板的曲率半徑[8]。

則凹坑處的應(yīng)力為

其中 σ1，σ2，σ3為凹坑處的主應(yīng)力[8]。 在應(yīng)力狀態(tài)分析中，3 個(gè)方向的主應(yīng)力分別對應(yīng)主應(yīng)力的最大值和最小值：

其中：σx=0，σy=σA，τxy=τA，則可求出凹坑所處的截面上的彎矩 M 和剪力 FS。

2 影響有限元模擬精度的因素

影響仿真模擬的因素有很多，應(yīng)用有限元仿真的時(shí)候，尤其涉及復(fù)雜的模型，是高度非線性的，加上材料非線性以及幾何非線性，相比于線性問題，處理起來復(fù)雜的多[12]。但有限元作為一種解決工程問題的工具，經(jīng)過多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，前人總結(jié)了一些影響最終結(jié)果準(zhǔn)確與否的因素，包括材料模型、邊界簡化、單元選取等。

2.1 材料模型的影響

材料本構(gòu)一般是非線性的，本構(gòu)模型一般包括硬化曲線、屈服面以及破裂準(zhǔn)則等。 材料本構(gòu)模型的不同直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，基于應(yīng)力應(yīng)變的有限單元法，對于本構(gòu)模型依賴性非常大，本構(gòu)中的一個(gè)參數(shù)對結(jié)果的影響也是不可估量的，因此材料模型對于數(shù)值模擬的計(jì)算精度有著很大影響，不同的本構(gòu)做出的結(jié)果也有差異，且屈服軌跡會隨著變形程度而改變所以很難準(zhǔn)確的描述出屈服軌跡。

2.2 邊界條件的影響

有限元法的精髓在于對真實(shí)工況的簡化，包括材料模型、加載邊界等，因此不同的簡化方案對最終的模擬會有不同的計(jì)算結(jié)果，由于真實(shí)工況的復(fù)雜性，多變性，以及目前計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，對于真實(shí)世界的建模均采取簡化策略，但過于簡化的模型對于仿真的精度將產(chǎn)生較大的影響，隨著目前計(jì)算機(jī)能力及仿真經(jīng)驗(yàn)以及模型的豐富，目前對邊界的加載精度及準(zhǔn)確度均有了進(jìn)一步的提高，比如對于長久以來的摩擦模型，原來只能簡化為庫倫摩擦或常摩擦，目前已經(jīng)有軟件能夠?qū)崿F(xiàn)在多因素影響下的摩擦模型計(jì)算求解仿真，當(dāng)然這也是在計(jì)算機(jī)及理論發(fā)展的情況下才能夠?qū)崿F(xiàn)的。

3 覆蓋件零件抗凹性分析

3.1 有限元模型建立

抗凹性有限元仿真模型主要包括外覆蓋件車身及壓頭兩部分，其中壓頭簡化為剛體，車外覆蓋件為變形體，如圖3 所示。

圖3 有限元仿真涉及的覆蓋件模型及實(shí)驗(yàn)用壓頭模型

有限元模型采用正交性較好的四邊形單元網(wǎng)格，選取S4R 單元類型，車外形單元尺寸為20 mm，單元數(shù)為30 113 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為30 432 個(gè)，仿真實(shí)驗(yàn)壓頭采用單元尺寸為4 mm 的球頭形壓頭，最終劃分網(wǎng)格模型如圖4 所示。

圖4 車身與壓頭網(wǎng)格模型

考慮到高強(qiáng)度鋼對于外覆蓋件的影響，并確保分析可靠性的進(jìn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，仿真材料用車外覆蓋件常用的180BH 材料，厚度為采用一般汽車鋼板的厚度，選取0.65mm。 所選用的仿真材料參數(shù)見表1。 Abaqus 材料賦予需建立截面，截面厚度為材料厚度。

表1 仿真材料參數(shù)

3.2 車頂蓋抗凹性整體評估

車頂蓋抗凹性分析首先必須精確分析出車頂蓋抗凹性最薄弱區(qū)域，以最薄弱區(qū)作為壓頭加載位置，從而評估覆蓋件的抗凹性[11-12]。 為分析覆蓋件抗凹性的薄弱區(qū)域，一般方法是對覆蓋件整體施加重力載荷，在重力載荷下覆蓋件發(fā)生變形，剛度較弱處變形量較大，表明該處抗凹性也較弱。 本文采用Abaqus 軟件加載重力邊界輸入及外覆蓋件的邊界約束，如圖5 所示。 通過有限元計(jì)算，分析得出覆蓋件整體受重力情況下的位移云圖，如圖6 所示。 其中，頂蓋及發(fā)動機(jī)罩部分分別單獨(dú)顯示如圖7。

圖5 邊界約束

圖6 重力作用下覆蓋件變形云圖

圖7 重力作用下車發(fā)動機(jī)罩外板及頂蓋變形云圖

在重力作用下的變形云圖顯示，電動車后備箱蓋區(qū)域剛度最弱，最大變形量為0.194 1 mm；頂蓋尾部區(qū)域剛度較弱，最大變形量為0.052 28 mm，而發(fā)動機(jī)罩外板剛度較弱的最大變形量為0.058 41 mm。

根據(jù)抗凹性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在車身剛度最弱區(qū)域，壓頭加載130 N 集中力，若車身產(chǎn)生的凹陷值小于6 mm，則滿足抗凹性的實(shí)驗(yàn)要求。 為分析車身覆蓋件的抗凹性，本文分別對后備箱蓋、頂蓋及發(fā)動機(jī)罩外板剛度較弱區(qū)域處進(jìn)行了抗凹性仿真，剛度較弱區(qū)域如圖6 和圖7 的變形云圖顯示結(jié)果。抗凹性仿真壓頭加載方向與重力一致，建立相應(yīng)有限元模型如圖8 所示，單元尺寸、類型及材料厚度不變。 在加載130N 集中力的情況下，剛度較弱區(qū)域的抗凹性仿真變形云圖如圖9 所示。

圖8 抗凹性仿真有限元模型

圖9 抗凹性仿真結(jié)果

仿真結(jié)果圖9 表明，在壓頭以130 N 集中力下壓作用下，0.65 mm 厚度的180BH 材料車身覆蓋件，其剛度最弱的后備箱外板最大變形為5.301 mm，發(fā)動機(jī)罩外板的最大變形為4.752 mm，而車頂蓋尾部剛度較弱區(qū)域的最大變形為1.929 mm，變形量均小于6 mm。表明該車外覆蓋件的抗凹性符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，材料選用與尺寸設(shè)計(jì)均在合理范圍。

4 結(jié)論

通過建立鋼板抗凹性力學(xué)模型，分析了汽車覆蓋件抗凹性評價(jià)指標(biāo)，并基于ABAQUS 建立有限元仿真模型，對某轎車車身外覆蓋件進(jìn)行了模擬仿真分析。 結(jié)果表明，該車身覆蓋件采用0.65mm厚度的180BH 材料時(shí)具有較好的抗凹性，本文結(jié)果可為車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選取提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)依據(jù)。 同時(shí)，有限元模型的網(wǎng)格精度對抗凹性數(shù)值模擬的結(jié)果十分重要，本文在網(wǎng)格模型的質(zhì)量方面還有待改進(jìn)，并在后續(xù)研究結(jié)合抗凹性實(shí)驗(yàn)與有限元仿真進(jìn)行對比分析，更加客觀地評價(jià)車身的抗凹性。