汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能分析

揚州工業(yè)職業(yè)技術學院交通工程學院,江蘇 揚州 225127

汽車的安全問題隨著汽車的逐漸普及受到了消費者和業(yè)內人士的廣泛關注[1]。在汽車工業(yè)的技術逐漸提高的背景下，人們對汽車外形和性能的要求也越來越高[2]，其中就包括汽車頂部覆蓋件的結構性能。車身頂部覆蓋件是連接車身的重要部位，是汽車中最大的覆蓋件，需要滿足一定剛度和強度的要求。汽車頂部覆蓋件在保護乘員安全、車身結構和車外形美觀等方面起著重要的作用[3]。

現(xiàn)如今，不斷加重的全球自然災害不僅對人們生活、學習和工作造成影響，同時也影響了汽車行業(yè)的發(fā)展[4]。冰雹及厚雪極容易造成汽車頂部的塌陷或變形，對汽車的美觀性、安全性和乘坐舒適性造成影響，因此需要對汽車頂部覆蓋件的抗凹及抗壓性能進行分析。

目前在該域，已有學者提出了一些較為成熟的研究成果。劉瑜等在構建汽車頂部覆蓋件有限元模型的基礎上，確定模型的邊界條件和載荷工況，并結合典型評價準則、抗壓強度標準和壓潰試驗標準對汽車頂部覆蓋件抗壓性和抗凹性進行評價，實現(xiàn)對其抗凹及抗壓性能的分析。但該方法構建的汽車頂部覆蓋件有限元模型的分析精準度較低，存在分析結果準確率低的問題[5]。位莉等根據(jù)汽車頂部覆蓋件的特點，分析了烘烤硬化特性、成形條件和屈服強度對汽車頂部覆蓋件的影響，進而分析汽車頂部覆蓋件的抗凹性能和抗壓性能[6]。雖然該方法分析結果的準確率優(yōu)于文獻[5]方法，但分析過程較為復雜，耗時較長。導致分析效率較低。

為了解決傳統(tǒng)方法中存在的分析結果準確性差、分析過程耗時較長的問題，提出一種新的汽車頂部覆蓋件抗凹性及抗壓性能分析方法。

1 汽車頂部覆蓋件有限元模型

1.1 有限元網(wǎng)格劃分

在劃分網(wǎng)絡模型前，為保證滿足計算效率和計算結構精度兩方面的要求，需對汽車頂部覆蓋件模型做簡化處理：

（1）通常情況下，車廂襯板位置和車身接頭的形狀是不規(guī)則的，但大部分為過渡結構，翹度較大而與此同時，其力學性能受這種結構的影響也較大[7]。因此，在網(wǎng)格劃分過程中，通過小尺寸的四邊形和三角形混合單元對上類結構進行擬合，減小車廂襯板和車身接頭受過度結構的影響。

（2）為了安裝內飾附件，一般會在車身結構設計工藝圓孔。通常情況下，車身工藝圓孔的孔徑都比較小。因此，在網(wǎng)格劃分過程中，利用空四邊形對孔徑進行表示，直徑較大的孔徑則用八邊形或六邊形表示。

網(wǎng)格質量描述的是網(wǎng)格單元的合理性和規(guī)范性，滿足規(guī)范要求且有理想形狀的網(wǎng)格有利于提高分析精度。網(wǎng)格質量描述過程通常包括雅克比、單元尺寸、翹曲度和角度等參數(shù)。由于相反分析結果易受畸形網(wǎng)格的影響而導致分析計算中斷，因此，本研究設計的汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能分析方法利用Hyper Mesh 的卡片在網(wǎng)格劃分過程中避免不合格單元的生成，控制網(wǎng)格的質量。

1.2 材料參數(shù)

應力-應變曲線是一種重要參數(shù)，其主要作用是對材料力學性能進行描述。通常利用拉伸試驗在工程中對材料對應的力學響應進行確定。

通過拉伸過程中材料發(fā)生的變形情況和施加的拉延力繪制材料對應的應力-應變曲線。假設εe代表的是在實驗過程中獲取的應變工程測量值；σe代表的是材料在實驗過程中對應的應力，應變工程測量值εe和材料應力σe的計算過程如下：

式中，δ代表的是位移值；l0代表的是試樣的原始長度；P代表的是載荷；A0代表的是試樣對應的原始界面面積。

由于現(xiàn)有的大部分材料的力學彈性都滿足胡克定律，因此其應變和應力之間為正向關系，楊氏模量、彈性模量即為比例常數(shù)E[8]，則可得到下式：σe=Eεe(3)

隨著應力的變大，大多數(shù)材料對應的應變也發(fā)生變化，不滿足線性比例關系，在比例極限下產(chǎn)生偏離距離l。因此，為了構建汽車頂部覆蓋件材料應變和真實應變間存在的關系，通過下式預測材料應變εnom：

在公式（4）的基礎上得到汽車頂部覆蓋件的應變與真實應變之間的關系：ε=lin(1+εnom)(5)

假設汽車頂部覆蓋件的彈性變形具有不可壓縮性，對塑形變形的不可壓縮性進行考慮，構建工程應力與真實應力之間的關系：l0A0=lA(6)

式中，A代表的是汽車頂部覆蓋件材料對應的當前界面面積。如果初始面積和當前面積滿足公式（7），在真實應力的定義中通過引入當前面積A的定義可得到公式（8）。

式中，F(xiàn)代表的是汽車頂部覆蓋件所收到的外力。通過公式（8）獲得汽車頂部覆蓋件材料應變和所受應力與真實應力之間存在的關系：σ=σnom(1+εnom)(9)

在此基礎上，可根據(jù)公式（9）對汽車頂部覆蓋件的抗凹及抗壓性能分析。

2 有效性驗證

為驗證所提的汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能分析方法的整體有效性，需進行如下仿真測試。

實驗環(huán)境為MATLAB 平臺。研究汽車頂部覆蓋件抗凹性能及抗壓性能的關鍵在于獲取汽車頂部覆蓋件的準確位移，這一結果可以通過構建汽車頂部覆蓋件有限元模型獲取。有限元模型的精準度越高，則分析結果越準確。

為驗證所提的汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能分析方法的有效性能，對不同方法分析過程的耗時情況進行測試，得到對比結果如表1 所示。

表1 不同方法分析過程耗時情況對比/msTable 1 Comparison of time-consuming situations of different methods in the analysis process(Unit:ms)

表1 可知，在實驗迭代次數(shù)不斷增加時，不同方法分析過程耗時均逐漸增加，但所提方法分析過程耗時始終保持最少，證明采用所提方法進行汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能分析的效率更高。

綜上所述，本研究提出的汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能分析方法具有分析結果準確度高、分析過程耗時短、效率高的優(yōu)勢，能夠有效實現(xiàn)對汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能的分析。

3 汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能分析

利用上述方法從抗凹性能和抗壓性能兩個角度對汽車頂部覆蓋件進行分析。

3.1 抗凹性能分析

汽車頂部覆蓋件的受力點經(jīng)過一定載荷后會產(chǎn)生一定量的形變，即使卸載載荷也不能恢復原始狀態(tài)，會出現(xiàn)凹痕變形，凹痕深度即為凹痕變形對應的位移。

通常情況下，局部凹陷載荷P和凹痕深度D為線性關系，通過線性擬合可獲得局部凹陷載荷P和凹痕深度D之間的關系，可用下式表達：P=a+bD(10)

式中，a、b均為常數(shù)。

小位移抗凹剛度和大位移抗凹剛度是汽車頂部覆蓋件的兩個重要剛度類型：

小位移抗凹剛度：位fp和載荷P在抗凹試驗加載初期呈線性變化，曲線斜率K=P/fp即為小位移抗凹剛度，描述的是矩形雙曲扁殼對應的基本剛度。

大位移抗凹剛度：汽車頂部覆蓋件隨著載荷的增加會出現(xiàn)大位移凹陷撓曲，此時汽車頂部覆蓋件的幾何形狀的變化較為明顯，大位移抗凹剛度即為此時對應的抗凹剛度[7]。

為了獲得在不同生產(chǎn)工藝條件下的汽車頂部覆蓋件對應的抗凹性能變化規(guī)律，通過不同壓邊力條件對汽車頂部覆蓋件進行沖壓，并通過單點逐次加載的模式實現(xiàn)汽車頂部覆蓋件的靜態(tài)抗凹實驗。獲得的凹痕深度和載荷數(shù)據(jù)如下：

對圖2 中的數(shù)據(jù)采用Origin 軟件進行曲線擬合，獲得汽車頂部覆蓋件在四個不同壓邊力條件下對應的局部載荷-凹痕深度曲線，如圖3 所示。

根據(jù)圖3 得到凹痕深度和局部載荷在不同邊界條件下的關系，統(tǒng)計結果如表2 所示。

圖2 不同壓邊界條件下同種材料對應的抗凹性能Fig.2 Corresponding anti-concave properties of the same material under different pressure boundary conditions

圖3 不同壓力邊界條件下局部載荷-凹痕深度曲線Fig.3 Local load-dent depth curve under different pressure boundary conditions

表2 凹痕深度與局部載荷在不同壓邊力條件下的關系Table 2 The relationship between dent depth and local load under different blank holder force

分析表2 中的數(shù)據(jù)可知，抗凹阻率和抗凹力隨著壓邊力的增大不斷增大，表明在一定壓邊力范圍內對于同種材料，采用較大的壓邊力汽車頂部覆蓋件的抗凹性越好。但試件的厚度也隨著壓邊力的增大而變薄，同時會降低汽車頂部覆蓋件的靜態(tài)抗凹性。通過上述分析可知，利用壓邊力對汽車頂部覆蓋件的抗凹性能進行改善時，不能使其過大，當壓邊力過大時汽車頂部覆蓋件的抗凹性能增加效果會降低。

3.2 抗壓性能分析

汽車頂部覆蓋件抗壓性能測試在汽車技術研究中心完成，設備為抗壓強度試驗機。

在汽車大梁下部、門檻以及汽車外圍施加Z 方向上的約束，每側設置三處，一共存在六處。在汽車的右側布置護板，并施加Y 方向上的約束，汽車兩端都固定有鐵鏈，對其施加X 方向上的約束。

為了進一步研究汽車頂部覆蓋件抗壓性能，獲取汽車頂部覆蓋件各關鍵結構在頂壓初期的最大變形量以及所受截面力。汽車的頂蓋橫梁、A 柱和B 柱為主要承載結構，得到的最大變形量和所受截面力分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 汽車頂部覆蓋件各關鍵部位的截面力Fig.4 The cross section force of the key parts on the car top cover parts

圖5 汽車頂部覆蓋件各關鍵部位的最大變形量Fig.5 The maximum deformation of the key parts of the car top cover parts

由圖4 和圖5 可知，隨著載荷力的增大，汽車的頂蓋橫梁、A 柱和B 柱都出現(xiàn)了明顯變形，其中折彎變形最嚴重的是B 柱。汽車頂部覆蓋件的頂蓋橫梁、A 柱和B 柱主要承載結構在定壓工況下發(fā)生變化，汽車頂部覆蓋件支撐結構B 柱的折彎變形較為嚴重。綜上所述，在頂壓過程中各關鍵結構受最大變形量和截面力兩個因素的影響最大。

4 結語

汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能描述的是在承受一定外載荷時汽車頂部覆蓋件抵抗變形或凹陷撓曲保持形狀的能力，分析其抗凹及抗壓性能對提高汽車質量具有重要意義。當前汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能分析方法存在分析準確率低的問題，為此，本研究提出汽車頂部覆蓋件抗凹及抗壓性能分析方法，通過構建精準的汽車頂部覆蓋件有限元模型，準確的分析汽車頂部覆蓋件抗凹性能及抗壓性能，提高了汽車的安全性。