轎車翼子板屈曲抗凹性能分析及優(yōu)化

于佳鑫

（長春汽車工業(yè)高等專科學校，長春 130013）

0 引言

汽車覆蓋件是指構(gòu)成汽車車身或駕駛室、行李艙等的金屬板件，是汽車的重要組成部分。汽車覆蓋件的質(zhì)量指標主要包括以下幾個方面：尺寸精度、表面質(zhì)量、力學性能、金相組織、焊接質(zhì)量、裝配質(zhì)量和耐腐蝕性等。在設(shè)計生產(chǎn)時，要符合工藝要求和產(chǎn)品標準，以保證汽車的安全性和使用壽命。

翼子板是遮蓋車輪的車身外板，是安裝在汽車車輪周圍的金屬板，主要作用是防止車輪在行駛過程中濺起的泥土、石子等雜物飛到車身和其他車輛上，同時也可以保護車輪和制動系統(tǒng)不受外界雜物的侵害。翼子板在設(shè)計時要保證前輪轉(zhuǎn)動及跳動時的最大極限空間，因為其所處特殊位置，在使用中容易受到外載荷的作用，如人為接觸按壓等，使其局部凹陷或產(chǎn)生永久變形。

屈曲分析主要是一個涉及結(jié)構(gòu)力學的問題，主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷。其基本原理是計算結(jié)構(gòu)在給定載荷下的彈性變形和應(yīng)力分布，并確定結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)和屈曲載荷[1]。本文針對某車型翼子板屈曲抗凹性能進行分析，對其優(yōu)化方案進行論證，最終達到目標要求。

1 有限元模型建立

有限元模型的前處理是有限元分析的關(guān)鍵步驟之一。建立有限元模型首先要確定研究對象，包括其幾何形狀、邊界條件和材料屬性等。其次是劃分單元，也就是將研究對象劃分為若干個單元，每個單元由若干個節(jié)點組成。單元的形狀和大小應(yīng)該根據(jù)研究對象的幾何形狀和受力情況來確定。在劃分單元之后，需要定義每個節(jié)點的坐標和自由度。節(jié)點的自由度取決于研究對象的運動方式和約束條件。最后是定義單元屬性，如彈性模量、泊松比等。

翼子板有限元模型主要是車身外板翼子板部件，通常采用殼單元模擬。殼單元是一種用于模擬薄壁結(jié)構(gòu)的有限元單元，它是一種二維結(jié)構(gòu)單元，通常用于模擬平板、殼狀結(jié)構(gòu)和管道等具有一定厚度的結(jié)構(gòu)。其特點是在其厚度方向上的變形相對較小，而在平面內(nèi)的變形相對較大。因此，殼單元可以有效模擬結(jié)構(gòu)的彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸和壓縮等變形。其計算效率高，可以有效地減少計算時間和計算成本。同時，還可以有效地模擬結(jié)構(gòu)的局部變形和應(yīng)力集中等問題[2]。

網(wǎng)格劃分是將物理模型劃分為有限個單元的過程，后期再進行數(shù)值計算和模擬。網(wǎng)格劃分是數(shù)值計算和模擬的基礎(chǔ)，它決定了計算的精度和效率。如果網(wǎng)格劃分的質(zhì)量不好，可能會導致精度、收斂性、計算時間和結(jié)果可靠性等問題。

翼子板有限元模型的模型網(wǎng)格尺寸采用10.00 mm×10 .00 mm建模。三角形單元所占比例低于5%，翹曲小于10%。在前處理軟件中導入相應(yīng)的翼子板CAD 模型，劃分網(wǎng)格，并按照相應(yīng)要求更改PID 以及ID。給劃分后的網(wǎng)格賦予屬性以及材料，外板材料及厚度為DC54D+ZF45/45_0.70 mm（圖1）。

圖1 有限元模型

2 邊界條件

翼子板的屈曲抗凹分析考慮了幾何、材料及接觸的非線性。通常在結(jié)構(gòu)力學分析中，默認為幾何線性。即在幾何線性設(shè)置中，平衡方程是在未變形狀態(tài)下建立的，并且不會隨變形而更新。在分析中材料具有非線性的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。在分析中采用的是直徑80.00 mm，一端封閉的柱狀板殼壓頭，并在剛性面與翼子板之間建立接觸關(guān)系，來傳遞垂直接觸表面的力。

打開HyperMesh 軟件，選擇Abaqus Standard3D 模板，進入Abaqus 隱式分析模板。導入翼子板的.inp 文件或直接打開.hm文件，進行壓頭模型的輸入及邊界條件的編輯。壓頭可以通過CAD 軟件畫出來幾何形狀，在HyperMesh 軟件中劃分網(wǎng)格。也可以將壓頭單獨存成.inp 文件，以便后期在計算抗凹分析中使用。

將壓頭文件帶入后調(diào)整壓頭在翼子板上的位置，使之移動到合適的位置。使用Tool>position 能調(diào)整壓頭位置。點擊壓頭所在層，“from”選擇的N1、N2、N3 這三點是壓頭下表面上的點，“to”選擇的N1、N2、N3 三點是翼子板上的要分析部分的點。保證from 與to 的方向一致性。

約束翼子板與車身安裝點全部自由度1、2、3、4、5 和6，如圖2 所示。由于翼子板造型曲率較大，受到外部載荷時，容易發(fā)生屈曲的風險，因此選擇隱式分析的算法進行求解。

圖2 車身安裝點的約束情況

分析模型搭建通常分為3 個步驟，建立局部坐標系、創(chuàng)建載荷及接觸。

（1）進入編輯模塊，選擇壓頭所在的comp，坐標 Node_id 選擇一個剛體參考點來控制整個剛體。檢查整個模型中的全部屬性，是否缺失材料屬性等。若缺失材料或?qū)傩?，重復上述步驟新建或更新相應(yīng)部分。

由于壓頭需要約束其除法向以外的其他自由度，所以需要建立局部坐標系。將壓頭上的參考點都放入到局部坐標系中，同樣在systems 中將其assign 到局部坐標系中。

（2）創(chuàng)建約束載荷集，保存對翼子板的約束。選擇要建立約束的點，以及約束的方向。翼子板抗凹分析，車身安裝點處約束全部自由度1、2、3、4、5、6，壓頭處約束1、2、4、5、6（由于是往Z 向施加力，所以釋放3 個方向自由度）。將其都放在一個載荷集中，也可以分別建立相應(yīng)的載荷集。進一步創(chuàng)建力的載荷集，保存對翼子板施加的力，此處的力為400 N。

（3）在接觸中需要創(chuàng)建接觸面，接觸對以及接觸屬性。通常情況下，選擇兩物體中硬度較大的一方為接觸體，其接觸表面稱為接觸面。主面選擇剛性壓頭，從面選擇翼子板。創(chuàng)建分析步加載力和卸載力[3]。

3 計算結(jié)果

在翼子板上選擇合適的點來進行分析，通?？紤]關(guān)鍵點即材料或結(jié)構(gòu)中承受壓力最大的關(guān)鍵點、均勻分布、代表性及可重復性等綜合因素。經(jīng)過分析研判，選取23 個參考點（圖3）?？疾炱淇拱夹阅?，其計算結(jié)果統(tǒng)計如表1 所示。

圖3 參考點位置

表1 各考察點的計算結(jié)果

23 個考察點的載荷曲線位移圖分別如圖4 ～圖6 所 示。由計算結(jié)果可知，點P6、P19 和P23 在400 N 力的作用下發(fā)生了顯著的屈曲變形，因此點P6、P19 和P23 不滿足抗凹要求。

圖4 載荷-位移曲線圖（P1 ～P10）

圖5 載荷-位移曲線圖（P11 ～P20）

圖6 載荷-位移曲線圖（P21 ～P23）

結(jié)果分析表明，該翼子板抗凹性能較弱，即材料或結(jié)構(gòu)在承受外部壓力時容易發(fā)生凹陷或變形的現(xiàn)象，可能會導致材料或結(jié)構(gòu)的失效或破壞，因此需要進行相應(yīng)的局部優(yōu)化。在汽車設(shè)計時，可以采用更加堅固的支撐結(jié)構(gòu)，如增加支撐板或增加膠等，以提高其抗凹性能，改善該處的局部抗凹性。

在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中增加支撐板是一種常見的增強結(jié)構(gòu)強度的方法。支撐板可以通過增加結(jié)構(gòu)的厚度、改變材料的種類以及改變結(jié)構(gòu)的形狀等方式來提高結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。通過增加加強板的厚度，通常適用于需要承受較大荷載的部位，如車門、發(fā)動機艙蓋等外板處；使用更加堅固的材料來制作加強板，通常適用于需要承受較大沖擊或振動的部位，如底盤、懸架等；改變加強板的形狀，通常適用于需要承受復雜荷載的部位，如車身框架、底盤等。

在優(yōu)化方案考慮時，需要考慮到結(jié)構(gòu)的整體性和平衡性，以避免因局部加強而導致其他部位的薄弱。支撐板的設(shè)計和安裝也要符合相關(guān)的標準和規(guī)范，以確保其有效性和安全性[4]。

4 優(yōu)化方案

有限元優(yōu)化是一種通過調(diào)整有限元模型的參數(shù)來優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的方法。通常有6 種有限元優(yōu)化方案，分別為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、材料優(yōu)化、多目標優(yōu)化及智能優(yōu)化算法等[5]。優(yōu)化時需要從成本及工藝實施性綜合考慮，找出投入與產(chǎn)出平衡的方案。下面介紹本案例所采用的優(yōu)化方法。

在不合格點處增加膠片，膠片選取厚度為1.50 mm，建立增加膠片后的有限元模型（圖7）。需要注意的是，增加膠片雖然可以提高結(jié)構(gòu)的承載能力，但也可能會增加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和成本，因此需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的實際需求和經(jīng)濟效益，選擇最優(yōu)的方案。同時，也可能會產(chǎn)生新的應(yīng)力集中點，需要根據(jù)分析結(jié)果進行進一步的優(yōu)化。

圖7 增加膠片位置

對增加膠片后的模型施加相應(yīng)荷載并進行分析，得到該區(qū)域的應(yīng)力和變形情況，分析結(jié)果如表2 所示。

表2 不合格點的優(yōu)化計算結(jié)果

不合格點的載荷曲線位移圖如圖8 所示。通過分析比對初始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，點P6、P19 和P23 的形變量及剛度都滿足目標值。

圖8 改進后的載荷-位移曲線圖（P6、P19 和P23）

5 結(jié)束語

在實際的設(shè)計與生產(chǎn)中，影響翼子板屈曲抗凹性能的原因有很多種，如材料、工藝、溫度及試驗條件等。要提高翼子板的屈曲抗凹性能，需要綜合考慮綜合因素，并采取相應(yīng)的措施，配合優(yōu)化設(shè)計，達到翼子板的強度性能。

本文利用CAE 軟件對某車的翼子板進行屈曲抗凹分析，存在薄弱位置。根據(jù)分析結(jié)果對翼子板抗凹性做出了評價，并提供了局部優(yōu)化方案。經(jīng)過檢測后證明，優(yōu)化改進后的翼子板抗凹性能得到了明顯改善，屈曲抗凹分析對翼子板等外板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。