基于数值模拟的车门抗凹性分析
陈学峰
北汽福田汽车股份有限公司工程研究院性能开发二部  北京  102206
摘要摘要：：通过数值模拟方法，对车门外板等相对尺寸较大的覆盖件进行抗凹性分析，对预测和评价用户使用过程中，在覆盖件受到可能的外载荷作用下的车辆外观品质具有重要意义。本文基于hyperworks和abaqus软件，对某车门外板进行了抗凹性分析。
关键词
关键词：抗凹性；车门；数值模拟
Abstract:Benefiting from the application of numerical simulation method, it's of great significance to predicting and evaluating the quality of automotive appearance by analysing the dent resistance of auto-body panel.In this paper,based on the software of hyperworks and abaqus,the dent resistance of auto-door panel is analysed.
Key words;Dent resistance;Auto door;Numerical simulation
1 1 概述概述概述
车门外板尺寸相对比较大，带有曲率，有一定的预变形，在用户使用过程中常常会受到外载荷作用，如人为的触摸按压、行进过程中的振动以及碎石冲击等，这些载荷往往使车门外板发生凹陷挠曲，甚至产生局部的永久变形，这些将直接影响到车辆的外观品质。此外，出于减重节能，节省成本的目的，更薄的高强度钢板在汽车钣金件中的应用越来越多，已成为一大趋势，在车门外板采用高强板后，会导致外板变软，从而引发板材局部刚度不足等一系列问题。
对于汽车外覆盖件在承受外部载荷作用下，抵抗凹陷屈曲和局部凹痕变形的能力称为抗凹性。解决好覆盖件的抗凹性能，对提高整车综合性能非常重要，而对车门外板等覆盖件进行抗凹性数值模拟分析，对预测和评价板材的抗凹性具有重要意义。
抗凹性一般可从抗凹刚度、抗凹稳定性、残余变形三个方面来评价。(1)抗凹刚度是指覆盖件抵抗凹陷挠曲的变形能力，在前期设计阶段可用以下方法来检验评估：(a）一定外载荷F 作用是产生的凹陷挠曲位移D 大小； (b)产生一定凹陷挠曲位移D 时的外载荷F 的大小；(c)外载荷作用时的“位移－载荷”曲线的斜率值；(2)当外载荷达到一定程度，载荷不变或是稍有变化时，抵抗弹性变形的能力突然丧失，发生失稳现象。这种现象称为“油壶效应”（oil canning），表现为“大通过”和“急回转”现象，可由抗凹稳定性来评估；(3)残余变形是指在外载荷去除后，在样件上面留下永久凹痕变形，反映了抵抗凹陷的塑性变形能力。 2 2 抗凹性仿真分析抗凹性仿真分析抗凹性仿真分析
抗凹性分析一般涉及到了材料的非线性与边界非线性（接触）问题。本文以HyperWorks 为前、后处理器，以Abaqus/standard 为求解器，对某车侧门进行静态凹痕变形过程的数值模拟分析，以检验车门材料及结构的合理性。
2.1 2.1 有限元模型建立有限元模型建立有限元模型建立
建立有限元模型时，车门外板、内板及其他附件均采用壳单元模拟。基本单元尺寸10mm，
北汽福田汽车
控制三角形单元所占的比例小于5%，单元翘曲小于10o ，对于涉及接触的关键区域进行局部细化网格，基本尺寸2.5mm，所涉及到加载用的刚性小球采用离散刚体进行模拟。对于所用材料，车门外板材料采用弹塑性材料模拟，并根据材料的应力－应变关系详细定义材料应力－应变曲线，除此之外，对于车门其它件的材料，只将其设为线弹性材料。分析中，采用单位制为：长度－mm、力－N、时间－s。建立车门的有限元模型如下图所示：
图1-1 车门有限元模型
2.2 2.2 接触定义与边界条件的施加接触定义与边界条件的施加接触定义与边界条件的施加：：
分析时，是以一直径25mm 的刚性球对车门表面对关键区域加载，通过非线性分析，考察车门外板的抗凹性。其中，对于关键点的选取，可通过两种方法确定：一是对车门进行模态计算，出车门外板相对刚度较弱的若干个区域，进而在这些区域进行分析计算；二是在外板施加一均布载荷，从而计算得到位移变化较大得区域，以此作为加载区域。本文通过第二种方法确定关键区域，图1显示车门外板相对薄弱的3个点。
在计算过程中，采用基于网格的接触单元来模拟接触，为满足主面（master surface）及从面（slave surface）定义的要求，选择刚性球球面作为主面，车门外板为从面来创建接触对，其中，主、从面法线方向须相对。
总的边界条件是，约束车门铰链处所有自由度，约束小球刚体关联点处除y 向平动以外的所用自由度，以消除刚体位移，此外为了使模型计算容易收敛，采用多步骤加载方法：
第一个分析步：在钢球刚体关联点施加一个很小的力（1N）或y 向强制位移（根据实际情况确定），使得接触平稳的建立起来。本文采用施加1N 的力。
第二个分析步：在刚体关联点上施加真实载荷。
第三个分析步：卸载。
2.3 2.3 计算结果计算结果：
对于计算结果，本文通过考察关键区域处位移－载荷曲线、最大位移以及残余变形三个方面来评估车门抗凹性。
针对所选三个关键区域进行加载、卸载过程后，得到了这三个区域处的最大位移、残余变形以及位移－载荷曲线。数据结果如表1所示，而图2－1～2－3显示了这三个关键区域的位移－载荷曲线，其中红实线为加载曲线，蓝虚线为卸载曲线。
表1 三个关键区域最大位移与残余变形
图2－1 点1处位位移－载荷曲线  图2－2点2处位移－载荷曲线  图2－3 点3处位移－载荷曲线      通过以上计算结果可以看出，在这三个点处，曲线加载到一定值时，并没有负刚度出现，即没有出现载荷下降、变形增加的现象，也就是说没有出现“油壶效应”现象，由此说明此车门结构的抗凹稳定性良好，满足要求；同时，在这三个点中，最薄弱的点2处最大位移6.26mm，残余变形0.14mm，均在允许范围之内。综上所述，此车门抗凹性满足设计要求。
3 3 结语结语结语
本文通过数值模拟方法，基于hyperworks 和abaqus 软件，模拟了汽车车门外板静态凹痕变形过程，得到位移－载荷曲线，并对车门进行了抗凹性分析，数据表明此车门满足设计和使用要求。
汽车覆盖件及板材，包括车门、发动机罩盖板、行李仓盖等开闭件外板均可利用加载后得到的位移－载荷曲线来确定其抗凹性是否满足设计要求，之后可通过改变材料、增加料厚及添加加强件等方法更改结构不满足要求的地方，综合优化，以使其满足设计要求。
参考文献：
[1] 魏树森. 汽车开闭件屈曲、抗凹分析研究[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版），2007（12）：136-138.
[2] 王志亮，刘波，王淑英. 汽车大板件抗凹陷型分析方法研究[J]. 机械设计与制造，2008（4）：138-139.
[3] 张毅，李东升，周贤宾. 双曲扁壳覆盖件件静态抗凹性数值模拟研究[J].塑性工程学报，2003（6）：34－37.
[4] 石亦平，周玉蓉. ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.6.
[5] HyperWorks Help
作者简介作者简介：：
陈学峰（1985.5－ ），毕业于长安大学，系2008届车辆工程专业本科毕业生，现供职于北汽福田汽车股份有限公司工程研究院性能开发二部，从事可靠性&耐久性CAE分析工作。Email：chenxuefeng@foton  本文属于汽车本文属于汽车、、交通运输专题类 加载区域
1    2    3 最大位移（mm）
5.924
6.256    4.529 残余变形（mm） 0.1 0.135 0.082