论文部分内容阅读
【关键词】汽车顶盖;抗凹性能;油罐;抗凹试验;数值仿真
【中图分类号】U463.83 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）07-0040-04
0 引言
汽车覆盖件在外力作用下抵抗变形的能力称为抗凹性能[1]。申秋燕等人[2]基于薄壁理论对汽车顶盖的抗凹性能进行优化，并利用有限元仿真分析手段验证了优化结果。韦东明等人[3]则系统地分析了顶盖弧度、加强筋、钣金件厚度及横梁间距对汽车顶盖抗凹性能的影响，并提出提高顶盖抗凹性能的方法。刘瑜等人[1]基于国标和企标的典型评价准则提出了适用于仿真分析的汽车顶盖抗凹性能分析方法，为顶盖抗凹性能分析提供参考。肖志等人[4]利用Abques对碳纤维汽车顶盖的抗凹性能进行分析，结果表明顶盖抗凹性能满足设计要求。武蕾等人[5]建立了钢板抗凹力学性能模型，并基于数值仿真分析方法分析了汽车覆盖件的抗凹性能。
油罐效应是衡量车身覆盖件动态抗凹性能的一项关键指标，预测油罐效应对于车身覆盖件的抗凹性能设计具有重要意义[1]。上述研究主要基于试验与仿真手段研究车身覆盖件的抗凹性能，未能通过数值仿真分析手段对汽车顶盖油罐效应进行预测仿真分析。本文通过正交试验设计法，识别影响顶盖抗凹性能的关键因素。利用数值仿真分析手段分析汽车顶盖抗凹性能，能够在汽车顶盖的前期概念设计阶段较为准确地预测出油罐效应，对汽车顶盖抗凹性能设计具有重要参考意义。
1 抗凹性能评价指标
抗凹性能指标主要分为静态性能指标和动态性能指标。静态性能指标指的是覆盖件的初始刚度，衡量覆盖件初始抵抗变形的能力。载荷位移曲线上可用曲线初始斜率表示（如图1所示）。动态性能指标衡量的是覆盖件在外力作用下抵抗失稳的能力。载荷位移曲线上表现为“大通过”或“急转现象”，即在很小的作用力下，出现大位移或者作用力急剧下降。我们称这种现象为“油罐效应”（如图1所示）。
2 关键参数识别与仿真模型修正
汽车顶盖作为一个系统部件，由很多结构件组成。影响顶盖抗凹性能的因素除了顶盖横梁结构、位置等，还需要考虑制造工艺对其抗凹性能的影响。因此，如何识别关键参数对顶盖数值仿真模型搭建、提高仿真模型精度至关重要。本文对顶盖外板厚度、顶盖与侧围焊接厚度、侧围外板厚度等5个因素（如图2所示）进行正交试验法分析，其中每个因素2个水平，以油罐载荷误差为目标，共进行8次实验。利用Latin软件对实验结果数据进行极差、方差及贡献率计算分析[6]。
分析结果表明，顶盖外板厚度和激光焊接厚度对顶盖抗凹性能影响很大。为了将制造工艺误差考虑到数值仿真模型中，要考虑冲压工艺导致的钣金减薄问题及顶盖激光焊缝的厚度。图3是顶盖外板不同位置的实际测量厚度，可以看出各点厚度相对设计值0.7 mm发生了一定的减薄。因此，顶盖外板仿真模型用测量的平均值，即0.619 mm。同理，将测量焊缝位置的实际值与设计值比较，将实际测量值输入仿真模型中，对仿真模型输入参数进行修正。
3 汽车顶盖抗凹性能分析与验证
首先，对汽车顶盖进行抗凹性能试验，选择顶盖区域中易发生的油罐点，一共17个测量点（如图4所示）。利用汽车零部件局部刚度试验机进行加载测试，加载方向垂直于钣金件，加载速度恒定为5 mm/min。依次对不同加载点进行测试，获取相应的力-位移曲线。
其次，基于Hypermesh软件建立顶盖部件数值仿真模型，同时考虑制造工艺误差。数值仿真模型如图5所示，测点数量、位置及加载工况与试验保持一致。
最后，利用Abques软件求解数值仿真模型，获取不同加载位置的力-位移曲线，并与试验结果进行对比（如图6所示）。可以看到，所建立的仿真力-位移曲线在初始弹性阶段和试验曲线的一致性较好，这表明所建立的数值仿真模型能够较准确地反映顶盖初始刚度。仿真结果中点4、点13、点16 和点17出现油罐现象，与试验出现油罐的加载点位置一致。同时，油罐点的仿真载荷值与试验载荷值的最大误差为21.5%，满足工程仿真误差要求（25%以内），油罐点的载荷仿真值与實测值误差见表1。
综上分析我们认为，所建立的顶盖数值仿真模型能够准确地模拟顶盖初始刚度性能，同时能够成功预测出油罐点和油罐载荷值。该数值模型可以用于后续的顶盖抗凹性能分析和抗凹性能的结构优化设计。
4 结论
本文利用数值仿真分析手段对汽车顶盖进行了抗凹分析，基于正交试验法识别影响抗凹性能的关键参数，建立考虑制造工艺误差的数值仿真模型。将仿真分析结果与试验结果进行对比，验证了数值仿真模型的准确性。同时，本文建立的数值仿真模型成功模拟出汽车顶盖油罐效应，对后续汽车顶盖抗凹设计具有重要指导意义。
参 考 文 献
[1]刘瑜，刘子建.车顶覆盖件抗凹和抗雪压性能分析与评价[J].汽车工程，2017（11）：1305-1309.
[2]申秋燕，梁小妮，潘能贵.基于薄板理论的汽车顶盖性能研究[J].企业科技与发展，2014（11）：61-63.
[3]韦东明，张虎城，周晓明.顶盖抗凹性能影响因素及提升方法[J].企业科技与发展，2015（8）：61-62.
[4]肖志，杜庆勇，莫富灏，等.基于ABAQUS的碳纤维顶盖雪压及抗凹性能分析[C].厦门：湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室会议论文集，2015.
[5]武蕾，吴其龙.基于abaqus的轿车外覆盖件抗凹性有限元分析[J].三明学院学报，2019，140（6）：49-54.
[6]王敏华.统计质量控制[M].北京：中国标准出版社，中国质检出版社，2014.
【中图分类号】U463.83 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）07-0040-04
0 引言
汽车覆盖件在外力作用下抵抗变形的能力称为抗凹性能[1]。申秋燕等人[2]基于薄壁理论对汽车顶盖的抗凹性能进行优化，并利用有限元仿真分析手段验证了优化结果。韦东明等人[3]则系统地分析了顶盖弧度、加强筋、钣金件厚度及横梁间距对汽车顶盖抗凹性能的影响，并提出提高顶盖抗凹性能的方法。刘瑜等人[1]基于国标和企标的典型评价准则提出了适用于仿真分析的汽车顶盖抗凹性能分析方法，为顶盖抗凹性能分析提供参考。肖志等人[4]利用Abques对碳纤维汽车顶盖的抗凹性能进行分析，结果表明顶盖抗凹性能满足设计要求。武蕾等人[5]建立了钢板抗凹力学性能模型，并基于数值仿真分析方法分析了汽车覆盖件的抗凹性能。
油罐效应是衡量车身覆盖件动态抗凹性能的一项关键指标，预测油罐效应对于车身覆盖件的抗凹性能设计具有重要意义[1]。上述研究主要基于试验与仿真手段研究车身覆盖件的抗凹性能，未能通过数值仿真分析手段对汽车顶盖油罐效应进行预测仿真分析。本文通过正交试验设计法，识别影响顶盖抗凹性能的关键因素。利用数值仿真分析手段分析汽车顶盖抗凹性能，能够在汽车顶盖的前期概念设计阶段较为准确地预测出油罐效应，对汽车顶盖抗凹性能设计具有重要参考意义。
1 抗凹性能评价指标
抗凹性能指标主要分为静态性能指标和动态性能指标。静态性能指标指的是覆盖件的初始刚度，衡量覆盖件初始抵抗变形的能力。载荷位移曲线上可用曲线初始斜率表示（如图1所示）。动态性能指标衡量的是覆盖件在外力作用下抵抗失稳的能力。载荷位移曲线上表现为“大通过”或“急转现象”，即在很小的作用力下，出现大位移或者作用力急剧下降。我们称这种现象为“油罐效应”（如图1所示）。
2 关键参数识别与仿真模型修正
汽车顶盖作为一个系统部件，由很多结构件组成。影响顶盖抗凹性能的因素除了顶盖横梁结构、位置等，还需要考虑制造工艺对其抗凹性能的影响。因此，如何识别关键参数对顶盖数值仿真模型搭建、提高仿真模型精度至关重要。本文对顶盖外板厚度、顶盖与侧围焊接厚度、侧围外板厚度等5个因素（如图2所示）进行正交试验法分析，其中每个因素2个水平，以油罐载荷误差为目标，共进行8次实验。利用Latin软件对实验结果数据进行极差、方差及贡献率计算分析[6]。
分析结果表明，顶盖外板厚度和激光焊接厚度对顶盖抗凹性能影响很大。为了将制造工艺误差考虑到数值仿真模型中，要考虑冲压工艺导致的钣金减薄问题及顶盖激光焊缝的厚度。图3是顶盖外板不同位置的实际测量厚度，可以看出各点厚度相对设计值0.7 mm发生了一定的减薄。因此，顶盖外板仿真模型用测量的平均值，即0.619 mm。同理，将测量焊缝位置的实际值与设计值比较，将实际测量值输入仿真模型中，对仿真模型输入参数进行修正。
3 汽车顶盖抗凹性能分析与验证
首先，对汽车顶盖进行抗凹性能试验，选择顶盖区域中易发生的油罐点，一共17个测量点（如图4所示）。利用汽车零部件局部刚度试验机进行加载测试，加载方向垂直于钣金件，加载速度恒定为5 mm/min。依次对不同加载点进行测试，获取相应的力-位移曲线。
其次，基于Hypermesh软件建立顶盖部件数值仿真模型，同时考虑制造工艺误差。数值仿真模型如图5所示，测点数量、位置及加载工况与试验保持一致。
最后，利用Abques软件求解数值仿真模型，获取不同加载位置的力-位移曲线，并与试验结果进行对比（如图6所示）。可以看到，所建立的仿真力-位移曲线在初始弹性阶段和试验曲线的一致性较好，这表明所建立的数值仿真模型能够较准确地反映顶盖初始刚度。仿真结果中点4、点13、点16 和点17出现油罐现象，与试验出现油罐的加载点位置一致。同时，油罐点的仿真载荷值与试验载荷值的最大误差为21.5%，满足工程仿真误差要求（25%以内），油罐点的载荷仿真值与實测值误差见表1。
综上分析我们认为，所建立的顶盖数值仿真模型能够准确地模拟顶盖初始刚度性能，同时能够成功预测出油罐点和油罐载荷值。该数值模型可以用于后续的顶盖抗凹性能分析和抗凹性能的结构优化设计。
4 结论
本文利用数值仿真分析手段对汽车顶盖进行了抗凹分析，基于正交试验法识别影响抗凹性能的关键参数，建立考虑制造工艺误差的数值仿真模型。将仿真分析结果与试验结果进行对比，验证了数值仿真模型的准确性。同时，本文建立的数值仿真模型成功模拟出汽车顶盖油罐效应，对后续汽车顶盖抗凹设计具有重要指导意义。
参 考 文 献
[1]刘瑜，刘子建.车顶覆盖件抗凹和抗雪压性能分析与评价[J].汽车工程，2017（11）：1305-1309.
[2]申秋燕，梁小妮，潘能贵.基于薄板理论的汽车顶盖性能研究[J].企业科技与发展，2014（11）：61-63.
[3]韦东明，张虎城，周晓明.顶盖抗凹性能影响因素及提升方法[J].企业科技与发展，2015（8）：61-62.
[4]肖志，杜庆勇，莫富灏，等.基于ABAQUS的碳纤维顶盖雪压及抗凹性能分析[C].厦门：湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室会议论文集，2015.
[5]武蕾，吴其龙.基于abaqus的轿车外覆盖件抗凹性有限元分析[J].三明学院学报，2019，140（6）：49-54.
[6]王敏华.统计质量控制[M].北京：中国标准出版社，中国质检出版社，2014.