CAE之汽車塑料翼子板抗凹性分析

 翼子板是汽車車身上安裝的重要大型外覆蓋件，對汽車的整體造型、工藝及剛度強度性能均有很高的要求。翼子板通常與側圍A柱、發(fā)動機蓋、前大燈、前保險杠、雨刮蓋板以及擋泥板等進行搭接，使得整個翼子板的安裝結構設計復雜，通常有7個左右安裝點。翼子板是影響整車外觀效果的重要區(qū)域，其與周邊連接件的間隙段差要求也很高，所以翼子板必須具有足夠的剛度，使其在日常使用中能夠很好的保持零件形狀。同時，從碰撞安全和行人保護的角度考慮，翼子板義不能過硬，避免低速碰撞時對行人產(chǎn)生較大的傷害。這些要求綜合起來，就使得翼子板的結構往往設計的非常復雜。

 傳統(tǒng)汽車翼子板采用薄鋼板沖壓而成，由于結構復雜其沖壓工序通常有6個甚至更多的工序，沖壓成型和修邊工藝復雜，模具成本較高。相比而言，采用塑料件制造翼子板則能很好的解決這些問題，而且塑料件具有模具少、重量輕、強度低（碰撞時對人傷害?。┑蕊@著的優(yōu)點。當前，世界汽車新技術主要向輕量化、節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。有研究表明，汽車自重每減少10%，燃油的消耗可降低6%～8%。采用塑料翼子板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬翼子板，是一種發(fā)展趨勢。目前國外很多主機廠逐漸使用了塑料翼子板的新技術來代替鋼板沖壓翼子板，如路虎、梅賽德斯奔馳，阿爾法·羅密歐、雷諾、標致、日產(chǎn)等都有車型在使用。

 翼子板等外覆蓋件的一個重要性能評價指標就是抗凹性。關于汽車外覆蓋抗凹性，技術人員進行了大量研究。李東升等研究了汽車金屬覆蓋件的抗凹性指標的基本理論，認為抗凹剛度K是評價抗凹性的主要指標。但是，論文中沒有提到外板抗凹時可能發(fā)生“屈曲”的特征。刑志遠研究了汽車引擎蓋的抗凹剛度；趙世宜等研究了貨車車門外板的抗凹性；黃湛等研究了微型客車覆蓋件的抗凹性。這些研究都是基于金屬鈑金件外板的抗凹分析，關于塑料件的抗凹性并沒有涉及。

 本文采用ABAQUS隱式分析模塊。建立某B級轎車塑料翼子板的有限元模型，分析其抗凹性，為塑料翼子板的性能開發(fā)提供參考。

1、抗凹性基本理論

 車身外覆蓋件屬于雙曲度扁殼類結構。汽車翼子板由多個安裝點固定于車身，其抗凹性問題屬于扁殼受橫向載荷的變形及穩(wěn)定性問題。根據(jù)板殼理論，雙曲度扁殼在承受外載荷為q時，取局部微曲面，有下列基本微分方程：

 為所考察微面附近曲率。

 仿照彈性力學中求解平面問題的方法，通過應力函數(shù)φ（x，y）表示的所考察微面的薄膜內(nèi)力關系式為：

 微面內(nèi)的彎曲內(nèi)力可由下式求得：

 由基本微分方程組（1）解得應力函數(shù)φ（x，y）和位移函數(shù)∞（x，y），然后代入到方程組（2）和（3），即可由ψ（x，y）求解薄膜內(nèi)力，由∞（x，y）求解彎曲內(nèi)力。

 2、抗凹性評價方法

 （1）線性指標

 當車身外板承受較小載荷時，其發(fā)生凹陷位移∞和外載荷q之間存在線性關系，此時將外板抵抗凹陷撓曲變形的能力稱之為抗凹剛度。如圖1所示，是某轎車翼子板抗凹試驗曲線，從圖中可看出，在施加外載荷小于100N時，載荷一位移曲線基本上是線性的。在線性范圍內(nèi)，當外載荷撤銷時，車身覆蓋件外板恢復為初始狀態(tài)?？拱紕偠仁欠从骋碜影逍阅艿闹匾笜酥弧?/span>

 在設計和生產(chǎn)實踐中，對于靜態(tài)指標的評價，通常是通過在外板施加一個特定的載荷，然后測試對應的位移來考察。如果產(chǎn)生的位移在目標值內(nèi)，即認為抗凹剛度滿足設計要求，反之亦然。對于此性能的檢驗，尚沒有統(tǒng)一的標準。比如，福特汽車公司設計部門的車身外覆蓋件檢驗要求是：在施加90N集中力作用下，外板的位移不超過3mm為合格。

圖1抗凹試驗“載荷一位移”曲線1

 法國雷諾公司則建議，汽車外板在承受lOdN作用下，位移不超過lOmm即滿足設計要求。

 （2）非線性指標

 如圖2所示，載荷在100N以內(nèi)時，抗凹曲線基本上是線性的。當外載荷繼續(xù)增大時，曲線變化表現(xiàn)為非線性，而且當載荷超過某一個臨界值后，出現(xiàn)“外載荷不變或者微小變化時，結構位移響應急劇增大”的屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖2抗凹試驗“載荷一位移”曲線2

 對于屈曲失穩(wěn)問題，在性能設計中，通常有三個方面的要求：

 a、要求其臨界值大于特定的載荷；

 b、要求屈曲失穩(wěn)的范圍越小越好；

 c、要求卸載后，考察點的殘余位移小于指定目標值。

 3、塑料翼子板抗凹性分析

 （1）有限元模型及邊界條件

 某B級轎車翼子板由于造型需要，其前端有較尖銳的結構，如果采用金屬件不易成型，同時結合整車輕量化的設計原則，決定使用塑料翼子板。該翼子板采用Online工藝，原材料為PA+PPO。與鋼相比，整個翼子板重量減少50%。材料參數(shù)見表1所示。

表1材料參數(shù)表

 建立翼子板有限元模型，有限元網(wǎng)格采用ShadedElements顯示。如圖3所示，點P1～P4為抗凹分析的考察點。由于此翼子板是塑料件，與金屬件的建模略有不同，主要進行了如下處理：

 a、盡管塑料翼子板厚度達到2.8mm，遠小于翼子板的尺寸，仍適合采用殼單元劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格平均尺寸設置為lOmm左右；

 b、在翼子板與車身安裝點處，注塑時使其厚度增加，較翼子板主體增厚。建模時，應將增厚的部分單獨設置屬性，使其厚度與實際零件尺寸保持一致；

 c、7個安裝點為約束點，這些位置的局部網(wǎng)格應細化，網(wǎng)格尺寸平均大小為5mm。邊界條件如圖4所示。

圖3翼子板模型及考察點編號

圖4翼子板抗凹分析邊界條件

 （2）翼子抗凹數(shù)值分析

 采用ABAQUS分析塑料翼子板的抗凹性能，材料拉伸曲線采用試驗的方式獲得。利用壓頭在圖3所示的P1～P4點位置，分別單獨施加載荷，方向垂直于翼子板表面，載荷大小由O逐漸增大到200N。壓頭模型見圖5所示，整個壓頭是一空心圓筒狀結構，壓頭頭部帶有圓角過度。圓筒采用殼單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為8mm。分析過程將壓頭整體定義為剛體，剛體參考點設置在壓頭的幾何中心。ABAQUS中的關鍵字為：*RIGIDBODY，REFNODE=NODE-NUMBER，ELSET=COMPONENT-NAME。其中，“NODE-NUMBER”為剛體參考點節(jié)點編號，即壓頭兒何中心點的節(jié)點編號。“COMPONENT-NAME”為壓頭本體所在單元集合的名稱。

圖5壓頭模型示意圖

 在壓頭頭部表面和翼子板外表面之間定義接觸關系。由于壓頭定義為剛體較硬，為使分析過程更易收斂，故將其設置為主面（MASTERSURFACE），將翼子板外表面設為從面（SLAVESURFACE）。分析開始時，將壓頭調整到與外邊面之間較小距離的位置，便于快速建立接觸關系，根據(jù)工程經(jīng)驗此距離通常為0.5mm。

 對于每一個考察點的分析均采用兩個分析步：第一步，在壓頭上施加大小為1N的載荷，使壓頭與翼子板外表面之間建立接觸關系；

 第二步，施加大小為199N載荷，定義加載曲線為三角波，載荷由1N逐漸增大到199N，然后卸載。

 （3）結果分析

 分析完成后，將*.odb文件導入到ABAQUS/CAE中讀取載荷時間歷程。P1～P4點加載過程“載荷一位移”曲線見圖6所示，從圖中可見，塑料翼子板在100N載荷作用下位移均在5mm以內(nèi)，且200N范圍內(nèi)未發(fā)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，符合設計要求。

 P3點是位移最大的區(qū)域，進行重點分析。圖7～9分別是其“加載一卸載”曲線、應力云圖及等效塑性應變云圖。由圖7可見卸載曲線與加載曲線幾乎重合，沒有殘余位移。從圖8可見，翼子板最大應力為37MPa，小于材料彎曲強度，且圖9中顯示P3區(qū)域未發(fā)生塑性變形?？梢?，在200N載荷范圍內(nèi)塑料翼子板載荷消除后，其表面可恢復至初始狀態(tài)。

圖6仿真分析結果“載荷一位移”曲線

圖7考察點P3區(qū)域“加載一卸載”曲線

圖8考察點P3區(qū)域應力云圖（單位：MPa）

圖9考察點P3區(qū)域等效塑性應變云圖

 4、結語

 （1）采用塑料翼子板的技術，可以制造一些金屬件不易成型的結構，使工程設計對于造型的限制大幅減小。

 （2）結構相同的情況下，塑料翼子板可實現(xiàn)減重50%的效果，同時能夠滿足抗凹性能目標。

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