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(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)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(jié)構(gòu)往往設(shè)計的非常復(fù)雜。

 傳統(tǒng)汽車翼子板采用薄鋼板沖壓而成，由于結(jié)構(gòu)復(fù)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(fù)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(dāng)前，世界汽車新技術(shù)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(shù)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(biāo)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(biāo)就是抗凹性。關(guān)于汽車外覆蓋抗凹性，技術(shù)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(biāo)的基本理論，認(rèn)為抗凹剛度K是評價抗凹性的主要指標(biāo)。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(yuǎn)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(guān)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(jié)構(gòu)。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(xué)中求解平面問題的方法，通過應(yīng)力函數(shù)φ（x，y）表示的所考察微面的薄膜內(nèi)力關(guān)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(yīng)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(biāo)

 當(dāng)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(guān)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(dāng)外載荷撤銷時，車身覆蓋件外板恢復(fù)為初始狀態(tài)?？拱紕偠仁欠从骋碜影逍阅艿闹匾笜?biāo)之一。

 在設(shè)計和生產(chǎn)實踐中，對于靜態(tài)指標(biāo)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(yīng)的位移來考察。如果產(chǎn)生的位移在目標(biāo)值內(nèi)，即認(rèn)為抗凹剛度滿足設(shè)計要求，反之亦然。對于此性能的檢驗，尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。比如，福特汽車公司設(shè)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(shè)計要求。

 （2）非線性指標(biāo)

 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(dāng)外載荷繼續(xù)增大時，曲線變化表現(xiàn)為非線性，而且當(dāng)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(jié)構(gòu)位移響應(yīng)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(shè)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(biāo)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(jié)構(gòu)，如果采用金屬件不易成型，同時結(jié)合整車輕量化的設(shè)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(yuǎn)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(shè)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(yīng)將增厚的部分單獨設(shè)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(yīng)細(xì)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(jié)構(gòu)，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(shè)置在壓頭的幾何中心。ABAQUS中的關(guān)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?！癈OMPONENT-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(guān)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(shè)置為主面（MASTERSURFACE），將翼子板外表面設(shè)為從面（SLAVESURFACE）。分析開始時，將壓頭調(diào)整到與外邊面之間較小距離的位置，便于快速建立接觸關(guān)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(guān)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(jié)果分析

 分析完成后，將*.odb文件導(dǎo)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(shè)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(yīng)力云圖及等效塑性應(yīng)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(yīng)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(fù)至初始狀態(tài)。

圖6仿真分析結(jié)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(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖9考察點P3區(qū)域等效塑性應(yīng)變云圖

 4、結(jié)語

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

 （2）結(jié)構(gòu)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(biāo)。

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