陳健，劉俊紅

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

車門屈曲抗凹性能提升方法研究

陳健，劉俊紅

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

文章以ABAQUS分析軟件為工作平臺，采用結構非線性屈曲分析方法，對車門的屈曲抗凹性能進行了深入研究，以計算獲得的最大位移、殘余位移以及塑性應變?yōu)榭疾鞂ο?，重點研究了外板厚度、外板材料、增強墊及增強支架對車門屈曲抗凹性能的影響，并得出有效結論。

車門；屈曲抗凹；性能提升；ABAQUS

前言

強度、剛度和穩(wěn)定性是保證部件正常工作的三個基本要求。汽車車門是車身主要的覆蓋件，它具有尺寸大和曲率大的特點，當外載荷達到一定程度時，車門很容易產(chǎn)生凹陷，甚至發(fā)生永久變形。這不僅影響汽車的美觀，甚至影響汽車的使用性能。因此，汽車車門外板抵抗局部小范圍變形的能力成為反映其使用性能的重要內容之一。在現(xiàn)代汽車設計中，車門的屈曲抗凹性能越來越受到重視。

對車門剛度和穩(wěn)定性進行評估，使用靜態(tài)分析方法和特征值屈曲分析法確定可能發(fā)生屈曲的部位，并對這些薄弱部位進行加載和卸載，根據(jù)分析結果與目標值的對比來評價車門的屈曲抗凹性能。

本文將以某轎車后車門為例，分別從后門外板厚度、外板材料、增強墊和增強支架四個方面，充分考察其對最大位移、殘余位移及塑性應變等屈曲抗凹性能指標的影響。

1 數(shù)值模型建立

車門屈曲抗凹分析是典型的結構非線性分析。結構非線性問題可以分三種類型：材料非線性、幾何非線性、邊界條件非線性。材料非線性即材料的應力應變關系為非線性，幾何非線性即位移的大小對結構的響應發(fā)生影響，包括大位移、大轉動、初始應力、幾何剛性化和突然翻轉等問題，邊界條件非線性，即邊界條件在分析過程中發(fā)生變化。接觸問題就是一種典型的邊界條件非線性問題。為保證分析的準確性，將充分考慮上述三種非線性因素。

1.1 網(wǎng)格劃分

采用 2D單元對后門進行網(wǎng)格劃分，單元類型為 S3和S4，平均網(wǎng)格尺寸為 10mm。鉸鏈部分采用3D實體單元進行劃分，網(wǎng)格類型為C3D8I和C3D6，平均網(wǎng)格尺寸為3mm，粘膠和增強墊部分采用3D實體單元進行劃分，網(wǎng)格類型為C3D8I，長度方向上平均網(wǎng)格尺寸為 10mm，如圖 1和圖 2所示。撞擊塊采用2D單元進行劃分，把其設為剛體，單元類型為 R3D3和 R4D4。為了保證分析精度，整個模型中三角形單元所占比例為3.2%。

圖1 鉸鏈網(wǎng)格劃分

圖2 增強墊網(wǎng)格劃分

1.2 材料屬性及連接方式

屈曲抗凹分析包含的材料類型主要有鈑金、粘膠和增強墊，其線性屬性定義如表1所示。

表1 材料線性屬性

并分別運用KINCOUP單元、SOLID+DCOUP3D單元、SOLID單元模擬二保焊和螺栓、點焊、粘膠。

1.3 邊界條件

把標準撞擊塊模型導入分析模型中，調整到加載位置處，并保證撞擊塊垂直于外板的切平面，撞擊塊設置為剛體模型，如圖3所示?？紤]外板材料的彈塑性影響，使用帶有非線性本構關系的大變形理論，在撞擊塊和外板之間建立無摩擦的接觸關系。約束鉸鏈和門鎖處的全部自由度，約束撞擊塊除垂直外板方向以外的自由度，在撞擊塊上施加400N的集中力，然后完全卸載，如圖4所示。

圖3 撞擊塊模型

圖4 后門有限元模型

2 屈曲抗凹性能分析

屈曲抗凹性能主要是對載荷加載到最大時外板的最大位移、卸載后的殘余變形以及塑性應變三個重點指標進行考察。屈曲抗凹性能隨著最大位移、殘余位移和塑性應變值的增加而下降。對于車門系統(tǒng)本身來講，經(jīng)分析驗證，車門內板、外板加強板、防撞桿等部件的變化對屈曲抗凹性能影響甚小，影響車門屈曲抗凹性能的因素主要包括外板厚度、外板材料。同時，增強墊、增強支架等常用的加強支撐結構也會影響到車門的屈曲抗凹性能。因此本文主要研究外板厚度、外板材料、增強墊以及增強支架對車門屈曲抗凹性能的影響。

2.1 外板厚度

車門外板厚度一般在0.65－0.8mm之間，針對常用的三種厚度車門外板0.65mm、0.7mm、0.8mm，進行屈曲抗凹性能對比分析，計算出位移載荷曲線如圖 5，對應的屈曲抗凹性能對比見表2。

圖5 三種外板厚度位移－載荷對比曲線

表2 三種外板厚度屈曲抗凹性能對比

依據(jù)表2分析結果可見，增加車門外板厚度，可以較好地提升屈曲抗凹性能中的最大位移和殘余變形性能指標，而對塑性應變的影響不大。在滿足塑性應變的前提下，增加外板厚度對最大位移的影響最大，此方案可以作為改善最大位移指標的首選方案。

2.2 外板材料

屈曲抗凹分析屬于典型的材料非線性分析，材料屬性必須包括材料的非線性部分，圖 6反映了在外板厚度均為0.7mm時，三種外板材料對應的位移載荷曲線，表4為其屈曲抗凹性能對比，三種材料的塑性屬性如表3所示。

表3 材料塑性屬性

圖6 三種外板材料位移－載荷對比曲線

由圖6可知，三種材料對應的位移－載荷曲線基本重合。表4表明，增強外板材料，能夠明顯降低殘余變形和塑性應變，而對最大位移影響較小。上述數(shù)據(jù)表明，增強外板材料在改善殘余變形和塑性應變上效果顯著。

表4 三種外板材料屈曲抗凹性能對比

2.3 增加增強墊

參照圖 7和圖 8，在加載點區(qū)域增加尺寸為 150mm×150mm×2mm的增強墊，分析其對屈曲抗凹性能的影響。

圖7 增強墊方案

圖8 增強墊有限元模型

圖9 增加增強墊前后位移－載荷對比曲線

表5 增加增強墊前后屈曲抗凹性能對比

在撞擊塊處粘貼增強墊，其對殘余變形和塑性應變的影響僅次于增強外板材料的方案。在實車驗證階段，考慮工藝、成本等方面的限制，改變外板材料來提升外板屈曲抗凹性能的幾率較小，在綜合統(tǒng)籌考慮情況下，采用增強墊不失為最佳方案。

2.4 增加增強支架

為考察增強支架對屈曲抗凹性能的影響，在撞擊塊處增加一“Z”字型支架，支架與外板間采用粘膠連接，如圖 10至圖11所示。

圖10 支架方案

圖11 支架有限元模型

圖12 增加支架前后位移－載荷對比曲線

表6 增加支架前后屈曲抗凹性能對比

在撞擊塊處增加“Z”字形支架，最大位移、殘余位移分別降低94.19%和91.30%，此時塑性應變完全消失?？梢?，增加支架對提高車門屈曲抗凹性能效果顯著。但在具體實施過程中，考慮到成本、支架布置空間及形面控制等因素，此方案較難實施，需要在造型設計階段統(tǒng)籌考慮空間布置，以免影響玻璃升降器、線束等空間布置和功能實現(xiàn)。

3 結論

本文針對某款轎車，定量分析外板板厚、材料及不同加強方案對屈曲抗凹性能的影響，通過有限元仿真，探討提升車門屈曲抗凹性能的具體實施方案，得出結論如下：

1）增加外板厚度是改善最大位移指標的首選方案；

2）增強外板材料在整車開發(fā)設計初期可以有效保證殘余變形和塑性應變；

3）在實車驗證階段，可采用增加增強墊的方式提升車門屈曲抗凹性能；

4）在條件允許的情況下，增加支架方案作為提升車門屈曲抗凹性能的備選方案。

上述結論為后續(xù)其它車型正向開發(fā)過程中確保車門屈曲抗凹性能滿足設計要求提供方法參考，不同車型可能略有差異，為后續(xù)拓展和深入研究提供方向。

[1] 劉俊紅,陶其銘,王長文. 轎車后備門外板屈曲數(shù)值仿真分析及優(yōu)化[M]. 合肥：合肥工業(yè)大學出版社,2010.

[2] 黃鵬程,張林波,張關良等. 屈曲分析在汽車開發(fā)中的應用[J].MSC.Software論文集,2007.

[3] 賈志中. 彈性穩(wěn)定[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社,1989.

[4] 莊茁,張帆,岑松.ABAQUS 非線性有限元分析與實例[M].北京：科學出版社, 2005.

[5] 郭乙木,陶偉明, 莊茁.線性與非線性有限元及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2003.

The Study of the Buckling and Denting Performance Improvement of the Doors

Chen Jian, Liu Junhong
（Echnological Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

Used the finite element program ABAQUS and based on the nonlinear buckling analysis method, the buckling and denting performance of the doors is researched. According to the maximum displacement, residual displacement and plastic strain, the influence of the outer panel thickness, outer panel material, reinforcement pad and reinforcement bracket are researched respectively. Some valuable conclusions are drawn.

Doors; Buckling&Denting; Performance Improvement; ABAQUS

CLC NO.: U463.82 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-04-03

U463.82 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-04-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.002

陳健 (1980-)，男，就職于安徽江淮汽車集團有限公司技術中心，底盤首席設計專家，主要從事底盤設計、先進技術研究，整車項目開發(fā)和管理。