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1、第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 302 车身顶盖车身顶盖车身顶盖车身顶盖外板外板外板外板的局部凹痕抗力分析的局部凹痕抗力分析的局部凹痕抗力分析的局部凹痕抗力分析 杨月1 陈学峰1 刘立萍1 杨军2 1.北汽福田汽车工程研究院 北京 102206 2.中国寰球工程公司采购中心 北京 100101 摘摘摘摘 要要要要：采用 Abaqus 隐式求解方法，对石子和冰雹等外界冲击载荷作用下的车身顶盖外板局部凹痕抗力进行接触分析。考察点为模态计算确定的顶盖外板薄弱部位，接触过程顶盖外板的最大变形和残余变形是考察凹痕抗力的主要参量。有限元方法可以很好地预测和评定车身顶盖外板的局部凹痕抗力，并为优
2、化结构设计提供理论依据。关键词关键词关键词关键词：局部凹痕抗力，车身顶盖外板，接触分析，有限元法 1 1 1 1 引言引言引言引言 车身覆盖件的表面质量是影响车身性能的一项重要指标和特性。车身覆盖件在使用过程中，常常会受到外界载荷的作用，如人为触摸和按压、积雪等静态载荷，以及行进过程中石子和冰雹等的冲击载荷。另该，车身覆盖件通常都具有大尺寸和大曲率的特点，很容易在上述载荷作用下发生凹陷挠曲，甚至发生永久性变形。在汽车制造领域把覆盖件抵抗这种局部小范围内塑性变形的能力称为局部凹痕抗力（Denting Resistance），它是反映覆盖件使用性能的重要特性抗凹性（包括抗凹刚度、抗凹稳定性和局部凹
3、痕抗力）的重要内容之一1。根据外载荷作用的特点，局部凹痕抗力分为2静态局部凹痕抗力（Static Denting Resistance）和动态局部凹痕抗力（Dynamic Denting Resistance）。随着金属板材制造业的发展，高强度薄钢板在汽车车身上的应用已经很普遍。由于高强度薄板钢板的使用，可使车身板厚由 1.01.2mm 减到 0.70.8mm，甚至 0.60.7mm，从而使车身重量减少 1520%，节油 815%1。但降重也使车身在使用过程中的抗凹刚度和局部凹痕抗力问题突现出来。因此，车身覆盖件在投入大批量生产之前，要对其表面局部凹痕抗力进行试验研究。随着当前 CAE 仿真技
4、术的快速发展，局部凹痕抗力的仿真模拟称为现实，不仅节省了大量的人力和物力，同时为快速实现结构优化提供可能。2 2 2 2 车身覆盖件车身覆盖件车身覆盖件车身覆盖件抗凹性检验方法和评价指标抗凹性检验方法和评价指标抗凹性检验方法和评价指标抗凹性检验方法和评价指标 在设计和生产中，覆盖件局部凹痕抗力一般以一定载荷作用下产生的凹陷位移作为检验依据。如果凹陷位移小于检验的位移水平，则认为材料的抗凹性合格。对于允许凹陷位移和载荷的关系，目前国际上还没有统一的标准。例如，某欧洲汽车公司的设计标准为：在 400N载荷作用下的凹陷位移不超过 10mm，即为合格3；而某美国汽车公司的设计标准为：一个 2.5英寸的
5、半球，在 130N 的压力作用下使车身覆盖件不产生超过 6mm 的最大位移且残余变形小于 0.1mm，即为合格。而本文的表面局部凹痕抗力分析采用的设计标准是：直径为 25mm 的刚性球体，在关键区域上施加 159N 的压力，考察车身覆盖件的最大变形不超过 6.35mm，残余变形小于 0.1mm。第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 303 3 3 3 3 车身顶盖外板局部凹痕抗力有限元分析车身顶盖外板局部凹痕抗力有限元分析车身顶盖外板局部凹痕抗力有限元分析车身顶盖外板局部凹痕抗力有限元分析 3.1 3.1 3.1 3.1 车身顶盖外板有限元模型车身顶盖外板有限元模型车身顶盖外板有限元模型
6、车身顶盖外板有限元模型 局部凹痕抗力有限元分析属于材料非线性和几何非线性分析。本文采用 Hypermesh 作为前处理软件，对模型进行网格划分和接触边界条件的定义，采用 Abaqus 软件作为求解器进行隐式求解。模型截取带有顶盖的车身局部进行网格划分，钣金件一般采用 4 节点壳单元，单元尺寸控制在 10mm 左右，控制三角形单元所占的比例小于 5%，单元翘曲小于 10o。其局部有限元模型及考察的局部位置如图 1、2 所示。图 1 某车顶盖局部有限元模型 图 2 考察点位置 应力应变曲线05010015020025030035040045050000.10.20.30.40.50.6应变%应力（
7、MPa）图 3 材料的塑性曲线 车身顶盖材料的拉伸曲线如图 3 所示。与车身连接部位的节点约束 6 个自由度，刚性球体约束除加载方向以外的移动自由度，同时进行接触对的定义和输出设置。3.2 3.2 3.2 3.2 车身顶盖外板接触分析车身顶盖外板接触分析车身顶盖外板接触分析车身顶盖外板接触分析 刚性球体对于车身顶盖的压力作用是在考察点位置沿外板曲面法向从 0 逐渐加载到 159N后卸载，查看考察点载荷随位移的变化关系。采用 HyperView 进行结果后处理。图 4 为各个考察点的载荷位移曲线。7 个位置的计算结果如表 1 所示。点 1 点 2 第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 30
8、4 点 3 点 4 点 5 点 6 点 7 图 4 加载-卸载曲线 表 1 各点模拟计算结果 位置序号 最大变形量（mm）残余变形量（mm）是否合格 1 6.896 0.1058 不合格 2 4.767 0.0836 合格 3 5.221 0.1204 不合格 4 4.822 0.1126 不合格 5 6.414 0.1223 不合格 6 6.803 0.1 不合格 7 6.407 0.1447 不合格 从表 1 列出的计算结果可见，该车身顶盖的局部凹痕抗力性能较差，必须从优化结构、第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 305 增加材料板厚或者提高材料性能等方面进行改进，达到优化顶盖局部
9、凹痕抗力的目的。4 4 4 4 结论结论结论结论 （1）采用 Abaqus 隐式求解方法，对石子和冰雹等外界冲击载荷作用下的车身顶盖外板局部凹痕抗力进行接触分析，得到加载-卸载位移曲线、载荷-残余凹痕深度曲线，有限元分析结果显示该车身顶盖的抗凹性能不能满足要求。（2）该车身顶盖的局部凹痕抗力性能较差，必须从优化结构设计、增加材料板厚或者提高材料性能等方面进行改进，以达到提高抗凹性能的目的。参考文献参考文献参考文献参考文献：1 李东升.汽车板材抗凹性试验方法及数值模拟研究，北京航空航天大学博士后出站报告。2 Ming F.Shi,Stephen J.Zurdosky,Dynamics dent
10、resistance performance of steels and aluminum,SAS,1993.3 黄湛,乐玉汉等.客车覆盖件抗凹性有限元分析与研究J,城市车辆,2009.1.作者简介作者简介作者简介作者简介：杨月（1977），女，辽宁锦州人，2009 年 1 月毕业于北京交通大学车辆工程专业，获工学博士学位。博士论文研究方向为轨道车辆制动盘热疲劳寿命分析。2009 年 3 月进入福田汽车工程研究院工作，所从事工作的研究方向为汽车整车及零部件的疲劳与耐久性分析。通讯方式：e-mail： 陈学峰（1985），男，甘肃武威人，2008 年 7 月毕业于长安大学车辆工程专业，获工学学士学位。研究方向：车辆 CAE 强度分析。职务：整车分析工程师。Email： 刘立萍（1963），女，山西人，山西人，1999 年 7 月毕业于北京理工大学，获工学硕士学位。研究方向：车辆疲劳与耐久性分析，高级工程师。Email： 杨三 1977），男，辽宁抚顺人，2005 年 7 月毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业，获工学硕士学位。职务：采买工程师。Email: 本论文属于本论文属于本论文属于本论文属于 CAE 专项技术应用探讨中的产品结构强度分析专项技术应用探讨中的产品结构强度分析专项技术应用探讨中的产品结构强度分析专项技术应用探讨中的产品结构强度分析。