轿车车身外覆盖件表面抗凹陷特性分析.doc

.轿车车身外覆盖件表面抗凹陷特性分析Car Body Panel Denting Resistance Analysis顾镭 徐有忠 高新华 王灿军(奇瑞汽车有限公司乘用车工程研究院)摘 要: 轿车车身外覆盖件表面刚性必须满足客户的使用要求。本文首先简要概述了国外有关研究成果；接着简单说明了表面缺陷与油罐效应的概念；然后以某轿车的发动机罩为例，阐述了应用LS-DYNA的显式求解器进行表面抗凹陷特性分析的过程；最后，将这种方法与隐式算法得到的计算结果进行简单对比。事实表明，采用该方法可有效分析轿车车身外覆盖件的表面抗凹陷特性。关键词: 抗凹陷分析 轿车车身 覆盖件 油罐效应 LS-DYNAAbstract: It is sure that Car body panel structure stiffness should be satisfied to customer usage requirement. This paper includes four phase. First, summary of research works in oversea. Secondly, introduce simply concepts of surface defect and oil canning. Thirdly, describes the process of utilizing LS-DYNA explicit solver to one car hood denting resistance analysis case. Finally, the results of this method and implicit arithmetic are compared. It is indicated in fact that this method is feasible and efficient to evaluate panel denting resistance.Key words: denting resistance analysis, car body, panel, oil canning, LS-DYNA1 概述轿车车身外表面的质量（光顺性与抗压能力）一直以来都是许多用户选购新车的重要的参考指标。对于汽车生产厂家来说，满足这种指标不仅要求造型工程师能设计出光顺、漂亮的外曲面，而且要求结构、材料、CAE工程师和工艺人员通力合作，从结构设计、材料选用以及生产制造上来确保实现。车身覆盖表面若选用强度高的材料,则加工成型很困难甚至工艺无法实现；而采用容易加工的材料,则制成的产品往往刚度差；若板料设计过厚，又会降低产品的经济性不好。因此，在新产品开发中必须对此作综合考虑。自上世纪六十年代以来，国外学者对材料的表面张力与成型性能进行了大量的研究工作，取得了丰富的成果：对冷轧钢板、高强度钢板以及铝合金材料的表面抗凹性能做了研究，还对覆盖件变形过程与机理进行了分析，提出了表面刚度计算的经验公式、材料成型理论、试验方法和装置1；文献5还特别分析了影响表面抗凹陷的几个主要因素：材料的屈服强度、表面曲率、料厚、支撑条件以及动态载荷的冲击速度等。近几年来，有限元工具在车身抗凹陷分析方面得到了广泛的应用，例如MSC.Nastran、LS-DYNA、ABAQUS等软件用于实现对车身表面在静态、准静态与动态抗凹陷过程分析与模拟。本文以某轿车发动机罩为例，阐述了应用LS-DYNA求解器，实现对车身覆盖件进行抗凹陷性能分析的过程。出于保密考虑，文中多处内容（包括图片）进行了人为处理。2 外覆盖件表面凹陷现象与质量要求轿车车身常见的表面缺陷（变形）有三种形式，即耳形塌陷、斜坡变形和张力松弛，经常出现的位置如图1所示。这些缺陷隐患处主要是加工成型中相对难以控制的部位。也是外覆盖件抗凹陷分析与检查的重要位置。在经济型车辆的外覆盖件中，最容易出现的就是张力松弛缺陷，直观地表现为表面质地发软，其根本原因就是表面的设计刚度不足。耳形塌陷斜坡变形张力松弛图1 车身表面变形的形式与区域（摘自文献5）图2 静力加载过程中多个刚度响应区段（摘自文献1）静态载荷作用过程中，覆盖件表面将表现三个明显的刚度响应阶段弹性区、塑性平滑区与硬化区。在从第一响应区向第二响应区过渡时，在特定情况下可能发生失稳现象油罐效应现象，即表现为载荷突然变小而出现大的滑移。这种失稳现象的刚度变化曲线如图3所示。节点A节点B非稳定区间载荷 (N)位 移 （mm）图3 刚度曲线与油罐效应在日常的使用中，例如洗车、受小石子打击等情况是不可避免的，因此设计中必须要求车身外覆盖件的表面能够承受一定的载荷（静态与动态载荷）而不发生大的变形。车身表面的抗凹陷特性也就需要满足以下条件：1）施加一定载荷时，如100N，不发生过大的变形，即表面抗凹陷刚度足够；2）卸载后残余变形小，具体表现为无明显的压痕；3）如果有油罐效应现象发生，失稳区间要尽量小。3 表面抗凹陷分析3.1 压头模型图4 压头模型示意图过去的研究中，压头（碰头）设计千差万别，形状、尺寸与材料都不尽相同：有弹性、刚性压头，也有球形、半球形、圆锥形头，尺寸（直径）范围从12.5mm到101.6mm不等5。本文采用直径为40mm的半球形刚性压头，如图4所示。LS-DYNA分析中的压头模型由壳单元构成的半球形外表面来模拟，采用刚性材料来定义。为了保证压头在接触过程中不失稳，现沿着载荷作用方向做一根刚性杆作为导向器，通过*CONSTRAINED_RIGID_BODIES将这两个刚体连接起来。3.2 分析模型实际一个零件需要考核的位置有很多，车门的抗凹陷分析典型加载点位置如图所5示。工程人员可根据实际需要或者按经验来确定位置，从而保证CAE分析工作覆盖整个零件表面抗凹陷性能最差的区域。图5 车门抗凹陷分析加载点位置示意图F图6 发动机罩外板抗凹陷分析模型简图某车型发动机罩外板抗凹陷分析模型如图6所示。其载荷作用点位置对应内板空隙的中心，作用方向垂直于该点所处的曲面，与局部坐标系的Z轴同向。分析采用准静态集中载荷（加载时间100ms以上），其曲线如图7所示。压头载荷通过*LOAD_RIGID_BODY卡片来定义。图7 载荷曲线模型中采用了两个接触对：1）发动机罩总成的自接触，采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_ID卡片定义；2）外板与压头的接触，采用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_ID卡片定义。边界条件：约束发动机罩总成的外边缘全部节点的所有自由度。考虑粘接胶的影响很小，而且其材料应力应变曲线获得困难。因此，本次模型中对粘接胶采用线弹性材料定义，所有其他钣金件都采用弹塑性材料来定义。3.4 计算结果发动机罩外板抗凹陷特性分析的应力云图、刚度曲线分别如图8、图9所示。图8 发动机罩外板抗凹陷分析应力云图图9 发动机罩外板抗凹陷分析刚度曲线3.5 分析评价根据工程经验可以确定车身不同外覆盖件在一定载荷下允许的变形量，从而确定CAE分析得到的结果是否满足工程设计要求。如图10所示为发动机罩外板的抗凹陷特性评价曲线。评判时，首先判断计算曲线是否进入NG Area或者接近其边界；其次，观察计算曲线的上升趋势。如果保证表面的加载刚度曲线远离NG Area并且呈现较好的上升趋势时，则它不会有明显的压痕，也不会发生油罐效应现象，即其抗凹陷特性是能满足设计要求的。载荷N临界曲线计算曲线位 移mmNG AreaOK Area抗凹陷特性评价曲线图10 发动机罩外板抗凹陷特性评价曲线5 结论采用同样大小的载荷以及类似的处理方法，应用ABAQUS求解器对发动机罩外板进行计算，得到的刚度曲线（包括加载与卸载曲线）如图11所示。其加载刚度曲线与图9相比，可以发现最大位移数值基本相同，而且曲线变化趋势相近。尽管该方法不便于模拟卸载过程，无法直接获得残余变形量，但是经验表明，通过加载刚度曲线就可判定表面是否满足抗凹陷特性要求。特别值得一体的是：采用这种显式计算方法，在建模过程中定义接触方便，尤其是系统自接触，而且计算过程容易收敛，效率高。图10 隐式求解方法获得的刚度曲线本文介绍的表面抗凹陷分析方法广泛应用于奇瑞公司的新车型开发当中，与实际情况吻合性好，对车身外覆盖件的设计开发起到了有效的指导作用。6 参考文献1 New Dent Resistance Data. Dow Metal Products News, December 1960.2 DiCello J. A. and George R.A., Design Criteria For The Dent Resistance Of AutoBody Panels. Paper 740081, SAE, 19743 Frazier R.H., Improving Dent Resistance. Metal Progress, (93): 30, 19684 Burley C.E., Niemeier B.A., Denting Properties of Aluminum AutobodyComponents”, Paper 770199, SAE 19775 Hodgins B., The Numerical Prediction of the Dent Resistance of Medium Scale Aluminum Structural Panel Assemblies. Waterloo, Ontario, Canada, 2001http:/etd.uwaterloo.ca/etd/rbhodgins2001.pdf6 MSC Software Company, Nonlinear Static Analysis of Roof Oil Canning./support/online_ex/Scenario/Case/case4_1a.pdf7 Dutton T., Pask, E.,