CAE之汽車(chē)塑料翼子板抗凹性分析
翼子板是汽車(chē)車(chē)身上安裝的重要大型外覆蓋件，對(duì)汽車(chē)的整體造型、工藝及剛度強(qiáng)度性能均有很高的要求。翼子板通常與側(cè)圍A柱、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、前大燈、前保險(xiǎn)杠、雨刮蓋板以及擋泥板等進(jìn)行搭接，使得整個(gè)翼子板的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，通常有7個(gè)左右安裝點(diǎn)。翼子板是影響整車(chē)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(shí)，從碰撞安全和行人保護(hù)的角度考慮，翼子板義不能過(guò)硬，避免低速碰撞時(shí)對(duì)行人產(chǎn)生較大的傷害。這些要求綜合起來(lái)，就使得翼子板的結(jié)構(gòu)往往設(shè)計(jì)的非常復(fù)雜。
傳統(tǒng)汽車(chē)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(gè)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(wèn)題，而且塑料件具有模具少、重量輕、強(qiáng)度低（碰撞時(shí)對(duì)人傷害?。┑蕊@著的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，世界汽車(chē)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(chē)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(shì)。目前國(guó)外很多主機(jī)廠逐漸使用了塑料翼子板的新技術(shù)來(lái)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(chē)型在使用。
翼子板等外覆蓋件的一個(gè)重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)就是抗凹性。關(guān)于汽車(chē)外覆蓋抗凹性，技術(shù)人員進(jìn)行了大量研究。李東升等研究了汽車(chē)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(píng)價(jià)抗凹性的主要指標(biāo)。但是，論文中沒(méi)有提到外板抗凹時(shí)可能發(fā)生“屈曲”的特征。刑志遠(yuǎn)研究了汽車(chē)引擎蓋的抗凹剛度；趙世宜等研究了貨車(chē)車(chē)門(mén)外板的抗凹性；黃湛等研究了微型客車(chē)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(méi)有涉及。
本文采用ABAQUS隱式分析模塊。建立某B級(jí)轎車(chē)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(kāi)發(fā)提供參考。
1、抗凹性基本理論
車(chē)身外覆蓋件屬于雙曲度扁殼類(lèi)結(jié)構(gòu)。汽車(chē)翼子板由多個(gè)安裝點(diǎn)固定于車(chē)身，其抗凹性問(wèn)題屬于扁殼受橫向載荷的變形及穩(wěn)定性問(wèn)題。根據(jù)板殼理論，雙曲度扁殼在承受外載荷為q時(shí)，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(wèn)題的方法，通過(guò)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(píng)價(jià)方法
（1）線性指標(biāo)
當(dāng)車(chē)身外板承受較小載荷時(shí)，其發(fā)生凹陷位移∞和外載荷q之間存在線性關(guān)系，此時(shí)將外板抵抗凹陷撓曲變形的能力稱(chēng)之為抗凹剛度。如圖1所示，是某轎車(chē)翼子板抗凹試驗(yàn)曲線，從圖中可看出，在施加外載荷小于100N時(shí)，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(xiāo)時(shí)，車(chē)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(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)于靜態(tài)指標(biāo)的評(píng)價(jià)，通常是通過(guò)在外板施加一個(gè)特定的載荷，然后測(cè)試對(duì)應(yīng)的位移來(lái)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(jì)要求，反之亦然。對(duì)于此性能的檢驗(yàn)，尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。比如，福特汽車(chē)公司設(shè)計(jì)部門(mén)的車(chē)身外覆蓋件檢驗(yàn)要求是：在施加90N集中力作用下，外板的位移不超過(guò)3mm為合格。
圖1抗凹試驗(yàn)“載荷一位移”曲線1
法國(guó)雷諾公司則建議，汽車(chē)外板在承受lOdN作用下，位移不超過(guò)lOmm即滿足設(shè)計(jì)要求。
（2）非線性指標(biāo)
如圖2所示，載荷在100N以?xún)?nèi)時(shí)，抗凹曲線基本上是線性的。當(dāng)外載荷繼續(xù)增大時(shí)，曲線變化表現(xiàn)為非線性，而且當(dāng)載荷超過(guò)某一個(gè)臨界值后，出現(xiàn)“外載荷不變或者微小變化時(shí)，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(yàn)“載荷一位移”曲線2
對(duì)于屈曲失穩(wěn)問(wèn)題，在性能設(shè)計(jì)中，通常有三個(gè)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(diǎn)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(jí)轎車(chē)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(shí)結(jié)合整車(chē)輕量化的設(shè)計(jì)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(gè)翼子板重量減少50%。材料參數(shù)見(jiàn)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(diǎn)P1～P4為抗凹分析的考察點(diǎn)。由于此翼子板是塑料件，與金屬件的建模略有不同，主要進(jìn)行了如下處理：
a、盡管塑料翼子板厚度達(dá)到2.8mm，遠(yuǎn)小于翼子板的尺寸，仍適合采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。網(wǎng)格平均尺寸設(shè)置為lOmm左右；
b、在翼子板與車(chē)身安裝點(diǎn)處，注塑時(shí)使其厚度增加，較翼子板主體增厚。建模時(shí)，應(yīng)將增厚的部分單獨(dú)設(shè)置屬性，使其厚度與實(shí)際零件尺寸保持一致；
c、7個(gè)安裝點(diǎn)為約束點(diǎn)，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(diǎn)編號(hào)
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(yàn)的方式獲得。利用壓頭在圖3所示的P1～P4點(diǎn)位置，分別單獨(dú)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(jiàn)圖5所示，整個(gè)壓頭是一空心圓筒狀結(jié)構(gòu)，壓頭頭部帶有圓角過(guò)度。圓筒采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為8mm。分析過(guò)程將壓頭整體定義為剛體，剛體參考點(diǎn)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(diǎn)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，即壓頭兒何中心點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)?！癈OMPONENT-NAME”為壓頭本體所在單元集合的名稱(chēng)。
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(guò)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(kāi)始時(shí)，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(yàn)此距離通常為0.5mm。
對(duì)于每一個(gè)考察點(diǎn)的分析均采用兩個(gè)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(shí)間歷程。P1～P4點(diǎn)加載過(guò)程“載荷一位移”曲線見(jiàn)圖6所示，從圖中可見(jiàn)，塑料翼子板在100N載荷作用下位移均在5mm以?xún)?nèi)，且200N范圍內(nèi)未發(fā)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，符合設(shè)計(jì)要求。
P3點(diǎn)是位移最大的區(qū)域，進(jìn)行重點(diǎn)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?cè)茍D。由圖7可見(jiàn)卸載曲線與加載曲線幾乎重合，沒(méi)有殘余位移。從圖8可見(jiàn)，翼子板最大應(yīng)力為37MPa，小于材料彎曲強(qiáng)度，且圖9中顯示P3區(qū)域未發(fā)生塑性變形。可見(jiàn)，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(diǎn)P3區(qū)域“加載一卸載”曲線
圖8考察點(diǎn)P3區(qū)域應(yīng)力云圖（單位：MPa）
圖9考察點(diǎn)P3區(qū)域等效塑性應(yīng)變?cè)茍D
4、結(jié)語(yǔ)
（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(jì)對(duì)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(shí)現(xiàn)減重50%的效果，同時(shí)能夠滿足抗凹性能目標(biāo)。
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