基于ABAQUS的某款SUV后背门抗凹性能分析

基于ABAQUS的某款SUV后背门抗凹性能分析
谢有浩;尹广;王小睿;张立祥
【摘要】运用Hypermesh和ABAQUS等软件,对后背门内外板凹陷过程进行了
模拟.采用数值模拟的方法分析其抗凹性,并使用此方法来验证优化方案的可行性.研究结果表明,有限元方法可以较好地预测和评估后背门的抗凹性能,为后背门的优化
设计和材料选取提供理论指导和数据依据.
【期刊名称】《滁州学院学报》
【年(卷),期】2018(020)002
【总页数】3页(P24-26)
【关键词】抗凹性;ABAQUS;后背门
【作者】谢有浩;尹广;王小睿;张立祥
【作者单位】安徽理工大学机械工程学院安徽滁州239000;安徽理工大学机械工
程学院安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001
【正文语种】中文
【中图分类】U466;TQ320.66
在节能减排的背景下，车身轻量化设计是产品研发过程中面临的重要课题之一，强度和刚度等性能的仿真分析计算更为必不可少。

近年来，SUV车型在乘用车产销
总量中的占比逐年提高，因SUV的白车身和车门结构与传统轿车存在较大的差异，
车门的性能分析和结构优化显得更为重要。

车门是汽车车身零部件中重要的开闭件，不仅能够起到对外隔音隔热的作用，还可以起到缓冲外界冲击力的作用，从而有效地保障驾乘人员的乘坐舒适性和安全性[1]。

SUV后背门相对于其他车门是曲面最多、结构最复杂、尺寸最大的车门分总
成系统，其结构设计的合理性对车身可靠性的影响至关重要[2]。

后背门的抗凹性能分析与前后门既有类似的地方，也有不同之处。

基于ABAQUS
对某款SUV车型后背门为研究对象，建立抗凹性分析模型，从而对后背门抗凹性
能进行分析研究和优化设计，使其抗凹性能满足法规和设计目标的要求。

1 抗凹性能分析方法和评价指标
1.1 抗凹性能分析方法
数值模拟法和实验法[3]是当前进行车身覆盖件抗凹性分析最常用的两种方法。

由
于数值模拟法操作起来简单方便，可快速直接得到抗凹性的分析结果，因此，应用在车身覆盖件抗凹性评估中比较多。

但是，由于车身覆盖件的凹陷变形受外部载荷、材料特性等要素的综合影响，是一个非线性化的问题，处理起来很麻烦，而且得到的结果准确性不高，对实际生产的作用有限，故国内目前只是采用这种手段作为辅助参考。

实验法相对于比数值模拟法要复杂的多，但由于其根据实际结果测得，比较真实、可靠，对优化抗凹性能具有很强的指导性，是当前评判车身覆盖件抗凹性的主要方法。

鉴于实验法进行抗凹性分析受实验成本、技术条件、覆盖件本身因素等方面的制约，对覆盖件抗凹性的测定也存在一定的缺陷[4]。

因此，再实际车身覆盖件抗
凹性分析中，为了相对准确全面的判定车身覆盖件的抗凹性，通常同时采用上述两种抗凹性能分析方法，甚至还采用两种以上的抗凹性能分析方法进行联合分析。

1.2 评价指标
车身外覆盖件的抗凹性一般用静态指标和动态指标来评判。

静态指标指的是抗凹刚
度，即试件抵抗凹陷挠曲变形的能力，它对覆盖件的性能有着显著的影响。

在实验中，一般用“载荷—位移”曲线的斜率来评估，其与试件的厚度、几何形状有关，与材料的强度无关。

动态指标考察的是局部区域在受到外力载荷时，所显示出来抵抗外部载荷的稳定性，其特征是将外力加载到试件的极限载荷时，在外力变化不大的情况下，结构的位移响应强烈，表现为“大通过”和“急回转”的现象，称为油壶效应。

它用不稳定范围作为评价指标，这个范围越小越好[5]。

2 后背门抗凹性分析
某车型后背门主要由以下部分组成：后背门外板、后背门内板、锁链加强板、弹簧加强板、门锁加强板等。

基于此后背门的设计数据，利用ABAQUS软件对其进行CAE分析和优化，具体步骤如下所示：
2.1 建立模型
后背门的抗凹性是一种非线性分析，目前国内用来处理此类问题的软件有：Ls-Dyna、MSC.Nastran、ABAQUS、Adina等等。

本文所用的软件为ABAQUS，
并采用Hypermesh作为前处理软件。

由于非线性问题处理起来较为麻烦，因此要在保证后背门模型准确的前提下进行适当的优化，具体处理如下所示：
(1)采用4节点壳单元划分网格,容许部分为三角形壳单元，但不超过10%，最好低于5%。

单元尺寸控制在10 mm左右，最小尺寸为8mm，最大尺寸为15mm。

(2)进行几何清理，清理不必要的细节，包括缝合相邻面之间的缝隙、去除过于小
的孔、修补丢失或破坏的面等。

(3)车门内外板材料选用ST16，弹性模量E取210 GPa，泊松比μ取0. 3，外板
厚度d为0. 8mm；
约束铰链支架除Y轴转动之外的所有自由度，约束门锁钩全部6个自由度，如图
1所示：
图1 后背门约束情况
2.2 后背门数值模拟
在薄弱位置用撞击块垂直施加载荷，从0加到400N然后卸载，观察后背门内外
板的变化。

共选取了8个点作为主要观察点，如图2所示：
图2 考察点位置
对各点进行数值分析，其载荷位移曲线如图3所示，其中点1、点2、点3的载荷位移曲线如图3a 所示，点4、点5、点6的载荷位移曲线如图3b 所示，点7、
点8的载荷位移曲线如图3c 所示点。

图3 各点载荷位移曲线
3 结果分析和优化
本文考虑从三个方面对现有后背门的抗凹性结果进行分析：(1)是否出现“油罐效应”；(2)考察点的最大位移；(3)卸载后的残余位移。

从载荷位移曲线上可知：2、3、4、5的残余变形均在0.7mm以上，6，7，8的残余变形虽低于目标值
0.7mm，但最大变形较大，在9mm以上。

工程中影响产品性能的因素有很多，比如产品结构、产品厚度、材料等，但各有优缺点：优化产品结构可以很好的改善抗凹性，但设计所花的时间变长，不利于产品更快的推向市场；改变产品厚度对抗凹性的影响也相当明显，但增加料厚不利于整车轻量化的推动；更换材料方便易操作，但可能会导致成本增加。

当然，也可以通过别的方法改善抗凹性，比如贴补强贴等。

鉴于研究对象车型的平台化和通用化情况，以及开发费用、实施周期和综合成本等综合因素，采用更换材料的方法来优化后背门外板的抗凹性能，将材料换为ST14。

在板厚、结构不变的前提下，对其进行CAE分析。

分析结果如表1所示：
表1 材料ST14和ST16数值分析表考察点外板材料：ST14最大变形(mm)残余位移(mm)外板材料：ST16最大变形(mm)残余位移
(mm)13．430．663．430．6624．080．334．240．7234．440．484．781．6144．240．554．541．25514．340．3614．820．95612．620．212．8 90．6778．480．179．040．52810．740．1412．140．44
优化前后的数值结果如表1所示，分析数据可知：不满足要求的2、3、4、5等点的残余变形已大大降低，满足小于0.7mm的要求，其余各点的残余变形也有了显著改进，更换材料对改善后背门的抗凹性能是有效的。

4 结语
(1)通过CAE软件模拟了后背门外板的抗凹过程，并得到多点位移载荷曲线及其最大变形和残余变形。

分析数据可知，现有后背门的抗凹性不满足要求。

(2)综合考虑，决定更换后背门的材料，并对优化方案的可行性进行了验证。

结果
证明，优化后的后背门抗凹性满足要求。

由此可知，采用CAE方法可以便利的预
测后背门的抗凹性，为优化后背门的结构设计和材料选择提供数据参考和理论依据。

[参考文献]
【相关文献】
[1] 羊拯民.汽车车身设计[M].北京:机械工业出版.2008.
[2] 李文明,谷晓玉.汽车后背门内板起皱解决措施[J].模具工业,2013(10):52- 54.
[3] 李雪峰.汽车板板材抗凹性试验方法理论分析和数值模拟研究[D].北京:北京航空航天大学,2001.
[4] 王亮,李东升,陈连峰,李涛.车身覆盖件抗凹性试验方法及系统[J].北京航空航天大学学
报,2014(6):742-743.
[5] 黄湛,乐玉汉,李卫平.客车覆盖件抗凹性有限元分析与研究[J].城市车辆,2009(1):36-37.。