汽车地板踩踏性能分析与优化

汽车地板踩踏性能分析与优化
严婷;仰荣德;孟凡亮
【摘要】建立汽车地板分析模型,采用Abaqus非线性静强度加载特定载荷对地板不同区域进行分析,快速初步评估地板踩踏性能,并确定需要屈曲分析的局部区域.然后对此局部区域采用非线性屈曲分析,证明地板在屈曲区域为非缺陷敏感型结构,并精确评估地板临界屈曲载荷.将分析结果与试验结果进行对比,位移误差在10％以内,仿真临界屈曲载荷位于试验屈曲载荷区间内,证明仿真模型的正确性和可靠性.根据地板屈曲特性提出有效优化措施,即更改筋的布置与参数,并用非线性静强度分析对优化方案进行快速验证,结果表明优化方案踩踏性能较好.
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2019(000)004
【总页数】4页(P148-150,154)
【关键词】汽车地板;Abaqus非线性;踩踏性能;屈曲载荷
【作者】严婷;仰荣德;孟凡亮
【作者单位】奇瑞汽车股份有限公司汽车工程技术研发总院,安徽芜湖 241000;奇瑞汽车股份有限公司汽车工程技术研发总院,安徽芜湖 241000;奇瑞汽车股份有限公司汽车工程技术研发总院,安徽芜湖 241000
【正文语种】中文
【中图分类】O317.3
0 引言
汽车地板是汽车车身骨架的一部分，是汽车上面积相对较大的钣金件，能起到支承汽车系统零件的作用。

在汽车车身试装装配时，工人需要踩踏汽车地板，在汽车车身局部安装一些功能件或者进行人工烧焊作业等。

若汽车地板刚度、强度或稳定性较差，就会使汽车地板产生凹坑等问题，从而使汽车地板支承作用失效，造成比较严重的质量问题。

因此，为了提高汽车生产和使用过程中的安全稳定性，采用有效的仿真技术对汽车地板结构进行分析验证尤为重要。

目前，关于强度和屈曲分析的研究有在理论参数上的推导[1-3]，也有从实际工程
应用出发[4-7]，比如用有限元仿真方法分别对车架、无人机机翼、塔机桁架结构
和冷轧薄板进行的强度和屈曲性能分析。

在汽车行业竞争日益激烈的今天，较少有文献在考虑企业研发周期和成本的基础上，研究汽车大面积钣金件的踩踏性能和相对应的优化方法。

本文以汽车地板为研究对象，主要运用非线性静强度分析和非线性屈曲分析研究特定载荷下地板不同区域的踩踏性能，确定薄弱和屈曲区域，以及屈曲临界载荷，并对薄弱位置和屈曲区域进行改进，即在不增加成本和质量的前提下，优化产品结构。

两种方法的有效结合能大大提高分析效率，缩短项目研发周期和成本，增强企业竞争力。

1 分析方法介绍
分析地板屈曲采用的是有限元仿真方法。

分析时，首先采用非线性静强度分析，此方法计算简单易行且精确，求解时间短，利于对地板踩踏区域进行快速验证，其计算原理为牛顿-辛普森方法，如图1所示。

地板结构的初始刚度为K1，施加外载荷增量为δP，基于地板结构的初始刚度和外载荷增量计算位移修正δU1，内部节点力F1，此时地板结构构型发生变化，位移变为U2，基于此时构型计算出刚度K2，其关系[8]为
经过多次迭代后，其迭代路径为一条直线，外载荷P与地板结构内部力Fn近似相等，即其差值小于容许值，且位移修正小于容许值，则计算收敛。

当地板发生屈曲，即结构刚度矩阵为负定时，此方法无法越过极值点进行跟踪，从而无法收敛，不能对地板屈曲问题进行再现，此时可以考虑用非线性屈曲分析跟踪。

图1 牛顿-辛普森计算原理
判断地板是否发生屈曲，可用非线性屈曲分析，其为线性屈曲分析和弧长法的有效结合。

目的是通过线性屈曲分析在加载初始力为F时，初步确定地板屈曲载荷因
子r，然后在弧长法计算中加载rF并引入初始缺陷Δ,即Δ=为第j阶屈曲振型，需要取不同大小的初始缺陷系数μ以排除缩放系数对结构产生的影响，从而精确确
定地板临界屈曲载荷。

图2 弧长法计算原理
而弧长法相对牛顿-辛普森方法可以跟踪地板刚度矩阵为负定时的过程，其求解相
对复杂，计算所用时间长，最简单的弧长法计算原理图如图2所示，图中λn为加载比例因子。

由图2可以看出迭代路径沿弧长达到收敛，且通过δλn的符号确定
载荷是增加还是减小，从而可以越过极值跟踪地板加载位移曲线的下降段，其关系式[9-10]为
式中：Kn为n次迭代后的刚度；Fc为外部参考力；Rn-1为n-1次迭代不平衡力。

因此，对于地板屈曲分析，结合两种方法的优点，即非线性静强度分析参数设置简单，求解时间相对短，而非线性屈曲分析可以求解地板变形后结构刚度为负时的情形，能快速并精确预测地板踩踏性能。

2 仿真分析与试验
2.1 分析模型
本文所述汽车地板为汽车中地板，具体结构如图3所示。

图中区域a为小凸台，
布置条形筋，此区域为工人踩踏相对较多的位置。

因此，在区域a选取刚度相对
薄弱的位置进行强度分析，根据经验，一般取直筋的中间位置，其刚度相对薄弱。

图3 地板结构
图4 分析模型
截取地板部分模型，对截取面进行约束，在P1、P2和P3处分别选取100 mm×
筋宽的局部区域，在此3个位置进行柔性加载，即抓取rbe3，以模拟人脚踩地板
的实际情况，载荷为z向负向700 N的力，目的是保证在此固定载荷加载卸载后，地板无残余位移，分析模型如图4所示。

图4中三角形表示约束，圆圈标记加载
点位置。

2.2 分析结果
采用非线性静强度分析法，对3个位置点进行加载和卸载，观察最大变形和永久
变形，计算结果如表1所示。

从结果看只有P3点达到目标值，但对于P1和P2点，分析模型载荷进程分别计
算到74%和77%时计算停止，即模型不收敛。

不收敛的原因归结起来有两种：一是模型建立不合理，例如网格质量差、接触和参数设置不合理等；二是受力后结构发生屈曲，刚度矩阵变为负定。

表1 各关键点计算结果?
模型中没有接触，且网格质量较好，参数设置时打开了大变形开关，且P1、P2点与P3点所用模型相同，P3点计算完成且合格，因此地板可能发生屈曲。

所以需
要通过非线性屈曲分析来准确判定地板是否发生屈曲。

为了确定此位置是否发生屈曲，采用非线性屈曲分析。

用线性屈曲分析，确定P1
和P2点的载荷因子分别为3和2.5，弧长法加载载荷为分别为2100 N和1750 N，并引入初始缺陷。

为了验证此结构不是缺陷敏感型结构，分别取3个不同的缩
放系数进行验证，结果如图5所示，可以看到P1点在1500 N、P2点在538 N
之前，三条曲线基本重合，表明在发生第一次屈曲前后，地板结构对缺陷不敏感。

图5 不同缩放系数下的变形曲线
对比非线性静强度分析和非线性屈曲分析结果，如表2所示，其停止计算时的载
荷与临界屈曲载荷变化率均小于等于1%，非线性静强度分析所计算到的最大载荷与临界屈曲载荷一致，说明结构刚度矩阵发生变化，地板发生屈曲。

2.3 试验对比分析
为了验证所建立的仿真模型和结果的正确性和可靠性，对地板进行试验踩踏。

为了消除P1、P2和P3点的相互影响，分别进行3组踩踏试验。

第1组和第2组分别选取不同重量的人对P1、P2点进行踩踏，第3组选取70 kg质量的人对P3点进行踩踏。

踩踏时严格按照100 mm长度，即人踮脚时踩踏在筋上，保证踩踏位置
和面积与仿真所考察位置面积一致，方法如图6所示。

试验中P3并无永久变形，且试验测得其最大变形为1.5 mm，仿真结果相比试验相差6.7%，小于10%。

P1和P2的试验与仿真结果对比如图7所示，可以看到当载荷在550 N后，最大位
移突然变大，说明在500～550 N区间内，地板发生屈曲，且在500～700 N之间，试验最大位移与仿真结果最大差异均小于10%。

图8和图9中分别为P1、
P2点处试验加载550 N卸载后所得到的永久变形现象，可以看到P1和P2处均
出现了明显的凹坑。

最大位移差异和试验现象均表明仿真分析的正确性和可靠性，但P1和P2点的屈曲临界载荷偏小，地板踩踏性能较差，需要对其进行优化改进。

表2 分析结果对比类别临界屈曲载荷/N P1 P2非线性静强度分析 517(停止载荷) 541(停止载荷)非线性屈曲分析 512 538相对变化/% 1.0 0.6
图6 踩踏试验方法
图7 P1与P2点试验与仿真结果对比图
图8 P1点550 N试验变形结果
图9 P2点550 N试验变形结果
3 优化设计
根据非线性屈曲分析仿真结果，在临界屈曲载荷时，对应应力图如图10所示，地板最大应力分布在局部特征变化急促的位置，即小横筋与竖筋交叉位置，且最大应力均超过材料屈服强度（190 MPa）。

图10 P1与P2屈曲时对应应力
因此，将P1点所在交叉筋处的小横筋去除，可减小局部应力集中，并同时对P1、P2和P3所在三条筋适当增加筋的高度2 mm，即降低小凸台区域a的整体凸出
高度2 mm，且适当减小P2点所在筋的宽度2 mm，可提高结构局部刚度，优化后的模型如图11所示。

为了验证地板优化后得到踩踏性能是否得到提升，用非线性静强度分析仿真方法快速验算，计算其加载和卸载，优化后的地板在P1和P2均无残余变形，满足踩踏
性能分析要求，满载加载700 N后，P1和P2的应力如图12所示，均小于材料
屈服强度。

且经试验验证，踩踏后均无永久变形。

图11 优化模型
图12 P1与P2满载加载对应应力
4 结论
在特定工况载荷下，采用Abaqus非线性静强度和非线性屈曲分析以及相对应得
试验，得到以下结论：1）原地板踩踏性能在小凸台区域a的中部和筋交叉处较薄弱；2）可以通过更改筋的布置和筋相关高度宽度等参数改善地板踩踏性能。

文中采用的两种仿真方法，分析模型建立、载荷工况以及约束方法等对分析汽车上的所有地板踩踏性能有一定通用性，也对其他工程应用有一定参考性。

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