摘要： 抗凹性是反映汽车外覆盖件使用性能的一项重要指标。研究某轻型客车翼子板抗凹性分析理论以及评价标准，同时针对该款车型翼子板采用Abaqus软件进行抗凹性数值模拟分析。通过有限元分析结果确定其性能，并通过优化使其达到抗凹性能的要求。
关键词： 轻型客车； 翼子板； 抗凹性； 有限元分析； 优化
中图分类号： U463.832； TB115.1文献标志码： B
引言
汽车外覆盖件承受外部载荷作用，抵抗凹陷挠曲和局部凹痕变形，保持形状的能力称为抗凹性，是反映汽车外覆盖件使用性能的重要指标之一.因必须考虑接触刚度、连接刚度的影响，翼子板的抗凹性能不仅与翼子板本身结构有关，还同与之关联的翼子板支撑板、内加强板等零件相关.
提高开闭件外板抗凹性能的方法有多种，包括改变材料类型、增加板金厚度、增加加强件、改变结构形式和贴增强片等.在前期造型已经确定的情况下，改变外覆盖件结构形式比较困难，因此，需要从成本和工艺实施等方面综合考虑.本文的翼子板抗凹性能优化主要从改变材料类型和贴增强片2个方面进行优化分析.
1翼子板抗凹性分析
1.1翼子板动态抗凹性试验原理
根据凹陷检测标准，主要通过3个指标检测翼子板的抗凹陷性能：（1）当载荷力加载到400 N并卸载以后，翼子板不应有肉眼能明显看到的凹陷产生，即外板不能发生较大的塑性变形.（2）载荷达到最大时，相应的外板上作用点的最大位移量应小于20 mm.（3）用载荷力位移量图表计算非稳定区域.
非稳定区域定义为：加载过程中第一条曲线的刚度斜率发生变化的最大载荷力（A点）与第二条曲线刚度开始时测得的最小载荷力（B点）之间的区域范围.当该区域内B点距离A点的位移量小于5 mm时，即认为测试点满足抗凹陷标准；如果在加载试验中未出现2条刚度曲线，说明测试点也满足抗凹陷标准.满足抗凹陷标准的2种情况见图1.
（a）B点距离A点的位移量小于5 mm
（b）未出现2条刚度曲线
图 1满足抗凹陷标准的2种情况
外覆盖件对其外形的完整性要求较高，在抗凹性分析时不能出现明显的凹痕，即对残余位移量有一定的要求.
通过以上标准，可以提炼出抗凹性分析的分析标准，即最大位移<20 mm，塑性应变<2%，非稳定区域<5 mm，残余位移<0.5 mm.
1.2隐式算法
采用Abaqus软件中的隐式分析方法，采用纽曼法进行时间域的积分，由连续介质力学理论可得系统的运动方程为Ma+Cv+KU=F （1）式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；a为加速度；v为速度；U为位移；F为力.
采用Newmarkbeta隐式积分，其一般形式为un+1=un+Δtvn+（1/2-β）Δt2an+βΔt2an+1 （2）
1.3翼子板抗凹性有限元分析
翼子板抗凹性分析是一种典型的材料非线性和几何非线性的分析，采用Abaqus软件对翼子板进行抗凹性分析.Abaqus/Standard使用隐式算法求解非线性问题，其将分析过程划分为一系列的载荷增量步，在每个增量步内进行若干次迭代，得到可接受的解后，再求解下一个增量步，所有增量响应的总和就是非线性分析的近似解.
有限元模型的建立主要归纳为
（1）钣金件采用壳单元进行模拟，单元尺寸控制在10 mm左右，翼子板单元尺寸为5 mm左右.
（2）抗凹性分析时用到的压头采用刚体单元模拟，按照标准建立直径80 mm，R20 mm的倒角.
（3）翼子板与内支撑板各个零件之间采用接触处理.
（4）刚体压头在测点位置从0逐渐加载到400 N后卸载，然后查看加载力与位移变化之间的曲线关系.
（5）整个模型的约束为车身的截取截面区域，约束其所有自由度.
（6）刚体压头作用在翼子板给定的3个加载节点位置，加载力方向为加载面的法线方向，采用局部坐标系加载.
翼子板抗凹性分析的模型和3个加载点见图2，加载点的坐标见表2.图 2加载点坐标
2模拟结果和讨论
按照抗凹性分析标准，对给定的3个加载位置进行翼子板抗凹性分析，翼子板的材料为BUFDE+Z.由分析结果可知，翼子板在加载点Point 1处非稳定区域较大，为5.2 mm，不满足抗凹性分析标准；其他2个加载点Point 2和Point 3没有明显的非稳定区域；但3个加载点的残余位移量都较大，尤其是加载点Point 1处的残余位移达到5.66 mm，其他2点的残余位移分别为0.532 mm和1.321 mm，远远超出抗凹性分析标准规定的残余位移小于0.5 mm的要求.
加载点Point 1分析结果云图见图3，分析结果曲线见图4.整个模型的分析结果见表3.
图 3加载点Point 1分析结果云图图 4加载点Point 1分析结果曲线
3优化分析
提高翼子板抗凹性能的方式主要有：改变材料、添加钣金厚度、增加增强片以及改变钣金结构形式等.在前期造型已经确定的情况下，可以通过改变材料、增加钣金厚度以及添加增强片等提高抗凹性能.增加钣金厚度可以提高翼子板刚度，达到提高抗凹性能的目的，但对提高残余应变和残余位移的效果不佳.因此，主要通过改变材料和添加增强片来达到目的.
采用以下4种方式，使得翼子板抗凹性满足要求：（1）贴增强片；（2）改变翼子板材料类型，采用屈服强度较高的材料，考虑到翼子板冲压成型性要求（屈服强度越高，冲压成型性越差），采用CR180IF材料；（3）贴增强片+改变翼子板材料；（4）贴增强片+改变翼子板材料+优化增强片位置.
由上文的分析结果可知，BUFDE+Z材料的翼子板抗凹性较差.对翼子板内部贴增强片，虽然结果有一定的改善，非稳定区域满足要求，但还是无法满足残余位移的要求.要改善残余位移较大的缺陷，就需要对整个翼子板内板贴增强片，但还是无法达到要求.只有改善翼子板的材料类型，才能较好地解决残余位移较大的缺陷；单一改变材料类型，残余位移仍然无法满足要求.只有在局部区域贴增强片，并且优化增强片的位置，最终使得翼子板抗凹性满足要求.
4结论
通过整车试验和风洞试验的验证，表明翼子板的抗凹性分析和优化起到较好的作用，同时可以得出抗凹性分析的关键点以及抗凹性优化的大致方向.
（1）在进行抗凹性分析时，零件的抗凹性能不仅与零件本身的刚度有关，还与其连接的零件的接触刚度和连接刚度有关.
（2）提高翼子板抗凹性能的方式主要有改变材料、增加钣金厚度、增加增强片以及改变钣金结构形式等.
（3）局部改变增强片的位置，可以达到较好的效果，主要思想是将刚度较弱区域与刚度较强区域进行很好地连接.参考文献：
[1]庄茁. Abaqus非线性有限元分析与实例[M]. 北京： 科学出版社， 2005： 170187.
（编辑陈锋杰）