基于HyperWorks的车门外板抗凹性分析

摘要：本文主要阐述了如何在HyperWorks软件平台上，对某重卡车门外板的抗凹性进行有限元分析。在整个分析过程中使用HyperMesh平台进行前处理，利用RADIOSS做求解，采用HyperView和HyperGraph平台进行后处理，通过分析以验证车门的性能品质，同时也体现了HyperWorks软件的强大功能。

1概述

车门作为车身结构的开启件不仅要满足造型上的美观，而且要保证一定的结构刚度。而车门外板一般尺寸较大、带有一定的曲率和预变形，在正常的使用过程中常常会受到外载荷的作用，如人为的触摸按压、行进过程中的碎石冲击等等，使车门外板发生凹陷挠曲甚至产生局部的永久凹陷，影响到整车的外观品质。

在汽车技术领域中，一般把车门承受外部载荷作用，抵抗凹陷挠曲及局部凹陷变形、保持原有形状的能力称为车门的抗凹性。本文主要介绍了模拟人手指（或其它）对车门外板局部按压等动作引起的车门外板变形，同时车门的外板不允许出现过大的变形及局部失稳凹陷，因此本文中主要利用了HyperWorks软件平台进行前后处理，使用RADIOSS求解器进行计算求解，考察车门外板在小的局部区域受外力作用时的外板的弹性恢复性能，即外力撤销后产生的残余应变，一次来评价车门的性能和品质。

本文进行车门外板抗凹性分析的流程如图1所示：

2 有限元模型的建立

2.1 车门模型的建立

将车门的CATIA模型通过前处理软件HyperMesh的CAD接口导入，获得分析所用的车门数模。针对车门所有的薄板冲压成型件和钣金件均采用壳单元来划分网格，门锁加强版、玻璃导轨支架、及铰链加强板通过焊接与车门内外板相连接，加强横梁通过螺栓连接与车门内外板相连接，内板与外板之间通过翻边焊接相结合，压头采用六面体单元来划分网格。

单元的平均尺寸为10×10mm，对于局部关键敏感区域，可以对网格进行适当的局部细化，一般不小于5×5mm。单元最小尺寸对于抗凹性计算结果具有极其重要性,最小时间步长由公式△t=l/c, c=√(E/ρ)决定,其中，l为单元最小长度，c为波速。对于普通钢材料, E=210000Mpa, ρ=7.8e-9t/mm3--- ,△t=1微秒时,对应的l的单元最小长度就为5.2mm,所以对于钢材料,最小单元尺寸最好不要小于5mm。但对于刚体压头模型则没有最小单元尺寸要求。
单元的焊点连接采用RADIOSS求解器的焊点类型（Type2）Spring2N，针对RADIOSS求解器的铰接类型采用spring_beam单元属性来模拟revolute joint，运用rigid body来模拟螺栓连接。

一个大型有限元模型的建立，对于模型中单元质量检查往往需要很多时间，质量较差的单元不仅会降低计算步长，而且会大大浪费计算时间，而且在附近的计算结果也往往不可靠。通过对划分好的单元进行检查。发现网格划分中存在的问题，及时修改，从而确保了每个零件模型的正确性，单元质量必须满足下述图2的要求：

2.2 压头模型的建立

在抗凹考察点处通过加载压头来进行抗凹性分析的加载，以模拟抗凹试验。压头的位置一般设在车门外板刚度相对薄弱的位置，一般可根据经验（无加强板筋及曲率变化较大的应力集中位置）和车门外板的模态分析的振型图来确定刚度最弱的区域。

压头大小直径20mm，与车门接触位置的圆角半径1mm。加载压头可以简化为刚体，通过运动关联法加载压头有限元模型。在 HyperMesh 中将加载压头划分网格，网格大小为2×2mm，并将压头上所有节点与加载点处节点建立1D的RBODY 单元，加载点处节点为主节点，压头上所有节点为从节点，如图3所示：

2.3 材料与属性

通过软件输入所用材料的S-N曲线图，并设定材料的基本参数，计算中所使用的材料参数如表1所示:

2.4 接触设置

压头与车门外板之间的接触：加载压头与车门考察点位置附近单元设置接触，摩擦系数0.2，设置小滑动以利于收敛，接触时间从施加载荷开始（0s）至卸载时为止（2s）。

车门自接触：建立车门个零部件之间的自接触，摩擦系数0.2。

在HyperMesh定义接触或者是接触单元来模拟接触问题时，其接触对由主面(master surface)和从面(slave surface)构成。为满足主面和从面定义的要求，选择刚度较大、网格较粗的车门外板为主面；选择刚度较小、网格较细的压头作为从面；在定义接触过程中，接触方向为主面的法向，从面节点不允许穿越主面。

3 边界条件及输出设置

3.1 边界条件

分析工况约束：约束车门铰链及门锁处的全部自由度；

压头约束：释放压头垂直与车门外板方向的平动自由度（即释放Y方向自由度）；

压头载荷的施加：在压头加载点处施加一随时间变化的集中力如图4所示：

加载（0s～1s）集中力由0N逐渐增加至200N；
衡载（1s～1.5s）集中力200N恒定不变；
卸载（1.5s～2s）集中力由200N减小至0N；
回弹（2s～2.5s）集中力为0N持续一段时间。

3.2 输出设置

在利用RADIOSS求解时，根据分析要求需要设定输出的内容，一般为了研究车门外板的变形位移及是否发生失稳，需要设定关键点的位移变化关系和接触面应力的变化关系。

4 分析结果

在进行完车门抗凹性的前处理工作后，在EXPLOT下，输出计算模型的rad格式文件，打开RADIOSS求解器，输入模型文件，设置好软件计算的时长和载荷步长等，进行求解计算。

4.1 位移云图

将求解得到的h3d格式的文件，导入到HyperView平台，查看车门外板的位移变形云图和最大塑性应变图，如图5、6所示：

4.2 应力与位移曲线

将求解得到的T01文件导入HyperGraph平台，得到接触应力曲线和接触关键点的位移曲线，纵坐标表示外板考察点的接触应力大小，横坐标表示考察点的位移，如图7所示：

4.3 分析结果

从车门外板的塑性应变云图可知车门外板的塑性应变大小为0.19%。

5 分析结论

从车门外板的塑性应变云图可知车门外板的塑性应变大小为0.19%，小于规定的0.2%，从车门外板的应力与位移曲线图中可看出，在整个压头加载过程中，车门外板没有发生失稳，说明车门的抗凹性能良好，达到了设计要求。

6 参考文献
[1] HyperMesh帮助手册
[2]黄金陵主编.汽车车身设计. 机械工业出版社. 2008
[3]张胜兰，郑冬黎，郝琪等编著. 基于HyperWorks的结构优化设计技术. 机械工业出版社. 2008
[4]袁连太，毛凌丽编著. 基于HyperWorks的轿车车门外板抗凹性分析. Altair中国区2008HyperWorks技术大会论文集. 2008