李 紅, 湯金孝, 程 林, 陳靖芯

(揚州大學機械工程學院, 江蘇 揚州 225127)

車門作為汽車最重要的組成部件之一,其結(jié)構(gòu)性能對于車輛的安全性有重要的影響[1-2]． 設(shè)計人員通常將設(shè)計好的三維數(shù)學模型直接導(dǎo)入有限元仿真軟件中,而不考慮板料經(jīng)沖壓成形后力學性能變化對車門結(jié)構(gòu)性能的影響, 使分析結(jié)果產(chǎn)生較大誤差[3]．早在上個世紀,國外已有學者開始研究沖壓成形歷史對沖壓件性能的影響[4]．Nurcheshmeh等[5]指出在大部分工業(yè)鈑金件成形過程中,板材表面會產(chǎn)生明顯的壓縮應(yīng)力,其中厚度變化產(chǎn)生的應(yīng)力對金屬板料成形性的影響不容忽視．國內(nèi)也有許多學者對于成形因素在結(jié)構(gòu)仿真中的影響進行了大量的研究[6-7]．魯守釗[8]指出將成形過程中板料產(chǎn)生的厚度變化、等效塑性應(yīng)變以及殘余應(yīng)力等成形歷史因素引入碰撞結(jié)構(gòu)分析中,可提高碰撞結(jié)構(gòu)仿真精度．本文擬運用DYNAFORM軟件對車門進行沖壓成形模擬,并通過LS-PREPOST軟件, 將沖壓成形歷史因素(應(yīng)變、應(yīng)力及厚度)分別作為初始條件引入到車門結(jié)構(gòu)分析中,進行了車門位移量、應(yīng)力和剛度的數(shù)值分析,探究沖壓成形因素對車門結(jié)構(gòu)的影響,為優(yōu)化車門提供理論依據(jù)．

表1 車門板材料性能參數(shù)

1 模型

車門外板材料為DC06,內(nèi)板為ST14, 相關(guān)參數(shù)見表1．模型中車門鈑金沖壓件與鉸鏈支撐板均采用三角形或四邊形殼單元進行網(wǎng)格劃分, 節(jié)點總數(shù)為32 658個,殼單元總數(shù)為2 780個(見圖1)．

2 車門沖壓成形

2.1 沖壓成形仿真分析

圖2為車門內(nèi)板殘余力學性能特征云圖．從圖2可以看出,沖壓成形后,車門內(nèi)板板料的應(yīng)力、應(yīng)變及厚度均有明顯變化,其中車門內(nèi)板應(yīng)變分布整體比較均勻,車門底部應(yīng)變數(shù)值較大;而應(yīng)力分布與應(yīng)變分布情況相似,車窗框、車門內(nèi)板中部及下側(cè)處的應(yīng)力變化比較明顯,數(shù)值較大．本文將沖壓成形仿真后得到的歷史成形因素作為初始值引入后續(xù)的車門結(jié)構(gòu)分析中,研究其對車門結(jié)構(gòu)分析的影響．

圖1 汽車車門CAE模型Fig.1 The CAE model of the car door

2.2 成形因素的影響

車門受到的主要約束為鉸鏈約束和門鎖約束,若車門扭轉(zhuǎn)剛度不足,會導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)形變,且令車門構(gòu)件產(chǎn)生失效的現(xiàn)象,這將導(dǎo)致車門的密封性降低,而且可能導(dǎo)致車輛在正常行駛過程中車門產(chǎn)生異響和震動,因此,對車門的扭轉(zhuǎn)剛度進行校核顯得十分重要[9]．本文將車門模型結(jié)構(gòu)特點與加載約束方法相結(jié)合,并根據(jù)車門實際的工況要求,確定扭轉(zhuǎn)工況下車門扭轉(zhuǎn)剛度的加載約束條件及方式為:車門鉸鏈處各方向的位移Ux=Uy=Uz=0, 各方向的轉(zhuǎn)動URx=URy=URz=0, 在車門內(nèi)板左上角附近(垂直于車門方向)加載0.2 kN的節(jié)點力, 探討了① 不考慮成形因素; ② 只考慮應(yīng)力因素; ③ 只考慮應(yīng)變因素; ④ 只考慮厚度因素等情況下的扭轉(zhuǎn)剛度．

表2 不同情況下車門最大位移、應(yīng)力以及扭轉(zhuǎn)剛度

3 車門扭轉(zhuǎn)剛度

設(shè)定以上4種情況為邊界條件, 以LS-DYNA為求解器,對板料成形過程進行模擬分析, 并將得到的網(wǎng)格、殘余應(yīng)力、厚度和塑性應(yīng)變等信息通過LS-PREPOST軟件映射到新網(wǎng)格, 作為網(wǎng)格的初始參數(shù)[10], 最終得到不同情況下車門的最大位移、應(yīng)變以及扭轉(zhuǎn)剛度, 如表2和圖3所示．結(jié)果顯示,考慮厚度成形因素時,車門最大位移、應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)剛度與未考慮成形因素的情況相比無明顯變化;而考慮應(yīng)變與應(yīng)力因素時,三者均增大; 且考慮應(yīng)力因素時, 變化量最大．

圖3 不同情況下車門扭轉(zhuǎn)剛度的位移云圖(A)和應(yīng)力云圖(B)Fig.3 The displacement cloud diagram(A) and stress cloud diagram(B) of the car door torsional stiffness under different conditions