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基于有限元仿真的铝合金发罩抗凹与油壶性能预测 闫康康，王忠校，张雨 一汽技术中心车身部车身试验室长春130011 摘要：抗凹和油壶性能作为铝合金发罩的重要质量指标之一，对铝合金材料的应用和车身轻量化具有重要意 义。本文基于Abaqus/Standard 非线性准静态有限元方法，通过对冲头垂直下压铝合金发罩过程进行仿真， 模拟发罩抗凹和油壶试验过程。仿真得到冲头下压过程发罩的应力、位移分布和载荷-位移曲线，实现发 罩抗凹和油壶性能评估。通过与试验对比发现，仿真和试验结果基本一致，误差在可控范围，可用于指导 发罩结构设计和优化选材。 关键词：铝合金板发罩抗凹油壶Abaqus 0. 前言 随着汽车产量和保有量逐年增加，节约能源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问 题。汽车轻量化是降低燃油消耗和减少排放污染的重要途径，世界铝业协会报告指出：汽车质量每下降 10%，油耗会下降8%，尾气排放会下降4%[1] 。汽车车身质量占汽车总质量的40%左右，车身的轻量化对 于整车的轻量化有着举足轻重的意义，使用轻量化材料是减小车身重量的主要途径之一。达到同样的力学 性能指标铝合金板比钢板轻 60%，承受同样冲击铝板比钢板多吸收 50%的冲击能量，并且铝板的耐腐蚀 [2] 性能优于钢板。用铝板代替钢板制造车身是世界各国汽车制造商实现轻量化的主要措施 。 对于诸如汽车顶盖、发罩、行李箱盖、车门等大型外覆盖件，往往具有尺寸大、大面积的平坦平面、 拉延深度小的特点。这些区域往往表现出强度不足，当受到飞石、飞沙、冰雹等外载荷时，就会在车身表 面留下凹坑痕迹，不满足抗凹性能要求。尤其在该平面范围内无内部支撑情况下，汽车在使用过程中，受 到肘击、倚靠、行驶振动、装卸运输等随机扰动，大型平坦区域会在两个或多个平衡位置之间变化，覆盖 件产生弹性失稳，出现油壶现象，不满足屈曲性能要求。汽车覆盖件作为车身最外层的零部件，质量的好 坏直接影响着该车型的市场表现，因此覆盖件质量成为汽车制造商和顾客共同关注的问题，对覆盖件抗凹 和油壶性能的研究亦成为行业研究热点[3,4] 。本文应用Abaqus/Standard非线性准静态算法，对某车型铝合 金发罩在刚性冲头作用下变形过程进行数值模拟，预测了发罩的抗凹和油壶性能，并通过试验验证了预测 精度。实现在产品设计阶段对发罩抗凹和油壶性能完成评估，用于指导发罩结构设计和优化选材。 1. 汽车覆盖件抗凹与油壶性能 1.1 抗凹性能 车身作为轿车最关键的总成之一，外覆盖件的表面质量越来越受到制造厂商和客户的重视。汽车覆盖 件的抗凹性（Dent Resistance Capability ）是指车身表面零部件受到外部冲击载荷（如飞石、砂砾、冰雹、 按压等）时，抵抗覆盖件表面形成塑性凹痕和保持原形状的能力，汽车覆盖件的抗凹性是车身表面品质和 可靠性的重要评价指标之一。汽车覆盖件都有一定的抗凹性要求，不同零件的抗凹性要求不同，汽车覆盖 件抗凹性能通常通过抗凹试验来评估[141]，试验原理如图1 所示，典型抗凹试验载荷与凹痕深度曲线如图2 所示。将汽车覆盖件总成固定在试验台架上，用冲头以垂直方向对覆盖件施加压力，测量记录覆盖件上产 生的塑性凹痕深度和施加载荷大小。抗凹性能试验是一个准静态过程，冲头速度一般取 5~10mm/min 。由 于不同的外覆盖件或同一冲压件不同位置抗凹性要求不同，目前尚无抗凹试验统一标准，各个汽车厂家都 制定了自己的企业标准。 图1. 抗凹性能试验原理图. 图2. 典型抗凹试验载荷-凹痕深度曲线. 1.2 油壶性能 对于发罩、顶盖、行李箱盖、车门等汽车覆盖件，当受到撞击、肘击、按压、搬运等随机的外界扰动 时，覆盖件表面会发生弹性屈曲失稳，在两个或多个平衡状态变化，称之为油壶现象。通常采用汽车覆盖 件发生油壶现象时施加的载荷大小和油壶范围来评估油壶问题的严重程度，覆盖件凹陷深度与施加载荷的 关系曲线被用来衡量覆盖件抵抗油壶问题的能力。覆盖件初始发生屈曲或凹陷时的载荷大小定义为油壶载 荷，因此工业生产中通过油壶载荷来评估覆盖件质量。油壶载荷测定需要通过油壶试验完成，首先将汽车 覆盖件固定在试验台架上，用冲头以垂直方向对覆盖件施加压力，传感器实时记录覆盖件上产生的凹陷深 度和施加