湯湧，趙廣，麻桂艷

（華晨汽車工程研究院白車身工程室，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

前言

輕量化現(xiàn)已成為汽車行業(yè)越來(lái)越熱門的話題，備胎盆作為汽車車身的主要大件之一，其材料厚度也已經(jīng)逐漸從0.8mm減小為0.7mm，厚度的減少給零件的剛度帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。備胎盆剛度不足將在使用過(guò)程中產(chǎn)生鈑金失穩(wěn)變形，甚至?xí)谲囕v行駛過(guò)程中產(chǎn)生異響，嚴(yán)重影響乘員的駕駛感受。以上問(wèn)題發(fā)生我公司某款車型的樣車試制階段，此問(wèn)題亟待解決。

1 塑性失穩(wěn)的切線模量理論

塑性失穩(wěn)（plastic collapse）是指構(gòu)件在載荷作用下在整體上或某一局部的全厚度上發(fā)生過(guò)度塑性變形而不能保持原有形狀的一種失穩(wěn)的失效形式[1]。軸向受壓縮載荷的壓桿也會(huì)發(fā)生軸向失穩(wěn)；受內(nèi)壓的容器當(dāng)內(nèi)壓過(guò)大而使容器發(fā)生整體范圍的屈服時(shí)，直徑明顯鼓脹；帶裂紋的構(gòu)件當(dāng)載荷足夠大，裂紋前端塑性區(qū)尺寸擴(kuò)大到使整個(gè)韌帶都發(fā)生屈服并發(fā)生過(guò)度塑性變形，這些都可稱為發(fā)生了塑性失穩(wěn)[2]。

軸向壓桿材料常具有圖1所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在應(yīng)力達(dá)到σp以后則為一曲線，其斜率為變量Et，稱為切線模量。

切線模量理論就是假定當(dāng)壓桿臨界壓力 σct超過(guò)了比例極限，其彈性模量 E應(yīng)以相應(yīng)于該臨界應(yīng)力的切線模量 Et來(lái)代替，用彈性狀態(tài)時(shí)求臨界載荷的同樣方法，導(dǎo)出兩端絞支軸向壓桿塑性狀態(tài)的臨界載荷為：

pt為切線模量臨界載荷。當(dāng)零件受到的載荷超過(guò)臨界載荷后便產(chǎn)生失穩(wěn)[3]。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

2 備胎盆屈曲

2.1 現(xiàn)象描述

我公司某款車型的備胎盆在 PT車試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在備胎盆Z向施加一定力值時(shí)，備胎盆即發(fā)生屈曲變形，即為塑形失穩(wěn)。

2.2 原因分析

觀察備胎盆失效情況及綜合 CAE分析動(dòng)畫(huà)發(fā)現(xiàn)該備胎盆發(fā)生屈曲的主要原因?yàn)閭涮ヅ璧撞看嬖谳^大的加強(qiáng)筋中斷區(qū)域，如圖 2。該區(qū)域在沖壓過(guò)程中未能獲得較好的加工硬化，在實(shí)際使用過(guò)程中此處產(chǎn)生失穩(wěn)進(jìn)而屈曲變形。

2.3 失穩(wěn)載荷確認(rèn)

更換新的備胎盆，使用增加砝碼的方法測(cè)定發(fā)生屈曲變形的力值，最終得出結(jié)論：該備胎盆的屈曲載荷為27.5Kg。

用CAE對(duì)備胎盆進(jìn)行模擬[4]，將備胎盆約束邊界全部自由度，在備胎盆中心取直徑50mm的圓形區(qū)域沿-Z方向均勻加載，初始為100N，10N遞增，CAE分析模型如圖2。當(dāng)載荷增加至290N時(shí)，備胎盆發(fā)生屈曲，CAE分析結(jié)果如圖3。

圖2 CAE分析模型

試驗(yàn)結(jié)果與CAE分析結(jié)果基本吻合。確立該分析方法為備胎盆屈曲分析方法。

圖3 CAE分析結(jié)果

3 競(jìng)品分析

按照2.2的分析方法選取自主品牌及合資品牌中銷量比較大的7款競(jìng)品車進(jìn)行CAE分析，結(jié)果見(jiàn)圖4及表格1。備胎盆最低屈曲極限力值為612N，最大屈曲力值為3090N。

圖4 競(jìng)品車CAE分析結(jié)果

表1 競(jìng)品分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 備胎盆優(yōu)化

綜合考慮備胎盆在總裝車間安裝內(nèi)飾過(guò)程中會(huì)有工人踩踏的情況，并根據(jù)競(jìng)品分析結(jié)果設(shè)定競(jìng)品車型 5的結(jié)果1800N為目標(biāo)值，對(duì)問(wèn)題備胎盆進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的備胎盆如圖5，根據(jù)實(shí)際布置情況已經(jīng)盡量將加強(qiáng)筋中斷區(qū)域縮小，并將備胎盆底部的拱高從10mm增大至20mm，從而在沖壓過(guò)程中獲得較好的加工硬化效果。

圖5 優(yōu)化后的備胎盆

將優(yōu)化后的備胎盆進(jìn)行 CAE分析得出備胎盆屈曲力值為1850N，滿足目標(biāo)值1800N的要求。制作樣件進(jìn)行裝車驗(yàn)證，備胎盆未產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象，滿足使用要求。

5 結(jié)論

本論文通過(guò)實(shí)驗(yàn)與CAE對(duì)標(biāo)確立了CAE分析方法，通過(guò)競(jìng)品分析確立了備胎盆屈曲的極限目標(biāo)值為1800N，并將該項(xiàng)分析列入剛度強(qiáng)度性能進(jìn)行管理，避免此項(xiàng)問(wèn)題的發(fā)生給公司帶來(lái)?yè)p失。

[1] 林程.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[J].北京:機(jī)械工業(yè)出版社. 2016.

[2] 谷正氣.汽車車身現(xiàn)代技術(shù)[J].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2009.

[3] 陳光南.鈑金屬拉伸成形的穩(wěn)定性問(wèn)題鋼鐵研究[Z].第4期（總第67期）.

[4] 薛學(xué)貴.白車身結(jié)構(gòu)彎曲靜剛度有限元與試驗(yàn)分析.機(jī)電技術(shù)[J].2017（02）.