HyperWorks在车辆天窗顶盖刚度分析中的创新应用

摘要

汽车外板的抗凹性能是反映外板使用性能的重要特性，本文应用HyperMesh前后处理软件，分析某车带天窗顶盖的刚度。考虑了材料、几何及边界的复杂非线性，模拟天窗的夹紧，对某车型开天窗后的顶盖的抗凹性能进行了模拟分析。通过对顶盖的抗凹性分析及评价，为设计工程师提供了重要的参考价值。  

关键词： 顶盖, HyperMesh, 静刚度，动刚度, 静应力

1 前言

汽车顶盖开天窗后，局部刚度会降低，当刚度不足时，在高速行驶，会产生震动及噪音，影响汽车的使用性能，严重的情况下天窗会掉下。汽车顶盖的局部抗凹性能是反映顶盖刚度性能的重要特性, 因此其抗凹性能分析越来越受到设计部门的重视。

HyperMesh是一个高性能的有限元前、后处理器，拥有全面的 CAD和CAE求解器接口、强大的几何清理和网格划分功能，能够高效地建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型[1]。本文借助HyperMesh前处理软件和非线性求解器的计算方法，对某车型顶盖刚度通过抗凹性仿真模拟进行了对比分析，得到120N载荷下天窗的顶盖局部位移曲线及云图，为整车开发的前期设计提供了参考。

2 分析模型

2.1 有限元模型的截取

顶盖的有限元模型截取自白车身。在模型截取过程中既要使截取后的顶盖模型计算后与实物保持一致，又要使有限元模型尽量简单。鉴于以上考虑，将白车身及顶盖总成的CATIA模型导入HyperMesh，并进行几何清理，在HperMesh软件中截取白车身的有限元模型，模型网格的基本尺寸采用5mm×5mm建模，共有154640 个单元。最后的模型如下图1所示。

2.2 材料与属性

本次分析涉及7种材料，由于要考虑顶盖的塑性变形，除了给出材料的弹性模量和泊松比外还给出了材料发生塑性变形后的塑性应变和应力的曲线。

3 边界条件

顶盖的抗凹刚度性能分析要考虑几何非线性、材料非线性及接触非线性。在分析中，采用解析刚体模拟刚性压头，在薄弱区域建立刚性面与顶盖之间接触关系。120N载荷施加在刚性面上，载荷方向沿着考察点曲面的法向。天窗用刚性体模拟，天窗的质量以集中质量加在天窗的质心处。约束A/B/C柱截面的DOF123，边界条件如图2所示。

分析分为两个载荷步：

第一步：天窗自重下，顶盖的变形；

第二步：施加位移载荷，在选取分析考察点建立垂直于外板的局部坐标系，在刚性面参考点沿局部坐标系Z轴施加120N载荷。

4 计算结果及分析

根据实验测量顶盖刚度最弱的区域作为抗凹点的分析位置，具体选择在下图所示天窗右下角，与天窗边缘的距离为50mm处，从HyperView后处理软件查看计算结果，得到在天窗自重下及120N载荷下的变形如下图3/4所示。计算、分析值与实验值比较接近。

此时开天窗后的顶盖的抗凹性较弱，变形较大，不能接受，需要进行局部加强优化。

5 结构改进

为了解决现有车型顶盖刚度不足问题，在不增加零件模具的情况下，通过在天窗附近区域粘贴结构加强片，来加强顶盖的刚度。工程上提出了3种粘贴结构加强片的方案：

方案一：在天窗四周贴加强片，如图5所示；

方案二：在天窗四周部分区域贴加强片，如图6所示；

方案三：在天窗后部一个区域贴加强片，如图7所示；

分析结果如下图所示：

从上面的分析结果可知，方案1与方案3对安装天窗后的顶盖刚度不足问题有了很大的改善，方案3的改善效果与方案1相差不大，且方案3所贴的加强片较少，成本降低达2/3。综合考虑可知方案3最优。

6 总结

本文利用HyperMesh强大的画网格功能及HyperView强大的后处理功能，很方便进行建模与后处理结果提取分析。对某车型开天窗后的顶盖进行了抗凹性分析，分析结果与实验较一致。根据分析结果对顶盖的整体刚度性能做了评价，并提出了优化方案，经试验检测证明优化改进后的顶盖刚度性能得到了明显的改善。

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