基于非线性有限元的轿车顶棚雪载分析及优化

张艳玲 芦伟 李伟 徐余平

摘 要：文章基于非线性有限元理论，以某轿车顶棚为例，进行雪载分析及优化，重点介绍了顶棚雪载分析的具体流程，通过与目标值的对比，对其雪载性能进行评价;并根据分析结果确定了优化顶棚结构的方案;对优化后的结构重新进行分析，仿真计算结果表明，顶棚雪载的性能得到提高，满足设计要求。

关键字：顶棚雪载;非线性;塑性变形;屈曲

中图分类号：U462  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）21-155-03

Abstract： In this paper， roof snow pressure performance is analyzed based on the nonlinear finite element theory， and for a passenger car roof as an example. It mainly introduces the roof snow pressure analysis of the specific process. Through the comparison with the target， the snow pressure performance is evaluated. According to the results of the analysis， the optimized roof structure scheme is determined. The simulation calculation results of the optimized structure show that the roof snow pressure performance is improved， and meet the design requirements.

Keywords： Roof snow; Nonlinearity; Plastic strain; Buckling

CLC NO.： U462  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）21-155-03

1 引言

汽车顶棚作为车身的重要总成件之一，其结构必须有足够的刚度和强度以保证其装配和使用的要求。汽车顶棚雪载分析目的是分析顶棚的承受雪载能力，看其是否能够达到承载一定的均布载荷以满足设计要求，这对整车顶压性能的衡量也有一定的参考意义。

2 轿车顶棚雪载分析

2.1 顶棚雪载分析的理论及方法

有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。它实际上是一种离散化方法，将弹性连续体划分为有限小单元，它们在有限节点上互相连接。在满足精度要求下，对每个单元用有限个参数来描述它的力学特性，而整个连续体的力学特性可以认为是这些小单元力学特性的总和，从而建立连续体的力的平衡关系。

顶棚雪载分析属于非线性分析，利用Abaqus作为求解器进行求解。

2.2 有限元模型的建立

对于顶棚结构来说，选用有限单元类中的壳体单元来描述其力学特性是最合理的。由于考虑了结构单元中性面上的平面刚度、弯曲刚度和曲率效应，壳体单元比梁单元、板单元具有更高的计算精度。

顶棚的模型是在白车身有限元模型的基础上进行截取获得，首先导入白车身有限元模型，使白车身的模型在XZ平面内展示，如图1所示，图中黑色线框内为所要截取的部分，这里应注意截取的部分应该保证完整的A柱结构，为了保证计算结果的精度所截取的各柱长度不得小于该柱长度的2/3。

由于本文需要使用Abaqus非线性算法计算零部件的结构强度，属于金属材料的弹塑性分析，在定义材料非线性时除了需要定义材料的杨氏模量，泊松比和密度等弹性部分外，还需要准确地定义材料的塑性部分。

2.3 边界条件及载荷的定义

对于顶棚雪载分析的边界条件如图2所示，为了能考虑到门柱对顶棚不稳定性的影响，需要约束截取的部位，可以采取將所有的断面上的节点均约束住的办法，也可以采取节点间隔约束将平动和转动的所有自由度约束住。

对于顶棚雪载分析的载荷边界条件按照如下的公式进行推导施加。

2.4 分析结果

顶棚雪载性能结果，主要考察的指标有60cm时的塑性应变，90cm时的屈曲及位移，160cm雪厚时的塑性应变和最大位移作为参考。经过计算可得如表1，图3所示分析结果。图4为整个过程中雪载厚度与位移的关系曲线。

顶棚雪载分析结果要求：顶棚在60cm内不出现塑性应变;顶棚在90cm内不发生屈曲变形。故此顶棚结构不满足雪载强度要求。

3 顶棚结构优化及分析

3.1 顶棚结构优化

根据上面的雪载性能分析结果，需要对顶棚及支撑结构做进一步优化，从而提高其雪载性能。优化方案的提出主要是针对顶棚出现屈曲的部位进行加强，改变顶棚发生屈曲变形位置及附近的加强筋的数量，由原来的5条增加为6来条，并且在下方增加厚度为0.7mm的横梁，材料为B340LA，优化示意如图5所示。

3.2 顶棚结构优化分析结果

对优化后的结构重新进行顶棚雪载分析，优化后的位移分布云图如图6所示，分析结果如表2所示。整个过程中雪载厚度与位移的关系曲线如图7所示。

由分析结果可知，优化后的顶棚结构在60cm内没有出现塑性应变;在90cm内没有发生屈曲变形。故优化后的顶棚结构满足雪载性能要求。

4 结论

本文采用非线性 有限元仿真分析方法，建立轿车顶棚雪载的有限元模 型，对其进行雪载性能分析，并根据分析结果提出了优 化方案，通过对优化方 案进行重新分析，以及前后分析结果的对比，证明该方案对提高顶棚雪载性能具有明显效果，对于顶棚结构的设计以及优化都具有一定的指导意义。

参考文献

[1] 王望予，汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004.8.

[2] 张胜兰，郑冬黎，郝琪等.基于HyperWorks的结构优化设计技术[M] 北京：机械工业出版社，2007.