重型卡车侧围外板后部抗凹性研究

郝文宏

摘  要：轻量化设计是零部件设计的难点之一。在重型卡车侧围外板的轻量化设计中，减薄外板的料厚是轻量化设计方案之一，但是减薄零件的料厚会影响零件的抗凹性。抗凹性设计指标低于一定数值时，不仅会带来NVH问题还会影响客户对产品的主观评价。为了量化重型卡车侧围后部的抗凹性，采用Benchmark的方法，利用CAE分析的方式对重卡侧围后部抗凹性进行了分析，并研究了CAE分析结果与人的主观评价之间的关系。

关键词：重型卡车侧围外板后部;抗凹性

中图分类号：U463.82     文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2020）06-0068-05

Abstract： Lightweight design is one of the difficulties in component design. In the lightweight design of the outer plate of the side of the heavy truck， reducing the material thickness of the outer plate is one of the lightweight design schemes， but this design schemes will affect the parts's resistance to concave. when the design index of concave resistance is lower than a certain value， it will not only bring NVH problem， but also affect the customer's subjective evaluation of the product. In order to quantity the concave resistance of the rear of the side of heavy truck， the method of benchmark and CAE analysis were used to analyze the concave resistance of the rear of the side of heavy truck， and the analysis results were compared with the subjective evaluation.

Key Words： Rear of the Side of Heavy Truck; The Concave Resistance

1    前言

重型卡车的侧围外板是重型卡车白车身总成中重要的大型零件之一，其重量占卡车白车身总成（不包括白车门总成及白工具箱总成）总重量的11%左右。轻量化是汽车技术永恒的追求，如何设计出轻量化的白车身是白车身设计技术的难点之一。减小侧围外板的料厚是实现轻量化技术方案之一。侧围外板料厚减薄后，会出现一系列的技术问题，在这些技术问题中，侧围外板后部的抗凹性是这些技术问题中首先要面对的问题。

重型卡车侧围后部是如图1所示的区域，在此区域中，一般会存在面积较大的无骨架支撑的薄板结构，此区域常见的技术问题是：区域的局部模态接近发动机怠速频率，此区域的抗凹性极易被设计人员忽略。

侧围外板后部的抗凹性属于主观评价，不同的用户可能会产生不同的评价。如果用户对這一区域的抗凹性产生“很软”这一主观评价，会影响用户对整个驾驶室的品质评价。不仅如此，如果在产品设计初期，此区域的性能设计指标制定的偏弱，不仅会影响用户的主观评价还会影响驾驶室的NVH性能。因此，侧围外板后部的抗凹性应在产品设计初期就制定出一定的设计指标。文献[1]中，作者在数值模拟的基础上对发动机罩的抗凹性给出了在400N载荷的作用下，压头的上部材料为钢材，下部为橡胶材料，半径为R=80mm时，覆盖件的外板凹陷位移不超过15mm为合格。文献[2]中，为了评价顶盖的抗凹性，作者给出的CAE分析结果的评价方法为：（1）一次性缓慢加载，使加载点的挠曲位移f达到10mm，获取载荷-位移曲线，载荷-位移曲线处于目标刚度曲线13N/mm之上，且载荷大于等于400N为合格;（2）由载荷-位移曲线，检查130N处凹陷位移，小于等于6mm为合格;（3）检查载荷-位移曲线，从0到400N没有出现油罐效应为合格。此文中，加载物体是直径为100mm的刚性半球。

以上文献中给出的设计指标属于轿车相关总成的设计指标，由于重型卡车的用户多数为男性，所以这些设计指标是否适合重卡侧围后部的抗凹性，需要进一步的研究。

2    工况及受力数值的确定

为了确定侧围外板后部的受力工况及受力大小，我们进行了两种工况下力大小的实际测量工作。一种工况模拟人用右手大拇指按压时人的施力状况，另一种工况模拟人用右手手掌推时人的施力状况。测量的人数为6人，测量结果见表1：

这些数据的测量条件为：被测量人站立时自由施力，力的大小读取的是测力计上最高峰值时力的大小。选取男性的原因是：考虑到重卡的使用者大多为男性。

在参考文献[3]中，给出了我国中等体力20～30岁的男青年手臂肌肉的施力大小为：左手370N，右手390N。拇指肌肉的施力大小为：左手100N，右手120N。

根据力的测量结果，我们认为手掌推工况为评价侧围后部抗凹性较恶劣的工况。结合参考文献[3]以及测量的实际情况，我们认为力的大小选取400N较为合适。

3    分析方法的选择

随着CAE有限元分析技术的发展，CAE有限元分析技术在产品创新中的作用变得越来越重要。CAE有限元分析技术以其分析成本低，精度高，时间短，可重复性好而成为产品创新不可或缺的环节。

为了制定重型卡车侧围后部抗凹性设计指标，我们选取了三辆重型卡车驾驶室作为研究对象。在分析这三辆重型卡车驾驶室侧围后部抗凹性时，为了降低成本，我们选择CAE有限元分析技术来进行分析工作。这三辆重型卡车驾驶室分别为驾驶室A，驾驶室B和驾驶室C。在分析这三辆驾驶室侧围后部抗凹性时，我们是在不考虑补强板的情况下进行的分析工作，驾驶室A和驾驶室C的侧围零部件的材料来源于逆向材料分析，驾驶室B的侧围零部件的材料来源于正向设计。

4    侧围外板后部抗凹性有限元分析

4.1   建立有限元分析模型

利用HyperMesh对需要进行分析的车型建立有限元分析模型，为了提高计算效率，模型去除了与车门装配的部分，如图2所示。模型中共有56326个单元，焊点和膨胀胶均采用C3D8H单元模拟。

4.2   压头的分析模型

分析时的压头球面半径为41.3mm，后部连接半径为40mm的圆柱体。压头的圆柱部分为钢材，球面部分为橡胶。压头的模型如图3所示：

同时，为了保证整个有限元计算的准确性，对压头加载的侧围外板区域进行了局部网格精细化处理，如图4所示：

4.3   分析点的选择

侧围的抗凹性与其结构直接相关，根据侧围总成结构，在没有支撑的薄弱部位选择加载点，加载点的数量及部位见图5，图6，图7。

4.4   约束条件及加载方式

约束侧围与白车身连接位置的X、Y、Z三个方向的平动和转动自由度，同时约束压头X、Z方向的平动自由度，在压头与侧围之间添加接触设置，并施加400N的作用力。根据侧围总成的结构，曲面的法向与Y向夹角小于0.2度，为了简化分析，加载方向选取Y向，在不同加载点，分别计算三辆车型的Y向变形。

4.5   材料属性

材料属性见表2。

4.6   分析结果

通过有限元分析，得到三个驾驶室侧围外板在400N载荷作用下的位移大小。驾驶室A的位移大小如表3所示，驾驶室B和C的位移大小如表2所示：

5    主观评价

我们在实际车辆上找出分析的点并选择6人对它们进行主观评价。选取的6个人全部为男性，年龄为28～45岁的技术员。进行主观评价时，在驾驶室B和C的侧围后部按压时感觉不到有位移，所以我们认为驾驶室B和C的侧围后部抗凹性良好，没有进行实际点的测绘工作。在对驾驶室A进行主观评价时，侧围后部有些部位明显感觉到有较大的位移，驾驶室A侧围后部实际点如图8所示。选择的6个人对驾驶室A侧围后部不同点的主观评价见表5：

从主观评价的结果看，主观评价一致为良好的位移量是：7.5，6.6;主观评价一致为不可接受的位移量是：14.75，13.9，13.29;主观评价一致为可接受的位移量9.56，10.77，10.62;主觀评价有的为可接受，有的为不可接受，有的为勉强接受的位移量是：13.66，10.32。

从位移的角度看，我们容易得到：当位移小于8mm时，侧围外板的抗凹性可以满足良好这一主观评价。当位移小于10mm时，侧围外板的抗凹性可以满足可接受这一主观评价。考虑到我们的主观评价为小样本研究，我们对驾驶室A侧围后部序号为2，3的点的刚度曲线进行了比较。

从点的刚度曲线我们可以看出，点3的刚度曲线出现了明显不连续的情况，而点2的刚度曲线是连续的。这说明虽然点2的位移量处于13mm以上，但它能被一部分人勉强接受。

6    结论

通过以上研究，我们认为，对于重型卡车侧围外板后部的抗凹性设计指标可以采用分区定义的方式进行设计。在侧围外板高度2/3以下的区域，我们建议的设计指标是：（1）在400N的载荷下，压头采用本文所述的压头的情况下，位移小于等于8mm;（2）加载点的刚度曲线连续无突变。在侧围外板高度2/3以上的区域，在满足局部模态的前提下，侧围外板的抗凹性设计指标可以在13mm以内。

在检查重型卡车侧围外板后部区域的局部模态时，这一区域的局部模态应避免与发动机怠速频率或发动机常用频率接近。

据文献[4]，零部件的抗凹性和材料的强度级别正相关，所以本文的结论只适合DC系列的材料或强度级别与DC系列相同材料的零部件抗凹性的设计。

参考文献：

[1]胡从义. 基于数值模拟的发动机罩抗凹性能优化 农业装备与车辆工程，2014.07.

[2]刘瑜，刘子建. 车顶覆盖件抗凹和抗雪压性能分析与评价，汽车工程，2017.11.

[3]袁泉. 汽车人机工程学，北京：清华大学出版社.

[4]羊军，来新民. 高强度车身外覆盖件的刚度及抗凹形影响因素研究，上海汽车，2013.06.