1 前言

    汽車頂蓋開天窗后，局部剛度會降低，當剛度不足時，在高速行駛，會產生震動及噪音，影響汽車的使用性能，嚴重的情況下天窗會掉下。汽車頂蓋的局部抗凹性能是反映頂蓋剛度性能的重要特性, 因此其抗凹性能分析越來越受到設計部門的重視。

    HyperMesh是一個高性能的有限元前、后處理器，擁有全面的CAD和CAE求解器接口、強大的幾何清理和網格劃分功能，能夠高效地建立各種復雜模型的有限元和有限差分模型。本文借助HyperMesh前處理軟件和非線性求解器的計算方法，對某車型頂蓋剛度通過抗凹性仿真模擬進行了對比分析，得到120N載荷下天窗的頂蓋局部位移曲線及云圖，為整車開發的前期設計提供了參考。

2 分析模型

    2.1 有限元模型的截取

    頂蓋的有限元模型截取自白車身。在模型截取過程中既要使截取后的頂蓋模型計算后與實物保持一致，又要使有限元模型盡量簡單。鑒于以上考慮，將白車身及頂蓋總成的CATIA模型導入HyperMesh，并進行幾何清理，在HperMesh軟件中截取白車身的有限元模型，模型網格的基本尺寸采用5mm×5mm建模，共有154640 個單元。最后的模型如下圖1所示。

圖1 頂蓋有限元模型

    2.2 材料與屬性

    本次分析涉及7種材料，由于要考慮頂蓋的塑性變形，除了給出材料的彈性模量和泊松比外還給出了材料發生塑性變形后的塑性應變和應力的曲線。

3 邊界條件

    頂蓋的抗凹剛度性能分析要考慮幾何非線性、材料非線性及接觸非線性。在分析中，采用解析剛體模擬剛性壓頭，在薄弱區域建立剛性面與頂蓋之間接觸關系。120N載荷施加在剛性面上，載荷方向沿著考察點曲面的法向。天窗用剛性體模擬，天窗的質量以集中質量加在天窗的質心處。約束A/B/C柱截面的DOF123，邊界條件如圖2所示。

圖2 頂蓋邊界條件

    分析分為兩個載荷步：

    第一步：天窗自重下，頂蓋的變形；

    第二步：施加位移載荷，在選取分析考察點建立垂直于外板的局部坐標系，在剛性面參考點沿局部坐標系Z軸施加120N載荷。

4 計算結果及分析

    根據實驗測量頂蓋剛度最弱的區域作為抗凹點的分析位置，具體選擇在下圖所示天窗右下角，與天窗邊緣的距離為50mm處，從HyperView后處理軟件查看計算結果，得到在天窗自重下及120N載荷下的變形如下圖3，圖4所示。計算、分析值與實驗值比較接近。

圖3 天窗自重下變形

圖4 120N的變形

表1 HyperView后處理計算結果

    此時開天窗后的頂蓋的抗凹性較弱，變形較大，不能接受，需要進行局部加強優化。

5 結構改進

    為了解決現有車型頂蓋剛度不足問題，在不增加零件模具的情況下，通過在天窗附近區域粘貼結構加強片，來加強頂蓋的剛度。工程上提出了3種粘貼結構加強片的方案：

    方案一：在天窗四周貼加強片，如圖5所示；

圖5 天窗四周貼加強片

    方案二：在天窗四周部分區域貼加強片，如圖6所示；

圖6 天窗四周部分區域貼加強片

    方案三：在天窗后部一個區域貼加強片，如圖7所示；

圖7 天窗后部一個區域貼加強片

    分析結果如下圖所示：

圖8 貼加強片分析的結果圖

表2 3種方案跟原型對比的分析結果

    從上面的分析結果可知，方案1與方案3對安裝天窗后的頂蓋剛度不足問題有了很大的改善，方案3的改善效果與方案1相差不大，且方案3所貼的加強片較少，成本降低達2/3。綜合考慮可知方案3最優。

6 總結

    本文利用HyperMesh強大的畫網格功能及HyperView強大的后處理功能，很方便進行建模與后處理結果提取分析。對某車型開天窗后的頂蓋進行了抗凹性分析，分析結果與實驗較一致。根據分析結果對頂蓋的整體剛度性能做了評價，并提出了優化方案，經試驗檢測證明優化改進后的頂蓋剛度性能得到了明顯的改善。

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本文標題：HyperWorks在某車帶天窗頂蓋的剛度分析中應用

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