基于成形的車門剛度精細仿真研究

劉瑞軍 胡 平 張 杰

1.北華大學,吉林,132013

2.大連理工大學工業裝備結構分析國家重點實驗室,大連,116024

3.鄭州宇通客車股份有限公司,鄭州,450016

0 引言

常規車門設計主要解決結構尺寸和附件安裝等問題,基本不考慮剛度因素。事實上,車門剛度對車輛的安全性和舒適性有很大的影響[1-5]。隨著計算機技術的發展,現在已能夠利用計算機技術對所設計車門的剛度進行仿真,將仿真結果作為優選設計方案的影響因素之一,就可以獲得滿足剛度要求且結構合理、整體輕量、成本低、性能高的設計方案[6-8],因此,仿真結果的精度在很大程度上影響車門設計方案的優劣。采用結構分析軟件ABAQUS能夠實現車門的常規剛度仿真,但仿真結果與試驗結果總是存在不同程度的差異,如何利用現有的CAE軟件提高車門剛度的仿真精度成了亟待解決的問題。常規CAE仿真采用的是等厚度、零應力和零應變的板材零件裝配成的車門模型,實際上車門模型的內外板經過沖壓成形后,上述狀態值均已發生了變化,因此,車門仿真模型不能反映車門真實狀態是導致仿真結果不精確的主要原因[9-13]。為提高車門仿真精度,本文提出將車門內外板的成形結果(厚度、應力和應變)作為“初始場”引入車剛度仿真模型的精細仿真方法。仿真結果表明,精細仿真能夠真實地反映車門剛度值。

1 車門剛度

車門剛度是指車門在一定載荷作用下抵抗變形的能力,以載荷與載荷引起變形量的比值來表示,單位N/mm。車門剛度包括側向剛度、垂直剛度、腰線剛度和表面剛度等。

1.1 車門剛度對車輛性能的影響

表面剛度不足的車門在碰撞時產生的大變形會影響駕駛員和乘客的生存空間,扭轉剛度不足引起的車門變形會影響門鎖、升降器等附件的使用性能,嚴重時可導致門鎖和升降器不能正常工作,這些均會影響到乘員的安全性。

整體剛度不足的車門的變形會影響車門的密封性能,無論是漏風、漏水,還是因整體變形引起的噪聲、振動等都會影響到車輛的舒適性。

2 數據轉換

2.1 數據轉換規則

不同的CAD/CAE/CAM軟件采用不同的文件格式表示其模型,例如 *.IGES、*.DXF、*.SAT、*.STL等。為了實現不同 CAD/CAE/CAM 間的數據共享,不同的文件格式需要進行數據轉換。目前,CAD與CAE軟件間的數據都是基于零件的幾何模型進行轉換的,而基于幾何模型的數據轉換存在諸多不足:①文件結構復雜、語法眾多,數據的讀、寫、存儲和轉換困難;②模型的參數化造型特征經過轉換后將完全喪失,特征樹結構將不存在;③實體模型轉換后,有時只存在線框或面模型,需要重新構造面和實體;④復雜模型轉換后往往會產生數據丟失或冗余,面與面之間還可能產生縫隙;⑤轉換后的模型不能進行參數化修改。鑒于CAE軟件均采用單元號、節點號和節點坐標表示有限元網格模型,本文提出了基于CAE網格模型的數據轉換方法。網格模型是指劃分有限元網格后的幾何模型,網格模型特征通過節點信息(節點編號、三維坐標值和轉動分量)進行描述,根據靜力等效原則或虛功原理將網格模型中單元的位移、約束和載荷移置到節點上,所以,網格模型轉換規則的實質是節點的轉換,節點的轉換可以實現網格模型的“零”失真轉換。

2.2 車門模型轉換

為了達到將板料成形結果加載到結構分析軟件的目的,需要將自主開發的板料成形CAE軟件KMAS/one—step產生的成形結果文件(*.nas),通過編寫的模型轉換接口轉換為結構分析軟件ABAQUS能夠識別的文件(*.inp),轉換流程如圖1所示。

以長安汽車集團開發的某新車型右前門內板CAD模型為例,根據網格模型轉換規則將KMAS/one—step生成的網格數據導入ABAQUS并顯示,顯示結果如圖 2所示。KMAS/one—step網格數據文件和轉換后的ABAQUS網格數據文件中的單元數量、單元形態和相應節點坐標均相同,說明按照網格模型轉換規則實現網格零件單元、節點數據轉換的方法可行、正確。

3 車門剛度精細仿真

為了提高車門剛度仿真精度和計算效率,車門內外板的光順區域采用四邊形單元化分網格,邊、角等復雜區域采用三角形單元化分網格。另外,在劃分網格時,需對車門邊框、車窗部位和密封圈接觸面等狹長結構進行局部網格加密處理。采用公用節點相連的方式完成車門內外板的裝配,使車門成為由連續單元構成的整體,便于進行結構分析。

結合車門結構特點及技術要求,根據車門剛度性能校核標準,確定車門剛度精細仿真分析的約束和加載。設UX、UY、UZ分別為車門在X 、Y 、Z軸方向的位移量,URX、URY、URZ分別為車門繞X、Y、Z軸的轉動量。車門剛度精細仿真流程如圖3所示。

4 車門剛度精細仿真實例

以長安汽車開發的整體式車門為例,采用精細仿真方法對車門側向剛度進行分析。車門側向剛度試驗約束和加載形式見表1。

表1 車門側向剛度試驗約束和加載形式

車門板采用四邊形和三角形殼單元,鉸鏈采用八節點六面體和六節點楔形體單元,車門劃分網格后共有29 845個單元、30 783個節點。車門內外板材料為ST14,材料性能參數見表2。

表2 車門內外板材料性能參數表

采用ABAQUS軟件對車門分別進行常規剛度仿真和精細剛度仿真,車門側向剛度的常規仿真和精細仿真結果如圖4、圖5所示。常規仿真、精細仿真與試驗的最大應力、最大位移和側向剛度見表3。分析表3數據可知,常規仿真的誤差為14.28%,精細仿真的誤差為3.45%,因此,精細仿真能夠較真實地反映車門的剛度。

表3 車門的最大應力、最大位移和側向剛度

圖4與圖5的顯示結果表明精細仿真的最大應力值大于常規仿真的最大應力值,說明精細仿真可以直觀地反映出應力集中部位。精細仿真的最大位移小于常規仿真的最大位移,說明板材的沖壓成形結果具有抵抗車門整體變形的能力。

為了觀察關鍵區域(應力集中區)單元的位移變化情況,按照總載荷10%的幅值遞增加載,以更加精確地觀察成形結果對局部變形的影響程度,關鍵單元(單元號為25 053)的位置如圖6所示。

外部載荷以20N為基本單位遞增,最終載荷為200N,記錄關鍵單元的位移情況。單元位移隨外部載荷遞增時的變化情況如圖7所示。

由圖7可知,隨著載荷的增大,關鍵單元在精細仿真中的位移明顯大于常規仿真的位移。結果表明車門板沖壓成形后的應變時效硬化特性有利于提高車門整體的側向剛度,但板材變薄也會導致出現局部大變形現象,因此,應根據精細仿真結果對車門大應變區進行相應的強化設計。

5 結束語

本文提出了在CAE分析前處理過程中將板材成形結果作為“初始場”替代常規“零場”的精細仿真方法,該方法克服了常規車門剛度仿真模型不能反映實際狀態的弊端。采用網格轉換規則實現車門內外板成形結果加載的精細仿真方法,明顯提高了車門剛度的仿真精度。

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