四連桿無骨雨刮力學(xué)性能仿真

劉瑩，翟斌，于成龍，趙前程

(華晨汽車工程研究院CAE工程室，遼寧沈陽 110141)

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四連桿無骨雨刮力學(xué)性能仿真

劉瑩，翟斌，于成龍，趙前程

(華晨汽車工程研究院CAE工程室，遼寧沈陽 110141)

針對正向開發(fā)中的雨刮系統(tǒng)，應(yīng)用有限元方法，校核四連桿無骨雨刮工作一個(gè)循環(huán)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動，得到風(fēng)擋的接觸壓力分布及軌跡，為刮片的疲勞計(jì)算提供基礎(chǔ)。

有限元；四連桿無骨雨刮；力學(xué)性能；機(jī)構(gòu)運(yùn)動

0　引言

生活中人們發(fā)現(xiàn)下雨天有些時(shí)候，雨刷在玻璃上留下擦拭不均的痕跡。刮刷效果設(shè)計(jì)中要求初期到50萬次不允許出現(xiàn)任何刮刷痕跡，100萬次可以出現(xiàn)局部模糊刮痕(即接觸壓力為0)，但往往這個(gè)指標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)。排除雨刷硬化的原因，設(shè)計(jì)初始的壓力分配效果對膠條功能和壽命有著重要的影響[1]。作者對電動無骨雨刮進(jìn)行仿真分析，旨在模擬設(shè)計(jì)初始狀態(tài)刮刷效果及壓力分布，為設(shè)計(jì)提供參考。

1　分析思路

由于雨刮結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)原理是基于預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)之上，所以如何恰當(dāng)?shù)貙?shí)際結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成力學(xué)模型是分析成功的關(guān)鍵，也是分析精度的保證。作者首先模擬雨刮由自由狀態(tài)到安裝狀態(tài)下簧片的變形導(dǎo)致的應(yīng)力，再將應(yīng)力以場的形式引入裝配體。同時(shí)通過彈簧的力學(xué)分析得到彈簧的剛度并考慮初始伸長量，將曲線偏移實(shí)現(xiàn)雨刮預(yù)壓。

2　力學(xué)模型的細(xì)節(jié)處理

2.1力學(xué)模型建立

2.1.1網(wǎng)格的劃分、單元的選取及接觸的設(shè)定

眾所周知：刮片的本體由于其長寬比的原因，通常采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行二維分析。但由于其斷面的力隨時(shí)間和位置變化，三維分析更能精準(zhǔn)地捕捉歷程信息。對于單元的劃分，作者采用SWEEP的形式將二維單元延伸得到三維實(shí)體，如圖1所示。這樣除了減少計(jì)算花費(fèi)外，對于模型的收斂性也提供一定的保障。

圖1　刮片網(wǎng)格示意圖

膠條本體與簧片作者用節(jié)點(diǎn)耦合處理，同時(shí)將膠條的單元選取為雜交單元。接觸行為一共有3個(gè)，均以*CONTACT PAIR來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。其中膠條兩側(cè)的接觸在模型設(shè)置中設(shè)定，不同分析步中激活和關(guān)閉。

圖2　接觸位置

2.1.2膠條特性處理

由于橡膠本身的特性，在模擬仿真中作者采用超彈+黏彈本構(gòu)，利用關(guān)鍵字來實(shí)現(xiàn)[2]。

*HYPERELASTIC, NEO HOOKE, TEST DATA INPUT, MODULI=LONG TERM

*VISCOELASTIC, TIME=RELAXATION TEST DATA, NMAX

而由于引用橡膠的本構(gòu)關(guān)系，ABAQUS軟件會自動選取單元的控制語句，引入適當(dāng)?shù)纳陈┛刂啤?/p>

2.2初始變形及初始應(yīng)力

2.2.1獲取彈簧特性，模擬預(yù)張緊力

通常彈簧的剛度由供應(yīng)商提供給OEM，也可以通過有限元對已有的CAD模型進(jìn)行剛度的模擬，以此來匹配合適的剛度。如圖3所示，作者對彈簧施加軸向力得到軸向變形，進(jìn)而得到剛度。彈簧剛度近似為線性行為，但為精確模擬預(yù)拉，作者偏移曲線，引入非線性材料實(shí)現(xiàn)這一效果，如圖4所示。

圖3　彈簧變形分析

圖4　彈簧力學(xué)性能

通過關(guān)鍵字*CONNECTOR ELASTICITY, COMPONENT=1, NONLINEAR 賦予彈簧單元CONNECTOR AXIAL非線性屬性，實(shí)現(xiàn)彈簧預(yù)壓的力學(xué)模型。值得一提的是：兩個(gè)刮臂由于其幾何特性，彈簧的性能和預(yù)伸長不同。

2.2.2簧片預(yù)壓，引入預(yù)應(yīng)力場

抵抗簧片曲度回復(fù)的力，是影響刮擦效果的重要因素。通常用兩種方式實(shí)現(xiàn)簧片的預(yù)壓：一種是直接設(shè)定分析步，結(jié)果在后續(xù)的分析中繼承，如圖5所示。這樣做的好處是分析具備連貫性，缺點(diǎn)是增加分析難度。另一種方法是將本體的結(jié)果通過IMPORT的方式將應(yīng)力場引入，這樣做的好處是可以迅速找到合適的載荷來對應(yīng)后續(xù)分析的初始形態(tài)，如圖6所示。

圖5　刮片本體變形圖

圖6　初始應(yīng)力場

2.3四連桿及刮臂連接的處理

電機(jī)的輸出軸與四連桿之間的搖臂，作者采用ABAQUS強(qiáng)大的CONNECTOE單元HINGE+BEAM來實(shí)現(xiàn)，而搖臂與拉桿之間用JOIN+ROTATION單元模擬，如圖7所示。由于雨刮系統(tǒng)是三維四連桿結(jié)構(gòu)，這允許拉桿兩端有相對的Z向運(yùn)動，而由于電機(jī)輸出端已經(jīng)采用JOIN+ROTATION單元，所以另一端為防止軸向旋轉(zhuǎn)采用UJOINT 單元來模擬(見圖8)，這樣可以達(dá)到模擬實(shí)際的效果。

圖7　曲柄球鉸連接副單元

圖8　拉桿萬向節(jié)連接副單元

刮臂的結(jié)構(gòu)除彈簧以外，均為鉸鏈HINGE單元，包括刮片、簧片、雨刮臂之間，如圖9所示。其中彈簧單元的屬性，引用第2.2節(jié)中得到的彈簧特性。

圖9　刮臂連接副單元

2.4極限位置膠條的反轉(zhuǎn)

當(dāng)雨刮系統(tǒng)工作半個(gè)循環(huán)，膠條單元面臨突然反轉(zhuǎn)的可能，如圖 10所示。這個(gè)時(shí)候可以采用隱式動力學(xué)處理嚴(yán)重接觸不連續(xù)的現(xiàn)象，使分析收斂性大大提高。同時(shí)前半個(gè)循環(huán)，膠條一側(cè)有接觸，而另一側(cè)只有后半循環(huán)才會接觸，這樣在前半分析步，可以利用關(guān)鍵字激活和關(guān)閉必要的接觸。

*MODEL CHANGE, ADD, TYPE=CONTACT PAIR

S3601;NSET4, S3602;FACET4

*MODEL CHANGE, REMOVE, TYPE=CONTACT PAIR

S3603;NSET5, S3604;FACET5

圖10　膠條反轉(zhuǎn)示意圖

3　后處理及腳本的應(yīng)用

考察雨刮設(shè)計(jì)是否合理的一個(gè)重要評判是接觸壓力是否足夠。可以在軟件的后處理看到某時(shí)刻的接觸壓力，但如何將這些歷程累加成為云圖是作者需要考慮的問題。基于此作者對ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)，利用腳本Sweep Pressure.py[3]實(shí)現(xiàn)壓

力軌跡，如圖11為不同限值的壓力云圖顯示，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11　接觸壓力累積變形圖

原理是在后處理中提取每個(gè)點(diǎn)的壓力，累積后通過場的形式施加給玻璃。如圖11所示，無骨雨刮的刮擦效果合格，但其沿刮片方向壓力梯度較大，這容易造成雨刮中部壓力較大易疲勞。建議工程調(diào)整簧片預(yù)彎，使壓力更為均勻。

通過圖12可知，利用ABAQUS OVERLAP功能顯示雨刮系統(tǒng)工作一個(gè)循環(huán)下的玻璃壓力分布穩(wěn)定無突變，從而判定系統(tǒng)分析的穩(wěn)定性。

圖12　一個(gè)工作循環(huán)玻璃應(yīng)力分布

4　結(jié)論及展望

(1)實(shí)現(xiàn)整個(gè)雨刮系統(tǒng)的仿真模擬，成功得到接觸壓力軌跡和玻璃壓力分布，為前期設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

(2)局限于常溫分析，并沒有考慮不同溫度下的力學(xué)性能。溫度場的模擬僅僅對材料提出更全面的要求即可，不存在技術(shù)問題。

(3)下一步工作應(yīng)以此為基礎(chǔ)結(jié)合優(yōu)化軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)開展疲勞仿真工作。

【1】邵剛.汽車雨刷片設(shè)計(jì)[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2012,11(5):43-47.

SHAO G.The Design of Vehicle Wiper Blade[J].Journal of Anhui Vocational College of Electronics & Information Technology,2012,11(5):43-47.

【2】ABAQUS幫助文檔[M].

【3】曹金鳳.Python語言在ABAQUS中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

Simulation on Mechanical Property of Four-bar Linkage Boneless Wipers

LIU Ying, ZHAI Bin, YU Chenglong, ZHAO Qiancheng

(CAE Section, Brilliance Automobile Engineering Research Institute,Shenyang Liaoning 110141,China)

Aiming at the wipers system in forward development process, finite element method was used to check a circular motion of the four-bar linkage boneless wipers. The pressure distribution and trajectory of the windshield were gotten. It provides basis for the calculation of the blade fatigue.

FEA; Four-bar linkage boneless wipers; Mechanical properties; Mechanism motion

2016-05-18

劉瑩(1982—)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)耐久。E-mail:ying.l@brilliance-auto.com。

U463.85+5

A

1674-1986(2016)08-015-04