某車(chē)型備胎盆屈曲的有限元分析

劉瑩，蘇陽(yáng)，喬鑫

測(cè)試試驗(yàn)

某車(chē)型備胎盆屈曲的有限元分析

劉瑩，蘇陽(yáng)，喬鑫

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

在某款車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，備胎盆由于結(jié)構(gòu)的原因出現(xiàn)了Z向屈曲的問(wèn)題。文章使用弧長(zhǎng)法分析其非線性屈曲過(guò)程，從而找出屈曲點(diǎn)，以此來(lái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)從而解決備胎盆的屈曲問(wèn)題。分析及解決問(wèn)題的思路及方法可以對(duì)以后車(chē)型設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

屈曲分析；弧長(zhǎng)法；缺陷

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-118-02

引言

車(chē)身作為駕駛員的工作場(chǎng)所，同時(shí)也是容納乘客和貨物的場(chǎng)所，除美觀外還需要具有良好的剛度性能以抵御受力變形，尤其是現(xiàn)在大部分乘用車(chē)采用承載式車(chē)身設(shè)計(jì)，對(duì)承載性能要求更加嚴(yán)格。備胎盆平時(shí)用作盛放備胎，在車(chē)輛行駛過(guò)程中要滿足要求的強(qiáng)度目標(biāo)，使得在極限工況下不發(fā)生屈曲破壞。在某款車(chē)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，備胎盆由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題Z向存在屈曲的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題本文進(jìn)行了研究。

1 屈曲分析

屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，屈曲分析包括線性屈曲和非線性屈曲分析。線彈性失穩(wěn)分析又稱(chēng)特征值屈曲分析；線性屈曲分析可以考慮固定的預(yù)載荷，也可以使用慣性釋放；非線性屈曲分析包括幾何非線性失穩(wěn)分析、彈塑性失穩(wěn)分析、非線性后屈曲分析等。

線性屈曲分析比非線性屈曲分析計(jì)算省時(shí)，但得出的結(jié)果通常是不保守的。由于缺陷和非線性行為存在，因此得到的結(jié)果無(wú)法與實(shí)際結(jié)構(gòu)的理論彈性屈曲強(qiáng)度一致。

使用ABAQUS計(jì)算非線性屈曲，采用RIKS法，計(jì)算最大臨界載荷和屈曲以后的后屈曲相應(yīng)，可以查看后屈曲狀態(tài)，用弧長(zhǎng)量代替時(shí)間量。載荷比例因子與載荷相乘就是屈曲載荷。

2 弧長(zhǎng)法（RIKS）

弧長(zhǎng)法是目前結(jié)構(gòu)非線性分析中數(shù)值計(jì)算最穩(wěn)定，計(jì)算效率最高且最可靠的迭代控制方法之一，它能夠有效的分析結(jié)構(gòu)非線性前后屈曲及屈曲路徑跟蹤。弧長(zhǎng)法屬于雙重目標(biāo)控制方法，即在求解過(guò)程中同時(shí)控制載荷因子和位移增量的步長(zhǎng)。其基本控制方程為[1]：

式中：

Δλ為載荷因子增量數(shù)值

Φ為載荷增量系數(shù)，用于控制弧長(zhǎng)法中載荷因子增量所占的比重

Δl為固定的半徑

在求解過(guò)程中，載荷因子增量Δλ在迭代中是變化的，下列非線性靜力平衡的迭代求解公式中存在n個(gè)未知數(shù)，即

這樣，在弧長(zhǎng)法中一共存在n+1個(gè)未知數(shù)，根據(jù)約束方程：

即為附加的控制方程，問(wèn)題才能得到解答，此時(shí)，可以根據(jù)Ψ值的取值分為兩種弧長(zhǎng)法，其中，Ψ≠0時(shí)的弧長(zhǎng)法稱(chēng)為球面弧長(zhǎng)法，Ψ=0時(shí)的弧長(zhǎng)法稱(chēng)為柱面弧長(zhǎng)法。

弧長(zhǎng)法適應(yīng)性很強(qiáng)，收斂性和穩(wěn)定性明顯好于其他處理負(fù)剛度問(wèn)題的方法。

3 仿真分析

某款車(chē)型初版?zhèn)涮ヅ铇蛹龀鰜?lái)后發(fā)現(xiàn)存在屈曲現(xiàn)象，正中位置施加垂向力時(shí)發(fā)生屈曲翻轉(zhuǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，垂向力達(dá)到280N時(shí)發(fā)生屈曲，此值遠(yuǎn)低于目標(biāo)。

圖1 初版?zhèn)涮ヅ枘Ｐ桶l(fā)生屈曲

3.1 仿真建模及對(duì)標(biāo)分析

備胎盆模型采用殼單元建模，因?yàn)榭紤]彎曲變形，采用二階單元并施加沙漏控制，約束邊界全部自由度，在中間位置施加Z向均布載荷，從100N開(kāi)始，采用弧長(zhǎng)法逐步跟蹤屈曲過(guò)程及后屈曲狀態(tài)。

圖2 初版?zhèn)涮ヅ璺治瞿Ｐ秃徒Y(jié)果

仿真分析結(jié)果顯示，在Z向力達(dá)到294N時(shí)備胎盆中部發(fā)生屈曲，此結(jié)果稍高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可能是因?yàn)閷?shí)際備胎盆結(jié)構(gòu)存在初始缺陷，導(dǎo)致屈曲力要小一些。接下來(lái)我們考慮初始缺陷重新進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。

3.2 考慮初始缺陷的對(duì)標(biāo)分析

同一模型采用BUCKLE進(jìn)行屈曲特征值分析，輸出前10階屈曲特征值下的節(jié)點(diǎn)位移。以此作為非線性屈曲分析的初始缺陷，重新采用弧長(zhǎng)法分析后，結(jié)果顯示Z向力達(dá)到285N時(shí)發(fā)生屈曲，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。3.3 備胎盆屈曲優(yōu)化分析

圖3 考慮缺陷的分析結(jié)果

經(jīng)與設(shè)計(jì)部門(mén)分析討論，參考多款競(jìng)品車(chē)型的備胎盆設(shè)計(jì)方案，重新設(shè)計(jì)出三版優(yōu)化模型。

優(yōu)化方案加強(qiáng)了備胎盆中部結(jié)構(gòu)，方案2與方案1相比多了個(gè)流水槽，方案3將加強(qiáng)筋與中部凸臺(tái)相連。

圖4 優(yōu)化方案1，2和3

三種優(yōu)化方案經(jīng)過(guò)屈曲特征值分析，引入缺陷，然后采用弧長(zhǎng)法分析非線性屈曲過(guò)程，對(duì)比結(jié)果顯示方案1的屈曲力更加優(yōu)秀，達(dá)到了1460N，比原始方案高了5倍左右滿足目標(biāo)要求。

圖5 優(yōu)化方案屈曲分析結(jié)果

4 結(jié)論

綜合考慮加工工藝和成本等因素，最終確定采用優(yōu)化方案1的備胎盆設(shè)計(jì)方案。本文采用引入初始缺陷的弧長(zhǎng)法分析結(jié)構(gòu)非線性屈曲問(wèn)題，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果吻合很好，說(shuō)明弧長(zhǎng)法是分析該類(lèi)問(wèn)題的一個(gè)很好的方法，這對(duì)整車(chē)開(kāi)發(fā)中縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，指導(dǎo)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)有重要作用。

[1] 石亦平, 周玉蓉. Abaqus有限元分析實(shí)例詳解, 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

Study On Vibration Fatigue Of Motors With Frequency-domain Method

Liu Ying, Su Yang, Qiao Xin
（Brilliance Automobile Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

During the design of one SUV, the basin of spare wheel buckles at the Z direction because of the structure’s problem. The article analyzes the process of buckling by Riks to find out the buckling point. So we can optimize the structure to solve the problem. This method is useful for the design of other similar structure in the future.

Buckling analysis; Riks; Defect

U467

A

1671-7988 (2017)16-118-02

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.041

劉瑩，就職于華晨汽車(chē)工程研究院。