基于有限元技術的汽車機構運動仿真

劉瑩，魯永建，楊旭，喬鑫

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基于有限元技術的汽車機構運動仿真

劉瑩，魯永建，楊旭，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

應用有限元軟件ABAQUS對整車運動機構進行運動仿真，根據實車參數建立合理的轉向系統機構，開閉件系統等運動機構并對其進行分析，獲得各子系統中部件間的相對位移與應力變化情況，評價其合理性與設計可行性。

ABAQUS；多體運動機構；有限元

1 前言

1.1 概述

有限元法誕生于20 世紀中葉。隨著大型有限元通用程序的推廣以及計算機硬件技術的飛速發展，有限元技術在 20 世紀60 年代中期開始被廣泛應用于汽車分析設計中[3]。其分析過程分為結構離散化、單元特性分析、坐標變換、邊界條件處理和結構綜合這幾個步驟。目前大型有限元軟件有ABAQUS、NASTRAN 和ANSYS等。

由于汽車本身結構復雜，所承受的載荷也十分復雜，同時也受到各種路面激勵和各種車速條件下慣性力的作用以及各連接構件之間的相互約束作用，因此很難用經典力學方法求解。而有限元法由于其能解決結構形狀和邊界條件都任意的力學問題的優點，將被得到廣泛應用[4]。

20 世紀90 年代以后，機械系統動力學分析與仿真技術已能成熟應用于汽車行業。其中多剛體系統的建模理論已經成熟。但在現代汽車的產品開發階段，已經不僅僅滿足于傳統的彈性分析，更需要進行整車非線性系統分析，即整車操縱穩定性和平順性不能僅以剛體模型進行分析，還要考慮結構的變形效應從傳統的多剛體力學分析到考慮結構彈性的應力響應，如懸架系統、車身系統等，使得多柔體系統的建模成了一個研究熱點。

從整個汽車CAE的角度來說，汽車多體系統分析軟件可完成三項任務：(1)對直接設計的系統進行性能預測；(2)對已有的系統進行性能測試評估；(3)對原有的設計進行改進。分析的范圍包括：運動分析、靜態分析、準靜態分析、動態分析、靈敏度分析等[5]。

1.2 主要研究內容

本文以中華系列某型號轎車為研究對象，利用有限元軟件ABAQUS建立轉向系統與開閉件系統及整車的運動仿真模型，進行運動機構的有限元分析，具體研究如下：

（1）根據實際的轉向系統，建立運動機構模型，實現機構運動的正確傳遞。

（2）根據實際的開閉件系統，按照氣動實驗的參數要求，建立前后艙蓋與兩側車門的運動機構模型，實現機構運動的正確傳遞。

（3）研究整車級復雜系統（轉向系統、開閉件系統，車輪子系統）的機構運動，通過有限元軟件精確地實現復雜機構的運動仿真。

2 運動學仿真的理論基礎

有限元分析與多體動力學仿真是擁有相同的系統動力學求解基礎。有限元分析使用慣性坐標系下的慣性矩陣能更好地適應小位移分析的需要。而在多體仿真軟件中使用的局部坐標系下的局部單元矩陣，能及時有效地描述系統內不同構件的位置幾何關系。

在有限元分析中，分析對象劃分的網格節點，是相對于對象本身的某一慣性坐標。為了描述方便，一般將慣性坐標固定連在物體的一端，并將坐標的一個軸線與物體的軸線重合。將有限元分析的柔體加入多體系統中，需將柔體作相對的位移，即需將柔體分析的有限元方程乘以轉換矩陣，從而實現由局部坐標向整個模型的慣性坐標的轉換。

采用拉格朗日方法建立的多體系統動力學，當代入其各項因子后，其簡化式如有限元方程：

而有限元模型的通用結構分析方程，一般是在有限元分析對象的局部坐標系下建立的。方程中的變量是相對于局部坐標的坐標元素。為了實現有限元分析方程與多體系統動力學分析方程的統一，可以通過多體理論中坐標轉換矩陣B，實現有限元分析方程向多體系統動力學的轉換。

c對于形如上式的有限元方程，其慣性坐標下的剛度、阻尼、質量矩陣，是由局部坐標系的響應矩陣乘以局部坐標向慣性坐標的轉換矩陣得到的。即上述方程可以表示為：

式中：=BmB，m為靜止狀態下的單元質量矩陣：C=BcB，c為靜止狀態下的單元阻尼矩陣，=BmB，k為靜止狀態下的單元剛度矩陣。同時上述方程的等號右邊也可以表示為位移、速度、加速度的函數：

如果假定柔體的變形應力在材料的線性變化范圍內，則柔體的總位移便可通過在局部坐標系中的相鄰的單元變形疊加得到。應用有限元軟件求解多體系統是在多體模型的基礎上預先求得柔性體與多體系統的作用點的力、力矩、位移、速度、加速度等邊界條件，柔性體以此邊界條件求出變形與力、力矩。

2.1 建立轉向運動機構模型

應用前處理軟件處理CAD實體模型，按照真實的運動傳遞方式建立系統中各部件間的約束關系。

表1 轉向系統模型描述

在約束中含有MPC=15；FASTENER=103；COUPLING=1；EQUATION=1，單元中含有CONNECTOR 51；

利用通用靜力學分析步分析，打開大變形nlgeom 選項；車身以剛體形式存在；結構間的運動關系通過connector單元實現。

圖1 轉向系統模型圖

圖2 轉向系統模型圖

在圖1中UJOINT和TRANSLATOR為ABA集成類型的鉸：JOIN，REVOLUTE為用戶自定義組合鉸，分別定義相對自由度123，456。模擬同一剛體中不同的鉸軸向旋轉時,如TRANSLATOR與UJOINT兩端盡量引用同軸坐標系。在圖2中VJOINT為等速萬向節，局部坐標系Z軸由兩節點決定，坐落在兩節點的坐標系指向相同！CYLINDRICAL=SLOT+REVOLUTE，1軸可以引用材料，模擬阻尼或彈簧行為。

圖3 傳動比分析圖

在圖3中利用COUPLING實現管柱的轉動與傳動軸平動的運動關系，由于萬向節(兩)對轉動的傳遞有損失，故定義該轉動自由度(管柱上端還是下端)的選取，取決于真實的傳動比信息。

圖4 有限元軟件分析圖

應用有限元軟件ABAQUS進行分析見圖4所示。在結果文件中查看轉向機構在運動過程中各部件之間的位移與受力情況，詳見下圖所示。

圖5 車輪初始狀態位移云圖

圖6 車輪處于轉向角位置位移云圖

圖5是轉向系統中車輪處于初始狀態時的位移云圖，各部件之間的位移為零。圖6是模擬在轉向過程中車輪處于某一轉向角位置時各部件相對初始位置的位移云圖。轉向運動是駕駛員作用在方向盤上的力通過轉向傳動機構傳遞到轉向車輪，從而實現車輪轉向[6]。由于轉向傳動機構的傳動比小于1，故在轉向過程中方向盤位移量最大其次是轉向車輪。

圖7 各部件受力情況

圖7是轉向過程中各部件之間的受力情況，在受力云圖中可以直觀的查看到轉向過程中各部件在任意轉向角位置處的受力狀況。

圖8左側是車輪處于水平靜止狀態的位移云圖，右側是左右兩車輪在縱向方向運動極限位置處的位移云圖，從云圖中可以看到車輪的位移變化情況，同時也可以查看各部分的受力和加速度變化情況，從而能夠更好的反應出給系統的性能及設計的合理性。

圖8 車輪位移云圖

圖9左右兩側分別是左前輪和右前輪在縱向方向上從初始位置到運動極限位置過程中的某一位置處的位移云圖，從云圖中可以清晰的看到兩種不同的工況所產生的位移情況，并且可以實時監測整個運動過程中的位移變化情況，從而反饋給設計人員更好的輔助設計。提高系統的開發效率及使用性能，壽命等。

圖9 位移云圖

應用有限元軟件求解動力學問題可以對整個運動過程中各部件的位移與受力情況進行實時監控，這樣能夠更好的輔助設計并且為更加深入的各項分析做好準備。在此模型下輸入路試試驗中采集的路普，模擬各種路面激勵下個部件的受力情況，位移量和加速度等。

2.2 建立開閉件系統模型

根據開閉件間的運動關系應用前處理軟件對整車的車門及發動機艙蓋行李箱蓋建立模型。應用有限元軟件ABAQUS中按照開閉件氣動實驗的參數要求建立有限元模型進行分析。

表2 開閉件系統模型描述

在約束中含有COUPLING=24；EQUATION=2，單元中含有CONNECTOR 24；

利用通用靜力學分析步分析，打開大變形nlgeom 選項；車身以剛體形式存在；結構間的運動關系通過connector單元實現，詳見圖10。

圖10 結構間運動關系

在建模過程中需要注意如果鉸鏈同軸旋轉,聯接的兩個部件以剛體形式存在,則一個鉸鏈就可以表達運動關系,如果是柔性體則用COUPLING耦合被連接點。

圖11 前門在不同位置時位移云圖

在圖11中左右兩側分別是前門在兩個不同位置時位移云圖，在云圖中可以直觀的觀察到車門開啟不同的角度時各個部位的位移量，前門的開啟角度與開啟速度及關閉力都是嚴格的按照氣動實驗的要求來設置的。模擬的結果符合實驗要求具有較高的精確度。

圖12 后門在不同位置時位移云圖

在圖12中左右兩側分別是后門在兩個不同位置時位移云圖，在云圖中可以直觀的觀察到車門開啟不同的角度時各個部位的位移量。

在圖13中左右兩側分別是汽車前后艙蓋的開啟實驗模擬，通過有限元軟件對運動學進行模擬仿真可以很清晰的查看在整個運動過程中各部分的位移值、受力值加速度等參數，同時還可以提取各種普曲線為后續的疲勞耐久等分析提供輸入條件。這樣可以大大的縮短實驗周期，節省實驗費用并且還可以避免由于環境及人為因素等對實驗所造成的影響。

圖13 汽車前后艙蓋開啟實驗模擬

2.3 建立整車運動機構模型

整車運動機構模型是把轉向系統、開閉件系統有機的組合在一起，BIW和發動機系統，冷卻系統等均以剛體形式架構入模型中，模擬汽車在駐車時開門過程，分析在該運動過程中部件的位移變化情況。同時還模擬汽車行駛過程中前車輪的位移情況。

圖14 駐車狀態開門過程中車門位移情況

在圖14的左側云圖是汽車在駐車狀態開門的過程中某一位置時車門的位移情況。右側云圖是汽車行駛時對前車輪的位移監測圖，隨著車輪不斷的向前滾動車輪的位移量時刻在發生變化。同時還可以監測車輪在滾動過程中輪胎各部分的受力變化情況，整車向前運動過程中行駛速度和加速度等物理參數。這些模擬為車碰撞模擬提供準備。

3 結論

1）應用有限元軟件模擬轉向機構運動，可以正確的實現運動仿真，滿足工程要求，同時還可以實時監測運動部件的受力情況，位移變化等。仿真結果為系統開發提供重要的參考。

2）應用有限元軟件模擬車門和前后艙蓋開啟與關閉運動，按照氣動實驗的要求建立仿真模型，可以得到實驗關注的各項參數同時還可以獲取實驗所無法測量的參數，如車門開啟過程中的任意角度處車門各處的受力情況，鉸鏈處受力變化等。應用有限元分析機構運動可以大大縮短試驗周期，節省開發費用，分析結果對于設計開發人員優化產品設計具有重要參考價值。

3）應用有限元軟件對整車運動機構進行運動仿真，可以真實的反應汽車機構在運動極限位置及其過程中車輪和懸架等系統的受力狀態，位移情況加速度等。同時為后續的碰撞試驗模擬做好前期準備。

[1] ABAQUS /CAE User's Manual.

[2] ABAQUS Analysis User's Manual.

[3] 譚繼錦.汽車有限元法[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4] 孫海濤.汽車動力學模型綜述[J].中國科技論文在線,2002.

[5] 姚艷.獨立懸架剛柔耦合建模及性能仿真研究[D].西北工業大學, 2007,3.

[6] 余志生主編.汽車理論(第4版).北京:機械工業出版社,2006.5.

The simulation of motion mechanism in a car based on the finite element technology

Liu Ying, Lu Yongjian, Yang Xu, Qiao Xin

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Apply the finite element software ABAQUS to simulate the vehicle movement, establish vehicle steering system and closure system model according to the real parameters. Obtain a relative displacement and the stress in the various subsystems. Evaluate the reasonableness and design feasibility.

ABAQUS; Multi-body motion mechanism; Finite Element

B

1671-7988(2019)03-59-05

U462

B

1671-7988(2019)03-59-05

U462

劉瑩，就職于華晨汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.017