基于CAE分析的某車型中央扶手支架強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

賀鑫,汪躍中,董華東

(奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

乘用車中央扶手位于前排駕駛室兩個(gè)座椅中間位置，用于支撐乘客手臂，保證行駛過程中的舒適性，從而有效緩解駕駛員長期駕駛的疲勞感[1]。某車型中央扶手包括扶手下本體、扶手上裝飾板、扶手上蓋板、扶手下裝飾板、扶手支架等。扶手支架作為中央扶手的骨架部分，具有承載作用，因此中央扶手支架的強(qiáng)度分析顯得尤為重要。

1 CAE分析

1.1 CAE分析簡介

CAE(Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程)技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)，理論基礎(chǔ)是有限元理論和數(shù)值計(jì)算方法[2]，主要是利用計(jì)算機(jī)對工程或產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性分析，軟件包括Nastran、ANSYS、ABAQUS、HyperWorks等[3]。CAE分析的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和流程，可以在設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷和錯(cuò)誤，并及時(shí)改進(jìn)，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，極大地降低了產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用，推動(dòng)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步[4]。

1.2 CAE分析的工作流程

利用CAE分析對產(chǎn)品進(jìn)行分析，主要采用圖1所示的流程。

圖1 CAE分析工作流程

2 扶手支架強(qiáng)度分析

2.1 建立CAE模型

HyperMesh作為HyperWorks軟件的前處理環(huán)節(jié)[5]，因具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力、完善的網(wǎng)格修改工具、不錯(cuò)的后處理功能以及支持多種求解器接口等優(yōu)勢，而成為現(xiàn)代企業(yè)通用的CAE平臺(tái)[6]。

首先將圖2所示的中央扶手支架的三維實(shí)體模型進(jìn)行簡化，刪除對于結(jié)果影響不大的螺栓、塑料件等零件，導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立中央扶手支架的有限元模型。模型采用以四邊形殼單元為主、三角形網(wǎng)格過渡的單元形態(tài)[7]。網(wǎng)格大小為6 mm，網(wǎng)格單元數(shù)量為5 754。扶手支架材料為DC01，屈服極限為190 MPa，質(zhì)量為1.96 kg。建立的中央扶手支架有限元模型如圖3所示。

圖2 中央扶手支架實(shí)體模型

2.2 載荷加載

該車型的中央扶手支架是由設(shè)計(jì)部門提供，為新設(shè)計(jì)件。通過在扶手上施加載荷980 N(如圖4所示)，對其進(jìn)行最大變形、最大應(yīng)力等強(qiáng)度分析，判斷是否滿足實(shí)際需求、是否需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.3 仿真計(jì)算

2.3.1 ABAQUS簡介

ABAQUS作為汽車行業(yè)中廣泛使用、功能強(qiáng)大的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的非線性問題[8]。非線性問題包括材料非線性、邊界非線性和幾何非線性[9]。而材料非線性的彈塑性變形行為如圖5所示：應(yīng)變較小時(shí)，材料性質(zhì)基本為線彈性，彈性模量E為常數(shù)；當(dāng)應(yīng)力超過屈服應(yīng)力后，剛度明顯下降，此時(shí)材料的應(yīng)變包括塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變兩部分；在卸載后，彈性應(yīng)變消失，而塑性應(yīng)變是不可恢復(fù)的；如果再次加載，材料的屈服應(yīng)力會(huì)提高，即加工硬化。

圖4 中央扶手支

圖5 材料的彈塑性行為架載荷加載

2.3.2 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

將中央扶手支架的有限元模型轉(zhuǎn)化為inp文件，然后導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行強(qiáng)度仿真，最后將計(jì)算生成的odb文件導(dǎo)入Hyper View中進(jìn)行后處理工作[10]。中央扶手支架材料、屈服強(qiáng)度見表1。得到的分析結(jié)果如圖6—圖10所示。

表1 中央扶手支架材料、屈服強(qiáng)度

圖6 中央扶手支架變形

圖7 中部支架應(yīng)力

圖8 下部支架應(yīng)力

圖9 下部支架應(yīng)變

圖10 車身安裝支架應(yīng)力

由圖6—圖10可知：中央扶手支架的最大變形為10.5 mm，扶手中部安裝支架的最大應(yīng)力為191 MPa，扶手下部安裝支架的最大應(yīng)力為206 MPa，車身安裝支架的最大應(yīng)力為329 MPa。因此，扶手中部、下部安裝支架不滿足要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.4.1 局部優(yōu)化方案

在和設(shè)計(jì)部門交流討論后，在原方案基礎(chǔ)上進(jìn)行局部優(yōu)化，初步確定3種優(yōu)化方案。

方案一：填補(bǔ)原方案扶手中部安裝支架的缺口，進(jìn)行局部優(yōu)化，如圖11所示。

圖11 方案一模型

采用上述同樣的方式，對方案一的有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的分析結(jié)果如圖12—圖15所示。

圖12 方案一變形

圖13 方案一中部支架應(yīng)力

圖14 方案一下部支架應(yīng)力

圖15 方案一下部支架應(yīng)變

2.4.2 輕量化方案

該車型作為新能源汽車，輕量化設(shè)計(jì)對于提升續(xù)航里程具有重要意義[11]。目前輕量化技術(shù)的主要思路是在保證產(chǎn)品性能、成本的前提下，采用基于性能的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、新材料、新工藝等方式來實(shí)現(xiàn)減重、降耗、環(huán)保、安全等目標(biāo)[12]。因此，在設(shè)計(jì)階段采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化尤為重要[13]。針對該車型的中央扶手支架，在方案一局部優(yōu)化的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再和設(shè)計(jì)部門的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行交流討論后，確定如下兩種方案：

方案二：在方案一基礎(chǔ)上，刪除中部支架的中部加強(qiáng)板，如圖16所示。

圖16 方案二模型

采用上述同樣的方式，對方案二的有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到分析結(jié)果如圖17—圖20所示。

圖17 方案二變形

圖18 方案二中部支架應(yīng)力

圖19 方案二下部支架應(yīng)力

圖20 方案二下部支架應(yīng)變

方案三：在方案二基礎(chǔ)上，再刪除中部支架的底部加強(qiáng)板，如圖21所示。

圖21 方案三模型

采用上述同樣的方式，對方案三的有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到分析結(jié)果如圖22—圖25所示。

圖22 方案三變形

圖23 方案三中部支架應(yīng)力

圖24 方案三下部支架應(yīng)力

圖25 方案三下部支架應(yīng)變

2.5 結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述分析，將原方案、優(yōu)化方案的分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

(1)原方案的扶手中部安裝支架最大應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，不滿足要求；

(2)4種方案的最大變形、扶手下部安裝支架的最大應(yīng)力基本相同，最大變形滿足要求，扶手下部安裝支架雖然超過材料屈服強(qiáng)度，但沒有明顯塑性變形，基本都可以接受。

(3)3種優(yōu)化方案的扶手中部安裝支架都滿足強(qiáng)度要求。

(4)方案三的扶手中部安裝支架的最大應(yīng)力最小，相對原方案有很明顯的提升。

(5)綜合考慮4種方案，方案三質(zhì)量最輕，符合輕量化要求。

表2 分析結(jié)果匯總

因此，選用方案三為最佳優(yōu)化方案，根據(jù)方案三對該車型的中央扶手支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 結(jié)論

(1)利用CAE分析建立中央扶手支架的有限元模型，對現(xiàn)有中央扶手支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)扶手中、下部安裝支架不滿足要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

(2)基于輕量化設(shè)計(jì)理念，提出3種優(yōu)化方案，進(jìn)行CAE分析，將結(jié)果匯總后進(jìn)行對比分析。

(3)通過對比分析后發(fā)現(xiàn)，方案三為最佳優(yōu)化方案，因此選用方案三進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。