淺談塑料離合踏板臂使用Tetrahedron有限元網格的后處理

謝文輝

摘? ?要：汽車輕量化為節能減排作出了巨大貢獻，而“以塑代鋼”是輕量化中很常用的途徑。有限元分析作為“以塑代鋼”中一個非常重要的評估工具，約束其分析準確性的因素除了材料參數的定義、有限元分析模型的建立之外，還有有限單元網格的選擇。對于壁厚不均勻的塑料離合踏板臂，使用Tetrahedron網格類型進行有限元分析，后處理時最大節點應力以及此網格單元的最大積分點應力也會有差異。結果顯示，網格密度、積分點數量的變化對積分點應力的變化相對更小。

關鍵詞：塑料離合踏板臂;Tetrahedron網格;節點應力;積分點應力

1? ? 概述

在汽車輕量化中，塑料離合踏板臂是“以塑代鋼”非常典型的案例，在部分合資原始設備制造商（Original Equipment Manufacture，OEM）中得到了平臺化的應用，而以吉利、長城等為代表的自主品牌，也在積極導入。對于整個踏板模塊而言，其發展軌跡為全金屬方案—混合型方案—全塑料方案。

離合踏板臂從金屬換成塑料方案后，由于其高分子材料本質，以及注塑成型缺陷的影響，以下幾點技術要求需要特別關注：滿足人機工程學（翹曲變形）、確保滿足長期工況（強度）、確保滿足長期使用穩定性（疲勞耐久）、高低溫環境下正常使用（高低溫循環）、良好的耐腐蝕性。

在滿足空間要求的前提下進行踏板臂縱向強度實驗項評估時，有限元軟件里面除了材料參數定義、有限元模型的建立對仿真結果有很大影響之外，如何選擇網格類型、如何利用后處理進行評估也是非常重要的。本文使用了Tetrahedron網格分析，探究后處理結果中節點應力和積分點應力的區別，為CAE工程師提供參考。

2? ? 產品描述

2.1? 結構描述

圖1為一個離合踏板模塊實例，主要零件包括塑料離合踏板臂與組成離合踏板支架的鈑金件，以及連接兩者的螺栓、踏板臂的復位彈簧[1]。

塑料離合踏板臂為注塑成型生產零件，而零件壁厚是不均勻設計的。假如在Moldflow中進行模流分析其密度，可以看到：芯層厚度高的區域注塑結束后密度較低，現實體現為芯層有縮孔缺陷。為降低注塑成型缺陷對零件性能的影響，注塑過程需要保證“產品密度高”，注塑工藝上體現為高背壓、高保壓壓力和長保壓時間等，利用優化的注塑成型工藝來避免產品因注塑成型缺陷而導致性能不足。

2.2? 工況描述

為確保滿足長期使用工況，OEM會通過踏板臂縱向強度實驗來評估其強度。每個OEM根據其平臺設計指標的不同，設定的載荷大小也不一樣。對此案例討論的離合踏板模塊，加載位置選定踏板臂表面幾何中心、垂直于踏板臂表面加載。踏板模塊主要靠踏板支架底座與BIW進行連接，踏板臂通過限位桿限制踏板臂的運動角度、彈簧進行復位[2]。

在此實驗條件下，在載荷達到2 000 N時，踏板臂會在圖1所示位置發生斷裂失效。

3? ? 有限元仿真

3.1? 網格選擇

有限元仿真的網格選擇，很大程度上受到零件結構的影響。由于塑料踏板臂整體壁厚不均勻，同時考慮到網格生成的可能性以及仿真時間成本，選擇如圖2所示的Tetrahedron網格[3]，采用C3D4以及C3D10M兩種積分點形式作為對比。

網格密度則選擇使用單元尺寸為1.5 mm、2.3 mm和3.0 mm來進行對比。結合積分點數量和網格密度兩個變量，進行6組有限元仿真分析。

3.2? 建模說明

參考離合踏板臂實際實驗情況，對離合踏板臂表面施加2 000 N載荷，而踏板支架底座與BIW連接處需約束6自由度，如圖3所示;另外，需保證踏板臂模型已轉動到其實際工作的極限角度，且限位槽處約束Z方向的自由度。以上工作全在Abaqus中進行。

材料使用40份玻纖增強的PA66，輸入其在平衡時態時測定的真實Stress-Strain曲線;組成踏板臂支架的其余鈑金零件可以使用標準的金屬材料進行定義，如彈性模量2.10e+11 N/m2、泊松比0.30、密度7.85e+3 kg/m3。

保證材料、邊界條件完成之后，使用Static，General的求解器，離合踏板模塊零件之間使用0.3摩擦系數進行接觸對的建立后，進行仿真分析[4]。

3.3? 結果處理

如圖3所示，無論用哪一種網格類型、網格密度，產品應力最大點位置與現實斷裂位置相符合，不同的地方在于應力值的大小。

眾所周知，Mises應力在云圖顯示結果為最大節點應力。在這里選取一個云圖結果中Mises應力最大的網格進行Probe values查詢，可以發現，云圖上所顯示結果其實為節點應力，而用Probe values去查詢的結果為積分點應力。一般來說，有多少個積分點，就會有多少個積分點應力，最大的結果可以稱為最大積分點應力。

這時，查詢上述6個模型的云圖結果斷裂（最大節點應力）位置網格的積分點應力，從表1可以發現，最大節點應力是隨著積分點數量的增加而大幅度增加，但隨著網格密度的增加卻沒呈現出明顯變化規律;最大積分點應力隨著積分點數量的增加沒有呈現出明顯變化規律，而隨著網格密度的增加，最大積分點應力也沒呈現出明顯變化規律。

4? ? 結語

此案例討論的塑料離合踏板臂，由于采用不均勻壁厚進行結構設計，考慮到網格劃分的難度以及成本，選擇Tetrahedron進行網格劃分可以大大節約設計開發成本。但在結果后處理時，CAE工程師可能會對該如何評判Mises應力結果產生疑惑。

通過此案例可以得知：（1）Mises應力結果在云圖上顯示，默認為節點應力值，而最大節點應力值的變化與網格積分點數目成明顯的正比關系，而隨著網格密度的增加卻沒有很大的變化。（2）對最大節點應力單元進行查詢，最大積分點應力值與網格劃分密度、網格積分點數目都沒有明顯的關聯。

[參考文獻]

[1]徐石安，江發潮.離合器設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]黃從奎，楊允輝，喻少高.扭轉彈簧在助力式離合踏板中的應用[J].汽車實用技術，2015（12）：108-111.

[3]HIBBITT，KARLSSON，SORENSEN，et al.ABAQUS/standard user’s manual version 6.14[M].北京：機械工業出版社，2014.

[4]馬? ?成，汪? ?江，李光明.離合踏板力優化設計[J].農業裝備與車輛工程，2015，53（4）：71-73.