基于成形的車(chē)門(mén)剛度精細(xì)仿真研究

劉瑞軍 胡 平 張 杰

1.北華大學(xué),吉林,132013

2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連,116024

3.鄭州宇通客車(chē)股份有限公司,鄭州,450016

0 引言

常規(guī)車(chē)門(mén)設(shè)計(jì)主要解決結(jié)構(gòu)尺寸和附件安裝等問(wèn)題,基本不考慮剛度因素。事實(shí)上,車(chē)門(mén)剛度對(duì)車(chē)輛的安全性和舒適性有很大的影響[1-5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在已能夠利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)車(chē)門(mén)的剛度進(jìn)行仿真,將仿真結(jié)果作為優(yōu)選設(shè)計(jì)方案的影響因素之一,就可以獲得滿足剛度要求且結(jié)構(gòu)合理、整體輕量、成本低、性能高的設(shè)計(jì)方案[6-8],因此,仿真結(jié)果的精度在很大程度上影響車(chē)門(mén)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。采用結(jié)構(gòu)分析軟件ABAQUS能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)門(mén)的常規(guī)剛度仿真,但仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總是存在不同程度的差異,如何利用現(xiàn)有的CAE軟件提高車(chē)門(mén)剛度的仿真精度成了亟待解決的問(wèn)題。常規(guī)CAE仿真采用的是等厚度、零應(yīng)力和零應(yīng)變的板材零件裝配成的車(chē)門(mén)模型,實(shí)際上車(chē)門(mén)模型的內(nèi)外板經(jīng)過(guò)沖壓成形后,上述狀態(tài)值均已發(fā)生了變化,因此,車(chē)門(mén)仿真模型不能反映車(chē)門(mén)真實(shí)狀態(tài)是導(dǎo)致仿真結(jié)果不精確的主要原因[9-13]。為提高車(chē)門(mén)仿真精度,本文提出將車(chē)門(mén)內(nèi)外板的成形結(jié)果(厚度、應(yīng)力和應(yīng)變)作為“初始場(chǎng)”引入車(chē)剛度仿真模型的精細(xì)仿真方法。仿真結(jié)果表明,精細(xì)仿真能夠真實(shí)地反映車(chē)門(mén)剛度值。

1 車(chē)門(mén)剛度

車(chē)門(mén)剛度是指車(chē)門(mén)在一定載荷作用下抵抗變形的能力,以載荷與載荷引起變形量的比值來(lái)表示,單位N/mm。車(chē)門(mén)剛度包括側(cè)向剛度、垂直剛度、腰線剛度和表面剛度等。

1.1 車(chē)門(mén)剛度對(duì)車(chē)輛性能的影響

表面剛度不足的車(chē)門(mén)在碰撞時(shí)產(chǎn)生的大變形會(huì)影響駕駛員和乘客的生存空間,扭轉(zhuǎn)剛度不足引起的車(chē)門(mén)變形會(huì)影響門(mén)鎖、升降器等附件的使用性能,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致門(mén)鎖和升降器不能正常工作,這些均會(huì)影響到乘員的安全性。

整體剛度不足的車(chē)門(mén)的變形會(huì)影響車(chē)門(mén)的密封性能,無(wú)論是漏風(fēng)、漏水,還是因整體變形引起的噪聲、振動(dòng)等都會(huì)影響到車(chē)輛的舒適性。

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則

不同的CAD/CAE/CAM軟件采用不同的文件格式表示其模型,例如 *.IGES、*.DXF、*.SAT、*.STL等。為了實(shí)現(xiàn)不同 CAD/CAE/CAM 間的數(shù)據(jù)共享,不同的文件格式需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。目前,CAD與CAE軟件間的數(shù)據(jù)都是基于零件的幾何模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換的,而基于幾何模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存在諸多不足:①文件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、語(yǔ)法眾多,數(shù)據(jù)的讀、寫(xiě)、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換困難;②模型的參數(shù)化造型特征經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后將完全喪失,特征樹(shù)結(jié)構(gòu)將不存在;③實(shí)體模型轉(zhuǎn)換后,有時(shí)只存在線框或面模型,需要重新構(gòu)造面和實(shí)體;④復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換后往往會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失或冗余,面與面之間還可能產(chǎn)生縫隙;⑤轉(zhuǎn)換后的模型不能進(jìn)行參數(shù)化修改。鑒于CAE軟件均采用單元號(hào)、節(jié)點(diǎn)號(hào)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)表示有限元網(wǎng)格模型,本文提出了基于CAE網(wǎng)格模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法。網(wǎng)格模型是指劃分有限元網(wǎng)格后的幾何模型,網(wǎng)格模型特征通過(guò)節(jié)點(diǎn)信息(節(jié)點(diǎn)編號(hào)、三維坐標(biāo)值和轉(zhuǎn)動(dòng)分量)進(jìn)行描述,根據(jù)靜力等效原則或虛功原理將網(wǎng)格模型中單元的位移、約束和載荷移置到節(jié)點(diǎn)上,所以,網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)換規(guī)則的實(shí)質(zhì)是節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換,節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格模型的“零”失真轉(zhuǎn)換。

2.2 車(chē)門(mén)模型轉(zhuǎn)換

為了達(dá)到將板料成形結(jié)果加載到結(jié)構(gòu)分析軟件的目的,需要將自主開(kāi)發(fā)的板料成形CAE軟件KMAS/one—step產(chǎn)生的成形結(jié)果文件(*.nas),通過(guò)編寫(xiě)的模型轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析軟件ABAQUS能夠識(shí)別的文件(*.inp),轉(zhuǎn)換流程如圖1所示。

以長(zhǎng)安汽車(chē)集團(tuán)開(kāi)發(fā)的某新車(chē)型右前門(mén)內(nèi)板CAD模型為例,根據(jù)網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)換規(guī)則將KMAS/one—step生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ABAQUS并顯示,顯示結(jié)果如圖 2所示。KMAS/one—step網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件和轉(zhuǎn)換后的ABAQUS網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件中的單元數(shù)量、單元形態(tài)和相應(yīng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)均相同,說(shuō)明按照網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)換規(guī)則實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格零件單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法可行、正確。

3 車(chē)門(mén)剛度精細(xì)仿真

為了提高車(chē)門(mén)剛度仿真精度和計(jì)算效率,車(chē)門(mén)內(nèi)外板的光順區(qū)域采用四邊形單元化分網(wǎng)格,邊、角等復(fù)雜區(qū)域采用三角形單元化分網(wǎng)格。另外,在劃分網(wǎng)格時(shí),需對(duì)車(chē)門(mén)邊框、車(chē)窗部位和密封圈接觸面等狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。采用公用節(jié)點(diǎn)相連的方式完成車(chē)門(mén)內(nèi)外板的裝配,使車(chē)門(mén)成為由連續(xù)單元構(gòu)成的整體,便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

結(jié)合車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求,根據(jù)車(chē)門(mén)剛度性能校核標(biāo)準(zhǔn),確定車(chē)門(mén)剛度精細(xì)仿真分析的約束和加載。設(shè)UX、UY、UZ分別為車(chē)門(mén)在X 、Y 、Z軸方向的位移量,URX、URY、URZ分別為車(chē)門(mén)繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)量。車(chē)門(mén)剛度精細(xì)仿真流程如圖3所示。

4 車(chē)門(mén)剛度精細(xì)仿真實(shí)例

以長(zhǎng)安汽車(chē)開(kāi)發(fā)的整體式車(chē)門(mén)為例,采用精細(xì)仿真方法對(duì)車(chē)門(mén)側(cè)向剛度進(jìn)行分析。車(chē)門(mén)側(cè)向剛度試驗(yàn)約束和加載形式見(jiàn)表1。

表1 車(chē)門(mén)側(cè)向剛度試驗(yàn)約束和加載形式

車(chē)門(mén)板采用四邊形和三角形殼單元,鉸鏈采用八節(jié)點(diǎn)六面體和六節(jié)點(diǎn)楔形體單元,車(chē)門(mén)劃分網(wǎng)格后共有29 845個(gè)單元、30 783個(gè)節(jié)點(diǎn)。車(chē)門(mén)內(nèi)外板材料為ST14,材料性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 車(chē)門(mén)內(nèi)外板材料性能參數(shù)表

采用ABAQUS軟件對(duì)車(chē)門(mén)分別進(jìn)行常規(guī)剛度仿真和精細(xì)剛度仿真,車(chē)門(mén)側(cè)向剛度的常規(guī)仿真和精細(xì)仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。常規(guī)仿真、精細(xì)仿真與試驗(yàn)的最大應(yīng)力、最大位移和側(cè)向剛度見(jiàn)表3。分析表3數(shù)據(jù)可知,常規(guī)仿真的誤差為14.28%,精細(xì)仿真的誤差為3.45%,因此,精細(xì)仿真能夠較真實(shí)地反映車(chē)門(mén)的剛度。

表3 車(chē)門(mén)的最大應(yīng)力、最大位移和側(cè)向剛度

圖4與圖5的顯示結(jié)果表明精細(xì)仿真的最大應(yīng)力值大于常規(guī)仿真的最大應(yīng)力值,說(shuō)明精細(xì)仿真可以直觀地反映出應(yīng)力集中部位。精細(xì)仿真的最大位移小于常規(guī)仿真的最大位移,說(shuō)明板材的沖壓成形結(jié)果具有抵抗車(chē)門(mén)整體變形的能力。

為了觀察關(guān)鍵區(qū)域(應(yīng)力集中區(qū))單元的位移變化情況,按照總載荷10%的幅值遞增加載,以更加精確地觀察成形結(jié)果對(duì)局部變形的影響程度,關(guān)鍵單元(單元號(hào)為25 053)的位置如圖6所示。

外部載荷以20N為基本單位遞增,最終載荷為200N,記錄關(guān)鍵單元的位移情況。單元位移隨外部載荷遞增時(shí)的變化情況如圖7所示。

由圖7可知,隨著載荷的增大,關(guān)鍵單元在精細(xì)仿真中的位移明顯大于常規(guī)仿真的位移。結(jié)果表明車(chē)門(mén)板沖壓成形后的應(yīng)變時(shí)效硬化特性有利于提高車(chē)門(mén)整體的側(cè)向剛度,但板材變薄也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)局部大變形現(xiàn)象,因此,應(yīng)根據(jù)精細(xì)仿真結(jié)果對(duì)車(chē)門(mén)大應(yīng)變區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了在CAE分析前處理過(guò)程中將板材成形結(jié)果作為“初始場(chǎng)”替代常規(guī)“零場(chǎng)”的精細(xì)仿真方法,該方法克服了常規(guī)車(chē)門(mén)剛度仿真模型不能反映實(shí)際狀態(tài)的弊端。采用網(wǎng)格轉(zhuǎn)換規(guī)則實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)內(nèi)外板成形結(jié)果加載的精細(xì)仿真方法,明顯提高了車(chē)門(mén)剛度的仿真精度。

[1]Yuichi K,Chinmoy P.Evaluation of Vehicle Body Stiffness and Strength for Car to Car Compatibility[C]//International Body Engineering Conference&Exposition.Detroit,2001:2001-01-3098.

[2]Spencer C,Vartanian K L,White M A,et al.Light T ruck Frame Joint Stiffness Study[C]//SAE 2003 World Congress&Exhibition.Detroit,2003:2003-01-0241.

[3]Baskar S,Kamat A,Lange R.Analytical Robust DoorHingeSystem Design TaguchiApproach[C]//International Body Engineering Conference&Exposition.Detroit,1998:982306.

[4]Petniunas A,Otto N C,Simpson R.Door System Design for Improved Closure Sound Quality[C]//Noise&Vibration Conference&Exposition.T raverse City,MI,USA,1999:1999-01-1681.

[5]Staif J.Dimensional Management Process Applied to AutomotiveDoorSystem[C]//International Body Engineering Conference&Exposition.Detroit,1998:982305.

[6]施法中.板料沖壓成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真[J].中國(guó)機(jī)械工程,1998,9(11):70-71.

[7]莫健華,韓飛.金屬板材數(shù)字化漸進(jìn)成形技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)機(jī)械工程,2008,19(4):491-497.

[8]李峰,曹穎,申國(guó)哲,等.衛(wèi)星天線沖壓成形仿真分析[J].中國(guó)機(jī)械工程,2004,15(16):1487-1450.

[9]張君媛,陳建濤,唐建春,等.基于CATIA 平臺(tái)的車(chē)門(mén)附件參數(shù)化布置的研究[J].計(jì)算級(jí)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2003,24(6):765-768.

[10]高云凱,楊欣,金哲峰,等.轎車(chē)車(chē)身剛度優(yōu)化方法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,33(8):1094-1097.

[11]梁亮,韓立強(qiáng),邵揚(yáng),等.材料性能及其結(jié)構(gòu)分析對(duì)車(chē)門(mén)設(shè)計(jì)的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(1):70-71.

[12]陳國(guó)華.基于有限元的汽車(chē)車(chē)門(mén)靜態(tài)強(qiáng)度剛度計(jì)算與分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2006,35(6):21-24.

[13]趙立紅,楊玉英,孫振忠.汽車(chē)覆蓋件剛度評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究[J].材料科學(xué)與工藝,2004,12(4):425-428.