子模型方法在白車(chē)身強(qiáng)度計(jì)算中的研究

宋東，白雪娟，王俊，馮長(zhǎng)凱

(1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

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子模型方法在白車(chē)身強(qiáng)度計(jì)算中的研究

宋東1，2，白雪娟1，2，王俊1，2，馮長(zhǎng)凱1，2

(1.長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

摘要：介紹了子模型技術(shù)在白車(chē)身強(qiáng)度分析中的應(yīng)用。以白車(chē)身手剎底座上板的強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，討論了子模型技術(shù)的基本原理及使用方法。子模型技術(shù)在有限元分析中具有準(zhǔn)確性、便捷性、快速性等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：子模型；白車(chē)身；強(qiáng)度；有限元分析

0引言

子模型方法是為了得到整體模型中局部區(qū)域更加精細(xì)解的有限元技術(shù)。在實(shí)際工程分析項(xiàng)目中，整體模型分析往往會(huì)忽略一些零部件的過(guò)渡圓角、工藝孔、小特征等，這種處理方法不會(huì)影響總體模型的總體承載機(jī)理及總體分析結(jié)果，所以對(duì)于總體分析而言不存在問(wèn)題。但是在有限元分析中，往往會(huì)出現(xiàn)一些應(yīng)力集中區(qū)域，如網(wǎng)格太稀疏將不能得到滿意的結(jié)果。通?？梢圆捎靡韵?種辦法：(1)用較細(xì)的網(wǎng)格重新劃分該零件，重新計(jì)算整體模型，該方法計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)，有時(shí)還存在計(jì)算不收斂的情況；(2)切割重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域模型，并利用子模型技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，該方法計(jì)算效率高[1]。文中以某SUV白車(chē)身手剎底座上板強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，闡述ABAQUS環(huán)境下子模型方法在工程分析中的應(yīng)用。

1子模型方法

子模型方法又稱(chēng)切割邊界位移法。切割邊界就是將子模型從整體模型中分割開(kāi)的邊界。切割邊界在整體模型中的位移解即為子模型計(jì)算的邊界條件。子模型技術(shù)基于圣維南原理，即如果實(shí)際載荷被等效載荷代替以后，應(yīng)力和應(yīng)變只在載荷施加位置附近有變化，如果關(guān)注部位遠(yuǎn)離子模型的切割邊界，則子模型就可以得到較精確的結(jié)果[2]。子模型方法的分析步驟主要包括以下幾步:

(1)總體模型分析。劃分相對(duì)較稀疏的網(wǎng)格搭建總體模型，計(jì)算總體模型有限元結(jié)果。

(2)創(chuàng)建子模型。將重點(diǎn)關(guān)注部位從總體模型切割出來(lái)，對(duì)其劃分更精細(xì)的網(wǎng)格，且可更關(guān)注部位材料、微觀結(jié)構(gòu)、增加局部預(yù)緊力等，在子模型切割邊界上建立節(jié)點(diǎn)組，并確保切割邊界遠(yuǎn)離關(guān)注部位。

(3)子模型求解計(jì)算。根據(jù)總體模型的位移結(jié)果對(duì)子模型切割邊界上的節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行插值計(jì)算，將切割邊界位移解作為子模型邊界條件進(jìn)行求解計(jì)算。

2白車(chē)身有限元分析總體模型建立

白車(chē)身是由大量復(fù)雜曲面鈑金件組合起來(lái)的薄殼結(jié)構(gòu)，通常采用殼單元來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元基本尺寸不能過(guò)小，否則模型單元數(shù)量太多，計(jì)算效率太低。然而，網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算精度和效率也有很大的影響，通常劃分網(wǎng)格尺寸越小，計(jì)算的精度就會(huì)越高，但相對(duì)花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)，所以在確定網(wǎng)格大小時(shí)需要對(duì)這2個(gè)因素進(jìn)行權(quán)衡考慮。某SUV白車(chē)身模型如圖1所示。

3白車(chē)身總體模型靜強(qiáng)度計(jì)算

白車(chē)身強(qiáng)度采用慣性釋放法進(jìn)行分析計(jì)算，載荷采用ADAMS軟件根據(jù)滿載質(zhì)量分解的載荷。通過(guò)經(jīng)典工況的靜強(qiáng)度分析，手剎底座上板的強(qiáng)度在顛簸工況下應(yīng)力云圖如圖2所示，最大應(yīng)力為369 MPa，接近其材料屈服強(qiáng)度370 MPa，存在風(fēng)險(xiǎn)。

由于手剎底座上板的網(wǎng)格比較粗糙，實(shí)際應(yīng)力可能比圖中顯示應(yīng)力還要大。擬通過(guò)更改材料或修改結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行優(yōu)化，與此同時(shí)還要細(xì)化網(wǎng)格。如果通過(guò)整體模型重新計(jì)算，計(jì)算效率太低，不滿足多種優(yōu)化方案反復(fù)驗(yàn)證的要求，因此采用子模型技術(shù)進(jìn)行分析。

4子模型方法應(yīng)用

4.1子模型的建立

在白車(chē)身模型中，截取如圖3所示的手剎底座上板區(qū)域作為子模型，并存儲(chǔ)切割邊界。

子模型網(wǎng)格數(shù)量8 697個(gè)，節(jié)點(diǎn)9 508個(gè)，其中切割邊界一定要遠(yuǎn)離重點(diǎn)關(guān)注部位。在圖3所示的子模型中，可以針對(duì)手剎底座上板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料變更、厚度修改等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2子模型求解和結(jié)果驗(yàn)證

將子模型切割出以后，沒(méi)有對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行任何處理，直接導(dǎo)入ABAQUS環(huán)境下，通過(guò)總體模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)子模型切割邊界進(jìn)行位移插值計(jì)算，以此作為子模型計(jì)算的邊界條件，最后提交子模型進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。最大應(yīng)力位置與整體模型計(jì)算結(jié)果幾乎相同，由此可以確定子模型計(jì)算方法的正確性。

4.3網(wǎng)格細(xì)化重新進(jìn)行子模型計(jì)算

將手剎底座上板以基本尺寸2～3 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到如圖5所示的子模型，網(wǎng)格數(shù)量12 623個(gè)，節(jié)點(diǎn)13 405個(gè)。

依據(jù)第4.2節(jié)中描述的方法對(duì)細(xì)化網(wǎng)格后的子模型重新進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。手剎支座上板的最大應(yīng)力為388.4 MPa，超過(guò)其材料的屈服強(qiáng)度370 MPa，不滿足要求。

4.4優(yōu)化設(shè)計(jì)階段

由于手剎底座上板不滿足強(qiáng)度要求，通過(guò)修改開(kāi)口尺寸、倒角尺寸、增加翻邊等方案，最后通過(guò)子模型方法計(jì)算優(yōu)化方案。應(yīng)力結(jié)果如圖7所示，最大應(yīng)力降到了290.1 MPa，低于其材料屈服強(qiáng)度370 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4.5子模型方法計(jì)算效率優(yōu)勢(shì)

將總體模型、子模型方法計(jì)算時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

從計(jì)算耗時(shí)的角度來(lái)說(shuō)，子模型的計(jì)算效率是不言而喻的，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)階段建議采用子模型技術(shù)對(duì)多種方案進(jìn)行驗(yàn)證，可以大大提高工作效率。

5結(jié)論

子模型技術(shù)是一種通用性的有限元技術(shù)，可以在工程中的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。文中以白車(chē)身手剎底座上板為研究對(duì)象，從工程計(jì)算角度介紹了子模型技術(shù)在白車(chē)身強(qiáng)度分析中的應(yīng)用。討論了子模型技術(shù)的基本原理及使用方法，并對(duì)子模型計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。利用子模型技術(shù)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，能夠快速地針對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行快速求解計(jì)算，大大提高了工作效率，具有快速、準(zhǔn)確、靈活的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

【1】周宇,萬(wàn)朝燕，謝素明.基于子模型的鐵路車(chē)輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度精細(xì)計(jì)算[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2009,29(1)：9-10.

【2】李幸人,張江田,楊俊杰.子模型技術(shù)在機(jī)車(chē)車(chē)體強(qiáng)度計(jì)算中的應(yīng)用[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛,2013(6):39-41.

Application of Submodel in Strength Analysis of Body in White

SONG Dong1,2,BAI Xuejuan1,2,WANG Jun1,2,FENG Changkai1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automobile Engineering Technology & Research Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:Submodel;Body in white;Strength;FEM analysis

Abstract:The application of submodel in strength analysis of body in white was presented. Through strength analysis and optimized design of the plate under parking brake, the basic principle and using method of the submodel were discussed. It is shown that the technology of submodel has many advantages, such as precision, convenience, rapidness, and so on.

收稿日期：2016-01-20

作者簡(jiǎn)介：宋東(1979—)，男，工程師，研究方向?yàn)檎?chē)強(qiáng)度及疲勞耐久分析。E-mail：xtusd@126.com。

中圖分類(lèi)號(hào):U462.2+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)05-047-03