基于有限元駐車(chē)?yán)髦Ъ軇偠葍?yōu)化

冼劍

【摘 要】從汽車(chē)的安全性來(lái)說(shuō)，駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是非常重要的安全系統(tǒng)，它不僅影響汽車(chē)的行駛性能，還直接關(guān)系人的生命安全。文章對(duì)某車(chē)型駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)失效的案例進(jìn)行解析，分析問(wèn)題形成的原因，并通過(guò)有限元仿真提供了一種此類(lèi)問(wèn)題的優(yōu)化方法，最終通過(guò)對(duì)駐車(chē)?yán)髦Ъ軇偠冗M(jìn)行優(yōu)化，成功地解決了問(wèn)題。優(yōu)化后，駐車(chē)?yán)髦Ъ軇傂晕灰平档土?1.3%，零件應(yīng)力降低了85.2%，性能得到了很大的提升，滿(mǎn)足了汽車(chē)駐車(chē)制動(dòng)的正常功能及符合國(guó)家相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】駐車(chē)制動(dòng)；拉索支架；剛度；有限元

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）03-0072-03

0 引言

對(duì)于汽車(chē)的安全性，駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是除了車(chē)輛行車(chē)過(guò)程中使用到的行車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)外的另一個(gè)重要的制動(dòng)系統(tǒng)，其直接關(guān)系著駕駛員的生命安全。由駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障而引起的意外事故時(shí)有發(fā)生。

駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)不同于行車(chē)制動(dòng)，駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)是一種輔助制動(dòng)系統(tǒng)，主要由駐車(chē)制動(dòng)桿、回位彈簧、駐車(chē)制動(dòng)拉索及駐車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。一般在車(chē)輛停止的時(shí)候使用，主要預(yù)防車(chē)輛非正常移動(dòng)而溜車(chē)、坡道上停車(chē)而設(shè)計(jì)。

文章通過(guò)對(duì)某車(chē)型的駐車(chē)系統(tǒng)失效情況進(jìn)行研究，根據(jù)該車(chē)型駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際操作試驗(yàn)情況，經(jīng)過(guò)HyperMesh有限元分析軟件分析查找問(wèn)題形成的原因，最終確認(rèn)駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)失效原因?yàn)樵撥?chē)型的駐車(chē)?yán)髦Ъ茏冃未蠖鸬模捎谶@種變形是不可恢復(fù)的，會(huì)降低駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際效用，駐車(chē)制動(dòng)拉索的行程也會(huì)增加。根據(jù)《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）第7.4.2條，駐車(chē)制動(dòng)應(yīng)能使機(jī)動(dòng)車(chē)即使在沒(méi)有駕駛?cè)说那闆r下，也能停在上、下坡道上。駕駛?cè)藨?yīng)在座位上就可以實(shí)現(xiàn)駐車(chē)制動(dòng)[1]，同時(shí)根據(jù)第7.4.4條規(guī)定，駐車(chē)制動(dòng)操縱裝置的安裝位置應(yīng)適當(dāng)，操縱裝置應(yīng)有足夠的儲(chǔ)備行程（開(kāi)關(guān)類(lèi)操作裝置除外），一般應(yīng)在操縱裝置全行程的2/3以?xún)?nèi)產(chǎn)生規(guī)定的制動(dòng)效能；駐車(chē)制動(dòng)機(jī)構(gòu)裝有自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置時(shí)允許在全行程的3/4以?xún)?nèi)達(dá)到規(guī)定的制動(dòng)效能[1]。該車(chē)輛在駐車(chē)試驗(yàn)時(shí)，坡道上未能達(dá)到駐車(chē)要求而溜車(chē)，對(duì)車(chē)輛及駕駛員和乘客產(chǎn)生了極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)該問(wèn)題，從有限元仿真分析著手，查找問(wèn)題原因并提出問(wèn)題解決方案，最終成功解決了該車(chē)駐車(chē)制動(dòng)失效的問(wèn)題，提升了車(chē)輛的安全性。

1 模型分析

1.1 模型建立

本文利用有限元法，對(duì)該車(chē)駐車(chē)系統(tǒng)失效的問(wèn)題進(jìn)行分析驗(yàn)證。一般有限元模型分3種：？譹？訛中面模型（midplane），即提取零件中間曲面的方法，基于有限元控制體積，此方法適用于平板形狀特征較為簡(jiǎn)單的模型上，如汽車(chē)鈑金類(lèi)零件；？譺？訛表面模型（fusion），此模型采用二維有限元（流動(dòng)方向）與一維有限差分（厚度方向）的耦合算法，能極大地減少建模的工作量及對(duì)建模的技術(shù)要求；？譻？訛實(shí)體模型（3D），依據(jù)三維有限差分法或三維有限元法對(duì)熔體的充模流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析，此模型計(jì)算量巨大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，一般不建議采用[2]。因?yàn)槠?chē)鈑金件一般為簡(jiǎn)單的平板零件，所以為了快速得出模擬分析的結(jié)果，縮短產(chǎn)品改善周期，本文在進(jìn)行CAE模型的構(gòu)建過(guò)程中采用中面模型構(gòu)建車(chē)身模型，即在hypermesh中采用midsurface抽取中面或者采用曲面偏移的方法生成中面，將駐車(chē)?yán)髦Ъ芗败?chē)身安裝板、地板、橫梁的邊界零件的中心面作為模型，然后在中面上劃分網(wǎng)格，將零件簡(jiǎn)化為由各個(gè)片體組建而成的實(shí)體，模型構(gòu)建后再賦予每個(gè)零件對(duì)應(yīng)的材料性能及厚度等特征參數(shù)。

在構(gòu)建CAE模型時(shí)，關(guān)于CAD模型中一些微小的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，如小圓孔、小圓角及零件中一些細(xì)小零碎的曲面等，此類(lèi)特征會(huì)增加劃分網(wǎng)格的難度，增加網(wǎng)格處理周期，甚至可能會(huì)對(duì)后續(xù)計(jì)算和分析結(jié)果造成一定的負(fù)面影響；同時(shí)，導(dǎo)入模型的過(guò)程中可能還會(huì)出現(xiàn)模型部分曲面丟失的現(xiàn)象。因此，本文在hypermesh中，需對(duì)零件提取的中面進(jìn)行幾何清理，將模型上以上描述的細(xì)小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，為劃分網(wǎng)格做好準(zhǔn)備，避免劃分網(wǎng)格過(guò)程中出現(xiàn)畸形單元。研究表明，利用以上方法可以縮短70%的模型準(zhǔn)備時(shí)間和50%的計(jì)算時(shí)間[2]。

1.2 模型網(wǎng)格

1.2.1 網(wǎng)格劃分

鈑金件一般用四節(jié)點(diǎn)的線性殼單元（quad4）劃分。為了防止幾何變形太大，也可以在特征比較復(fù)雜的局部采用三節(jié)點(diǎn)的線性三角形單元（tria3）來(lái)劃分。本文采用8 mm×8 mm的殼單元來(lái)模擬車(chē)身邊界模型，針對(duì)駐車(chē)?yán)髦Ъ芫植刻卣鞅容^復(fù)雜，則采用6 mm×6 mm的單元來(lái)模擬。根據(jù)模型的簡(jiǎn)化要求，模型的細(xì)小特征處理如下：？譹？訛對(duì)半徑R小于4 mm的非安裝孔則直接去掉，只在孔中心保留1個(gè)節(jié)點(diǎn)；？譺？訛半徑小于5 mm的安裝孔則用6個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬，同時(shí)避免奇數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)的孔；？譻？訛半徑R小于3 mm的倒角直接忽略，在切線方向拉伸面至相交，并建立倒角的起始點(diǎn)；？譼？訛半徑R大于3 mm，弦長(zhǎng)4～8 mm的倒角用一排單元來(lái)模擬，用一個(gè)單元來(lái)描述，單元邊是圓角割線，弦長(zhǎng)大于8 mm的則用2個(gè)以上的單元來(lái)模擬；？譽(yù)？訛忽略折彎和翻邊的內(nèi)邊高度小于3 mm的結(jié)構(gòu)特征。

1.2.2 網(wǎng)格檢查

單元質(zhì)量影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和分析的效率，良好的網(wǎng)格質(zhì)量可以使計(jì)算過(guò)程迅速收斂，較差的網(wǎng)格質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致計(jì)算中斷，也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真。網(wǎng)格劃分后，需對(duì)單元質(zhì)量進(jìn)行檢查，各項(xiàng)指標(biāo)檢查見(jiàn)表1。

對(duì)網(wǎng)格的單一質(zhì)量進(jìn)行檢查后，還需進(jìn)行單元連接性檢查，利用自由邊檢查，確保網(wǎng)格中不能含有自由邊和自由面，同時(shí)調(diào)整單元法向一致，并刪除重復(fù)單元及所有的臨時(shí)節(jié)點(diǎn)。

1.2.3 單元屬性設(shè)置

由于白車(chē)身零件多為鋼材，在進(jìn)行CAE分析計(jì)算前，要將各個(gè)零件所用材料參數(shù)設(shè)定為對(duì)應(yīng)的材料選項(xiàng)，同時(shí)設(shè)定相應(yīng)的材料參數(shù)，包含楊氏模量、泊松比、密度。

經(jīng)過(guò)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行幾何清理、劃分網(wǎng)格且賦予零部件相應(yīng)的材料屬性后，最終得到有限元分析模型，共計(jì)57 521個(gè)單元。

1.3 約束

由于車(chē)身局部的分析結(jié)果和整車(chē)整體結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果差異性較小，所以本文根據(jù)該車(chē)型問(wèn)題實(shí)際情況，以地板與縱梁橫梁焊接位置為邊界，截取局部模型重新劃分更精細(xì)的網(wǎng)格，這樣可以節(jié)約大量的計(jì)算時(shí)間，同時(shí)又能保證分析模型計(jì)算的準(zhǔn)確性[3]。

1.3.1 焊點(diǎn)約束

ACM類(lèi)型單元是一種獨(dú)特的焊接結(jié)構(gòu)模擬方法，它由RBE3單元和六面體單元共同組成，在ACM單元建立時(shí)，它會(huì)自動(dòng)建立2個(gè)連接點(diǎn)，包含一個(gè)已經(jīng)賦予材料屬性和單元屬性的實(shí)物層和一個(gè)RBE3層，其中實(shí)物單元用來(lái)模擬焊點(diǎn)，RBE3則起到連接的作用。由于單元本身并不會(huì)增加結(jié)構(gòu)的局部剛度，對(duì)零部件的剛度分析精度影響很小，分析結(jié)果精度較高，本文選用ACM類(lèi)型作為焊點(diǎn)約束，將焊點(diǎn)的直徑設(shè)為6 mm。

1.3.2 裝配約束

該車(chē)型駐車(chē)?yán)髦Ъ苁峭ㄟ^(guò)螺栓與車(chē)身安裝板來(lái)裝配連接的，本文采用REB2單元作為裝配的約束，將孔中心節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)孔的節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，然后用梁?jiǎn)卧–BEAM）連接上下層孔中心節(jié)點(diǎn)。

1.3.3 邊界約束

本文因采用子模型[4]，需在主模型的基礎(chǔ)上，將主模型在邊界上的受力情況作為強(qiáng)制載荷施加到局部模型的邊界上，此處本文根據(jù)實(shí)車(chē)試驗(yàn)情況將其邊界視為絕對(duì)剛性，如圖1所示斷面，約束其邊界1～6全部的自由度，即約束其X、Y、Z 3個(gè)方向的移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)自由度。

1.4 載荷加載

駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)在使用時(shí)，駕駛員在車(chē)內(nèi)拉起制動(dòng)桿，制動(dòng)桿則通過(guò)駐車(chē)制動(dòng)拉索總成將拉力傳到剎車(chē)系統(tǒng)內(nèi)，剎車(chē)鼓內(nèi)的蹄片和摩擦片因此而接合，從而產(chǎn)生制動(dòng)力。

根據(jù)以上駐車(chē)制動(dòng)的力傳遞路徑，最終以駐車(chē)?yán)髦Ъ苌?個(gè)拉索之間的中心點(diǎn)為作用點(diǎn)，施加一個(gè)X負(fù)方向的操作力（如圖1所示）。

1.5 模型求解

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看（如圖2所示），駐車(chē)?yán)髦Ъ茏畲髴?yīng)力為1 321 MPa，而駐車(chē)?yán)髦Ъ懿牧蠟镼235，本身材料的屈服強(qiáng)度只有235 MPa，其實(shí)際受力遠(yuǎn)超材料屈服。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，駐車(chē)?yán)骶嚯x車(chē)身地板高度差達(dá)101 mm，而駐車(chē)?yán)髯饔昧閄負(fù)方向，作用力與高度差形成了很大的作用力矩，同時(shí)由于駐車(chē)?yán)髦Ъ鼙倔w使用2顆M6的安裝螺栓固定，零件應(yīng)力容易集中在2個(gè)安裝點(diǎn)區(qū)域，經(jīng)分析其最大位移為11.5 mm，變形量大，超出設(shè)計(jì)范圍，嚴(yán)重影響了駐車(chē)?yán)鞯挠行谐碳安僮髁?，這是導(dǎo)致駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)失效的根本原因。

2 優(yōu)化及驗(yàn)證

針對(duì)上述駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)失效的原因（該車(chē)型測(cè)試時(shí)已屬于樣車(chē)試制階段，調(diào)整駐車(chē)?yán)鞑贾?，改?dòng)量大，且涉及模具重制，改善周期很長(zhǎng)，同時(shí)增加成本），本文從更改周期及成本方面考慮優(yōu)化方案，最終確定通過(guò)調(diào)整駐車(chē)?yán)髦Ъ馨惭b面的安裝傾角、增加駐車(chē)?yán)髦Ъ懿牧虾穸?、增加安裝點(diǎn)數(shù)量3個(gè)方案來(lái)同時(shí)優(yōu)化，成功地解決了駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)失效問(wèn)題，并滿(mǎn)足國(guó)家相關(guān)法規(guī)要求。

2.1 輸入條件優(yōu)化

由力矩計(jì)算公式（M=F×L×cosθ，力矩為M，作用力為F，力臂為L(zhǎng)×cosθ）可知：作用點(diǎn)到安裝面的垂直距離與車(chē)身正Z向的夾角θ越大（如圖3所示），則有效力臂越小，對(duì)與車(chē)身連接區(qū)域的作用力矩就越小。根據(jù)以上公式，本文把駐車(chē)?yán)髦Ъ艿陌惭b面在模具更改的范圍內(nèi)傾斜一定角度，將駐車(chē)?yán)髟诖颂幍淖饔昧剡M(jìn)行分解，同時(shí)車(chē)身安裝面配合做相應(yīng)的更改，最終根據(jù)模具變更的可行性及修模難度把角度定在15°，更改后作用點(diǎn)力臂L由101 mm減少到83 mm。經(jīng)換算可知，駐車(chē)?yán)鲗?duì)安裝板的作用力矩減少了20%。

2.2 結(jié)構(gòu)本身優(yōu)化

一般零件支架的材料剛性不足，可通過(guò)2個(gè)方面進(jìn)行加強(qiáng)：一是可增加板材厚度來(lái)提高支架剛性，二是通過(guò)增加零件的結(jié)構(gòu)造型來(lái)提升剛度。因?yàn)榱慵旧硪巡贾糜薪顥l等型面結(jié)構(gòu)來(lái)提升支架剛度，支架依然有較大變形，再進(jìn)行筋條的優(yōu)化，則作用不大，所以本文通過(guò)增加支架的厚度的方案來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，將支架的材料厚度由1.5 mm改為2.0 mm。

2.3 連接工藝優(yōu)化

駐車(chē)?yán)髦Ъ芘c安裝板之間通過(guò)2個(gè)安裝點(diǎn)連接，應(yīng)力容易集中，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)安裝點(diǎn)處駐車(chē)?yán)髦Ъ苡凶冃?，可?個(gè)安裝點(diǎn)優(yōu)化為4個(gè)（如圖4所示），將應(yīng)力分散。

3 方案論證

綜合上述，本文對(duì)更改方案重新構(gòu)建模型，劃分網(wǎng)格，并采用同樣條件的約束，通過(guò)求解器求解后，其分析計(jì)算結(jié)果如圖4所示。優(yōu)化后，駐車(chē)?yán)髦Ъ茏畲髴?yīng)力由1 321 MPa下降至195 MPa，零件應(yīng)力降低了85.2%，材料本身屈服235 MPa，安全系數(shù)達(dá)1.2，最大位移由11.5 mm下降至1.2 mm，變形量減少了91.3%。

經(jīng)有限元分析，該優(yōu)化方案可行，經(jīng)實(shí)車(chē)按此優(yōu)化方案重新試制并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證后，試驗(yàn)效果與有限元分析結(jié)果相符，駐車(chē)?yán)髦Ъ軇偠扔泻苊黠@的改善，駐車(chē)系統(tǒng)測(cè)試使用效果良好，滿(mǎn)足使用要求，問(wèn)題得以解決。

4 結(jié)論

本文通過(guò)該車(chē)型駐車(chē)?yán)髦Ъ艿膬?yōu)化設(shè)計(jì)，總結(jié)如下。

（1）利用有限元分析的方法，可極大地縮短產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題整改的周期。

（2）由駐車(chē)?yán)髦Ъ芘c車(chē)身高度差大引起的支架變形，在不更改布置、無(wú)法縮小高度差的情況下，可通過(guò)增加支架安裝面與水平面傾角、增加材料厚度、增加裝配點(diǎn)數(shù)量3個(gè)方面提升駐車(chē)?yán)髦Ъ艿膭偠?，使其滿(mǎn)足駐車(chē)制動(dòng)的使用要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]