基于有限元技術(shù)的汽車機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

劉瑩，魯永建，楊旭，喬鑫

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基于有限元技術(shù)的汽車機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

劉瑩，魯永建，楊旭，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

應(yīng)用有限元軟件ABAQUS對整車運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，根據(jù)實(shí)車參數(shù)建立合理的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，開閉件系統(tǒng)等運(yùn)動機(jī)構(gòu)并對其進(jìn)行分析，獲得各子系統(tǒng)中部件間的相對位移與應(yīng)力變化情況，評價其合理性與設(shè)計(jì)可行性。

ABAQUS；多體運(yùn)動機(jī)構(gòu)；有限元

1 前言

1.1 概述

有限元法誕生于20 世紀(jì)中葉。隨著大型有限元通用程序的推廣以及計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元技術(shù)在 20 世紀(jì)60 年代中期開始被廣泛應(yīng)用于汽車分析設(shè)計(jì)中[3]。其分析過程分為結(jié)構(gòu)離散化、單元特性分析、坐標(biāo)變換、邊界條件處理和結(jié)構(gòu)綜合這幾個步驟。目前大型有限元軟件有ABAQUS、NASTRAN 和ANSYS等。

由于汽車本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所承受的載荷也十分復(fù)雜，同時也受到各種路面激勵和各種車速條件下慣性力的作用以及各連接構(gòu)件之間的相互約束作用，因此很難用經(jīng)典力學(xué)方法求解。而有限元法由于其能解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件都任意的力學(xué)問題的優(yōu)點(diǎn)，將被得到廣泛應(yīng)用[4]。

20 世紀(jì)90 年代以后，機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析與仿真技術(shù)已能成熟應(yīng)用于汽車行業(yè)。其中多剛體系統(tǒng)的建模理論已經(jīng)成熟。但在現(xiàn)代汽車的產(chǎn)品開發(fā)階段，已經(jīng)不僅僅滿足于傳統(tǒng)的彈性分析，更需要進(jìn)行整車非線性系統(tǒng)分析，即整車操縱穩(wěn)定性和平順性不能僅以剛體模型進(jìn)行分析，還要考慮結(jié)構(gòu)的變形效應(yīng)從傳統(tǒng)的多剛體力學(xué)分析到考慮結(jié)構(gòu)彈性的應(yīng)力響應(yīng)，如懸架系統(tǒng)、車身系統(tǒng)等，使得多柔體系統(tǒng)的建模成了一個研究熱點(diǎn)。

從整個汽車CAE的角度來說，汽車多體系統(tǒng)分析軟件可完成三項(xiàng)任務(wù)：(1)對直接設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行性能預(yù)測；(2)對已有的系統(tǒng)進(jìn)行性能測試評估；(3)對原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。分析的范圍包括：運(yùn)動分析、靜態(tài)分析、準(zhǔn)靜態(tài)分析、動態(tài)分析、靈敏度分析等[5]。

1.2 主要研究內(nèi)容

本文以中華系列某型號轎車為研究對象，利用有限元軟件ABAQUS建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與開閉件系統(tǒng)及整車的運(yùn)動仿真模型，進(jìn)行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的有限元分析，具體研究如下：

（1）根據(jù)實(shí)際的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，建立運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的正確傳遞。

（2）根據(jù)實(shí)際的開閉件系統(tǒng)，按照氣動實(shí)驗(yàn)的參數(shù)要求，建立前后艙蓋與兩側(cè)車門的運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的正確傳遞。

（3）研究整車級復(fù)雜系統(tǒng)（轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、開閉件系統(tǒng)，車輪子系統(tǒng)）的機(jī)構(gòu)運(yùn)動，通過有限元軟件精確地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真。

2 運(yùn)動學(xué)仿真的理論基礎(chǔ)

有限元分析與多體動力學(xué)仿真是擁有相同的系統(tǒng)動力學(xué)求解基礎(chǔ)。有限元分析使用慣性坐標(biāo)系下的慣性矩陣能更好地適應(yīng)小位移分析的需要。而在多體仿真軟件中使用的局部坐標(biāo)系下的局部單元矩陣，能及時有效地描述系統(tǒng)內(nèi)不同構(gòu)件的位置幾何關(guān)系。

在有限元分析中，分析對象劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，是相對于對象本身的某一慣性坐標(biāo)。為了描述方便，一般將慣性坐標(biāo)固定連在物體的一端，并將坐標(biāo)的一個軸線與物體的軸線重合。將有限元分析的柔體加入多體系統(tǒng)中，需將柔體作相對的位移，即需將柔體分析的有限元方程乘以轉(zhuǎn)換矩陣，從而實(shí)現(xiàn)由局部坐標(biāo)向整個模型的慣性坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

采用拉格朗日方法建立的多體系統(tǒng)動力學(xué)，當(dāng)代入其各項(xiàng)因子后，其簡化式如有限元方程：

而有限元模型的通用結(jié)構(gòu)分析方程，一般是在有限元分析對象的局部坐標(biāo)系下建立的。方程中的變量是相對于局部坐標(biāo)的坐標(biāo)元素。為了實(shí)現(xiàn)有限元分析方程與多體系統(tǒng)動力學(xué)分析方程的統(tǒng)一，可以通過多體理論中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣B，實(shí)現(xiàn)有限元分析方程向多體系統(tǒng)動力學(xué)的轉(zhuǎn)換。

c對于形如上式的有限元方程，其慣性坐標(biāo)下的剛度、阻尼、質(zhì)量矩陣，是由局部坐標(biāo)系的響應(yīng)矩陣乘以局部坐標(biāo)向慣性坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣得到的。即上述方程可以表示為：

式中：=BmB，m為靜止?fàn)顟B(tài)下的單元質(zhì)量矩陣：C=BcB，c為靜止?fàn)顟B(tài)下的單元阻尼矩陣，=BmB，k為靜止?fàn)顟B(tài)下的單元剛度矩陣。同時上述方程的等號右邊也可以表示為位移、速度、加速度的函數(shù)：

如果假定柔體的變形應(yīng)力在材料的線性變化范圍內(nèi)，則柔體的總位移便可通過在局部坐標(biāo)系中的相鄰的單元變形疊加得到。應(yīng)用有限元軟件求解多體系統(tǒng)是在多體模型的基礎(chǔ)上預(yù)先求得柔性體與多體系統(tǒng)的作用點(diǎn)的力、力矩、位移、速度、加速度等邊界條件，柔性體以此邊界條件求出變形與力、力矩。

2.1 建立轉(zhuǎn)向運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型

應(yīng)用前處理軟件處理CAD實(shí)體模型，按照真實(shí)的運(yùn)動傳遞方式建立系統(tǒng)中各部件間的約束關(guān)系。

表1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型描述

在約束中含有MPC=15；FASTENER=103；COUPLING=1；EQUATION=1，單元中含有CONNECTOR 51；

利用通用靜力學(xué)分析步分析，打開大變形nlgeom 選項(xiàng)；車身以剛體形式存在；結(jié)構(gòu)間的運(yùn)動關(guān)系通過connector單元實(shí)現(xiàn)。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型圖

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型圖

在圖1中UJOINT和TRANSLATOR為ABA集成類型的鉸：JOIN，REVOLUTE為用戶自定義組合鉸，分別定義相對自由度123，456。模擬同一剛體中不同的鉸軸向旋轉(zhuǎn)時,如TRANSLATOR與UJOINT兩端盡量引用同軸坐標(biāo)系。在圖2中VJOINT為等速萬向節(jié)，局部坐標(biāo)系Z軸由兩節(jié)點(diǎn)決定，坐落在兩節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系指向相同！CYLINDRICAL=SLOT+REVOLUTE，1軸可以引用材料，模擬阻尼或彈簧行為。

圖3 傳動比分析圖

在圖3中利用COUPLING實(shí)現(xiàn)管柱的轉(zhuǎn)動與傳動軸平動的運(yùn)動關(guān)系，由于萬向節(jié)(兩)對轉(zhuǎn)動的傳遞有損失，故定義該轉(zhuǎn)動自由度(管柱上端還是下端)的選取，取決于真實(shí)的傳動比信息。

圖4 有限元軟件分析圖

應(yīng)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行分析見圖4所示。在結(jié)果文件中查看轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中各部件之間的位移與受力情況，詳見下圖所示。

圖5 車輪初始狀態(tài)位移云圖

圖6 車輪處于轉(zhuǎn)向角位置位移云圖

圖5是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中車輪處于初始狀態(tài)時的位移云圖，各部件之間的位移為零。圖6是模擬在轉(zhuǎn)向過程中車輪處于某一轉(zhuǎn)向角位置時各部件相對初始位置的位移云圖。轉(zhuǎn)向運(yùn)動是駕駛員作用在方向盤上的力通過轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向車輪，從而實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向[6]。由于轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的傳動比小于1，故在轉(zhuǎn)向過程中方向盤位移量最大其次是轉(zhuǎn)向車輪。

圖7 各部件受力情況

圖7是轉(zhuǎn)向過程中各部件之間的受力情況，在受力云圖中可以直觀的查看到轉(zhuǎn)向過程中各部件在任意轉(zhuǎn)向角位置處的受力狀況。

圖8左側(cè)是車輪處于水平靜止?fàn)顟B(tài)的位移云圖，右側(cè)是左右兩車輪在縱向方向運(yùn)動極限位置處的位移云圖，從云圖中可以看到車輪的位移變化情況，同時也可以查看各部分的受力和加速度變化情況，從而能夠更好的反應(yīng)出給系統(tǒng)的性能及設(shè)計(jì)的合理性。

圖8 車輪位移云圖

圖9左右兩側(cè)分別是左前輪和右前輪在縱向方向上從初始位置到運(yùn)動極限位置過程中的某一位置處的位移云圖，從云圖中可以清晰的看到兩種不同的工況所產(chǎn)生的位移情況，并且可以實(shí)時監(jiān)測整個運(yùn)動過程中的位移變化情況，從而反饋給設(shè)計(jì)人員更好的輔助設(shè)計(jì)。提高系統(tǒng)的開發(fā)效率及使用性能，壽命等。

圖9 位移云圖

應(yīng)用有限元軟件求解動力學(xué)問題可以對整個運(yùn)動過程中各部件的位移與受力情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，這樣能夠更好的輔助設(shè)計(jì)并且為更加深入的各項(xiàng)分析做好準(zhǔn)備。在此模型下輸入路試試驗(yàn)中采集的路普，模擬各種路面激勵下個部件的受力情況，位移量和加速度等。

2.2 建立開閉件系統(tǒng)模型

根據(jù)開閉件間的運(yùn)動關(guān)系應(yīng)用前處理軟件對整車的車門及發(fā)動機(jī)艙蓋行李箱蓋建立模型。應(yīng)用有限元軟件ABAQUS中按照開閉件氣動實(shí)驗(yàn)的參數(shù)要求建立有限元模型進(jìn)行分析。

表2 開閉件系統(tǒng)模型描述

在約束中含有COUPLING=24；EQUATION=2，單元中含有CONNECTOR 24；

利用通用靜力學(xué)分析步分析，打開大變形nlgeom 選項(xiàng)；車身以剛體形式存在；結(jié)構(gòu)間的運(yùn)動關(guān)系通過connector單元實(shí)現(xiàn)，詳見圖10。

圖10 結(jié)構(gòu)間運(yùn)動關(guān)系

在建模過程中需要注意如果鉸鏈同軸旋轉(zhuǎn),聯(lián)接的兩個部件以剛體形式存在,則一個鉸鏈就可以表達(dá)運(yùn)動關(guān)系,如果是柔性體則用COUPLING耦合被連接點(diǎn)。

圖11 前門在不同位置時位移云圖

在圖11中左右兩側(cè)分別是前門在兩個不同位置時位移云圖，在云圖中可以直觀的觀察到車門開啟不同的角度時各個部位的位移量，前門的開啟角度與開啟速度及關(guān)閉力都是嚴(yán)格的按照氣動實(shí)驗(yàn)的要求來設(shè)置的。模擬的結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)要求具有較高的精確度。

圖12 后門在不同位置時位移云圖

在圖12中左右兩側(cè)分別是后門在兩個不同位置時位移云圖，在云圖中可以直觀的觀察到車門開啟不同的角度時各個部位的位移量。

在圖13中左右兩側(cè)分別是汽車前后艙蓋的開啟實(shí)驗(yàn)?zāi)M，通過有限元軟件對運(yùn)動學(xué)進(jìn)行模擬仿真可以很清晰的查看在整個運(yùn)動過程中各部分的位移值、受力值加速度等參數(shù)，同時還可以提取各種普曲線為后續(xù)的疲勞耐久等分析提供輸入條件。這樣可以大大的縮短實(shí)驗(yàn)周期，節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用并且還可以避免由于環(huán)境及人為因素等對實(shí)驗(yàn)所造成的影響。

圖13 汽車前后艙蓋開啟實(shí)驗(yàn)?zāi)M

2.3 建立整車運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型

整車運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型是把轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、開閉件系統(tǒng)有機(jī)的組合在一起，BIW和發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)等均以剛體形式架構(gòu)入模型中，模擬汽車在駐車時開門過程，分析在該運(yùn)動過程中部件的位移變化情況。同時還模擬汽車行駛過程中前車輪的位移情況。

圖14 駐車狀態(tài)開門過程中車門位移情況

在圖14的左側(cè)云圖是汽車在駐車狀態(tài)開門的過程中某一位置時車門的位移情況。右側(cè)云圖是汽車行駛時對前車輪的位移監(jiān)測圖，隨著車輪不斷的向前滾動車輪的位移量時刻在發(fā)生變化。同時還可以監(jiān)測車輪在滾動過程中輪胎各部分的受力變化情況，整車向前運(yùn)動過程中行駛速度和加速度等物理參數(shù)。這些模擬為車碰撞模擬提供準(zhǔn)備。

3 結(jié)論

1）應(yīng)用有限元軟件模擬轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動，可以正確的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動仿真，滿足工程要求，同時還可以實(shí)時監(jiān)測運(yùn)動部件的受力情況，位移變化等。仿真結(jié)果為系統(tǒng)開發(fā)提供重要的參考。

2）應(yīng)用有限元軟件模擬車門和前后艙蓋開啟與關(guān)閉運(yùn)動，按照氣動實(shí)驗(yàn)的要求建立仿真模型，可以得到實(shí)驗(yàn)關(guān)注的各項(xiàng)參數(shù)同時還可以獲取實(shí)驗(yàn)所無法測量的參數(shù)，如車門開啟過程中的任意角度處車門各處的受力情況，鉸鏈處受力變化等。應(yīng)用有限元分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動可以大大縮短試驗(yàn)周期，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用，分析結(jié)果對于設(shè)計(jì)開發(fā)人員優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要參考價值。

3）應(yīng)用有限元軟件對整車運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，可以真實(shí)的反應(yīng)汽車機(jī)構(gòu)在運(yùn)動極限位置及其過程中車輪和懸架等系統(tǒng)的受力狀態(tài)，位移情況加速度等。同時為后續(xù)的碰撞試驗(yàn)?zāi)M做好前期準(zhǔn)備。

[1] ABAQUS /CAE User's Manual.

[2] ABAQUS Analysis User's Manual.

[3] 譚繼錦.汽車有限元法[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4] 孫海濤.汽車動力學(xué)模型綜述[J].中國科技論文在線,2002.

[5] 姚艷.獨(dú)立懸架剛?cè)狁詈辖＜靶阅芊抡嫜芯縖D].西北工業(yè)大學(xué), 2007,3.

[6] 余志生主編.汽車?yán)碚?第4版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.5.

The simulation of motion mechanism in a car based on the finite element technology

Liu Ying, Lu Yongjian, Yang Xu, Qiao Xin

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Apply the finite element software ABAQUS to simulate the vehicle movement, establish vehicle steering system and closure system model according to the real parameters. Obtain a relative displacement and the stress in the various subsystems. Evaluate the reasonableness and design feasibility.

ABAQUS; Multi-body motion mechanism; Finite Element

B

1671-7988(2019)03-59-05

U462

B

1671-7988(2019)03-59-05

U462

劉瑩，就職于華晨汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.017