基于Nastran高級仿真的車門有限元分析

左小勇

[摘? ? ? ? ? ?要]? 基于Nastran仿真模塊對車門及其附件進(jìn)行了有限元分析，得出柔性沖壓件車門在不受外力情況下的應(yīng)力應(yīng)變，以便優(yōu)化車門公差分配。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 有限元分析;Nastran高級仿真;公差分配優(yōu)化

[中圖分類號]? U463.83+4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A ? [文章編號]? 2096-0603（2019）05-0144-02

汽車制造裝配質(zhì)量影響著車輛外觀和整車質(zhì)量，公差分配設(shè)計是在初期時規(guī)定零件的尺寸、公差的要求。能夠影響沖壓模具、焊臺的精度，是制造誤差原因的上游，因此公差分配優(yōu)化在汽車設(shè)計時至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外研究者在公差分配優(yōu)化研究上，主要是對剛性體，而對柔性件如車身等研究少見。即便有，一般也是將其理想化為剛性體，進(jìn)而進(jìn)行研究。但這一處理，無法滿足汽車設(shè)計中對公差分配的高要求。

車門及其側(cè)圍、鉸鏈等由鋼板沖壓制造需要考慮此類柔性沖壓鈑金件變形情況下的公差分配優(yōu)化，本文基于Nastran仿真模塊對車門及其附件在三維公差分配優(yōu)化之前考慮零件的變形情況，對模型進(jìn)行有限元分析。得出柔性沖壓件車門在不受外力情況下的應(yīng)力應(yīng)變，以便優(yōu)化車門公差分配。

一、有限元分析

有限元分析是一種將工程實際問題有限元化的現(xiàn)代工程分析計算方法。其基本思想是復(fù)雜問題簡單化，用有限的未知量去逼近無限的真實系統(tǒng)，在模擬部件受力、應(yīng)變時，是一種很有效的數(shù)值分析方法。

二、基于Nastran的高級仿真

要對車門做有限元分析，得到車門及其側(cè)圍，包括車門鉸鏈?zhǔn)苤叵碌淖冃?，本文使用UG6.0的高級模塊進(jìn)行仿真計算分析。在仿真時，先對模型進(jìn)行網(wǎng)格處理，然后定義約束，施加應(yīng)力。使用Nastran求解，得到車門及其附件在不受外力，僅有自身重力情況下的應(yīng)力應(yīng)變。

三、車門的有限元仿真

車門及其鉸鏈?zhǔn)芰ψ冃螌囬T外觀和制造質(zhì)量都有影響。本部分通過有限元分析，得出車門及其附件在不受外力，僅受自身中立情況下的應(yīng)力應(yīng)變。

（一）建立數(shù)學(xué)模型

模型的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量不能過多，否則一方面網(wǎng)格劃分繁瑣，另外會較大增加計算量和時間，還可能引起內(nèi)存溢出。對車門的有限元分析，可以把不影響整體結(jié)構(gòu)的孔和小的圓角簡化掉，這樣既減少了網(wǎng)格數(shù)量，又降低了網(wǎng)格劃分難度。關(guān)于車門扣手和風(fēng)窗孔，可以用自由曲面補平;安裝孔、槽等可以忽略。處理之后的模型如圖1所示。

在UG中選擇Nastran模塊，進(jìn)行高級仿真有限元分析。

（二）定義材料屬性

對車門內(nèi)外板材料屬性進(jìn)行定義：材料類型，特性設(shè)為“各向同性”;材料質(zhì)量密度7.85;楊氏模量設(shè)為20940000kPa，泊松比設(shè)為0.288，屈服強(qiáng)度138795kPa，抗拉強(qiáng)度為275790kpa物理屬性。

（三）網(wǎng)格劃分

定義車門內(nèi)外板、鉸鏈網(wǎng)格屬性為3D網(wǎng)格，采用三維實體網(wǎng)格模型PSOLID。鉸鏈的網(wǎng)格單元數(shù)是6630，節(jié)點數(shù)1960。

（四）網(wǎng)格單元檢查

對車門內(nèi)外板網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格檢查，檢查結(jié)果如表1所示。失敗的單元，需重新劃分失敗單元周圍網(wǎng)格，直至全部合格。

（五）解算方案

在成功劃分網(wǎng)格后進(jìn)行解算。使用NX Nastran求解器，因為只需要分析車門及其附件受重力影響下的公差分配，所以采用單約束結(jié)構(gòu)分析，使用迭代求解，選最大作業(yè)時間。

（六）模型設(shè)置檢查

為確保正確求解模型，對模型設(shè)置檢查后進(jìn)行解算。如表2所示。

四、結(jié)果分析

檢查模型的計算方案正確后解算模型，設(shè)置最大求解時間、求解器位置、迭代求解器、溫度等。軟件可以通過分析工作監(jiān)控模塊、迭代收斂模塊，自動進(jìn)行解算，解算結(jié)束，可以得到解算結(jié)果，進(jìn)而獲得車門應(yīng)力應(yīng)變信息。

由圖2可知，最大位移（a）是0.169mm在車門右上角處，最大應(yīng)力（b）是1.64MPa在車門鉸鏈安裝面周圍。選取典型節(jié)點（見表3），位于車門邊緣節(jié)點的位移是0.105-0.121mm。

車門是通過鉸鏈安裝的，而門鎖僅起到鎖止作用，對車門垂直方向的位移不能進(jìn)行限制，所以當(dāng)車門受力時，其后沿變形量最大。車門受鉸鏈約束力作用，因此鉸鏈在車門上的安裝面的周圍應(yīng)變最大，以上有限元分析結(jié)果符合實際車門應(yīng)力應(yīng)變情況。

車門縫公差分配一般分布在0.7～1.3mm，由上述分析結(jié)果可知，車門在受自身重力，無外力作用下的變形就為0.18mm。合理的公差設(shè)計對汽車制造質(zhì)量有重要意義，根據(jù)AUDIT評審（汽車質(zhì)量客觀評價法）得出，在對車門公差分配設(shè)計時，必須考慮車門及其附件，在不受外力僅受自身重力情況下的變形，以滿足汽車尺寸工程對零件公差的設(shè)計的控制，保證后續(xù)建模的進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zhengshu Shen.Tolerance Analysis with EDS/Vis VSA[J].Journal of Computing and Information Science in Engineering，2003（3）：95-98.

[2]刑魯超.基于逆向工程的車門設(shè)計技術(shù)[D].山東理工大學(xué)，2012.

編輯 陳鮮艷