基于NASTRAN不同模擬方式的螺栓強(qiáng)度仿真分析

閆鵬飛

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津300462)

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)百花齊放、迅速發(fā)展，在汽車研發(fā)過(guò)程中的 CAE也廣泛使用，通過(guò)有限元手段來(lái)模擬汽車的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行前期驗(yàn)證，是一種行之有效的開發(fā)手段，能夠節(jié)約成本、降低工時(shí)。在汽車結(jié)構(gòu)部件研發(fā)前期，連接部件的有限元模擬對(duì)于車輛疲勞強(qiáng)度的分析影響顯得尤為重要[1]。如今很多廠家都能夠進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)部件的有限元仿真，但如何得到高精度的有限元模型是汽車結(jié)構(gòu)研發(fā)的重中之重[2]。

汽車結(jié)構(gòu)常用連接方式有焊接、螺栓連接、鉚接等[3]，本文結(jié)合一汽豐田的某車型的螺栓連接搭載部件的研發(fā)過(guò)程，對(duì)有限元模擬中的幾種不同螺栓模擬方式對(duì)仿真計(jì)算得到的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，尋找其間的差異，并與應(yīng)變片測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而得到疲勞強(qiáng)度分析中精度較高的螺栓模型，為車型的開發(fā)作不同的分析仿真提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)參考[4]。

1 有限元模型

1.1 模型數(shù)據(jù)

本文以豐田某款新能源汽車動(dòng)力電池搭載研發(fā)過(guò)程中的某支架為例進(jìn)行研究。CAD模型如圖 1所示。模型中深灰色部件為截取的局部橫梁，局部橫梁的兩端為約束位置。該支架淺灰色圈部件共 6個(gè)連接螺栓及1個(gè)加載點(diǎn)。

圖1 電池包某支架CAD模型圖Fig.1 CAD model of a battery pack bracket

本文探討 6個(gè)螺栓的不同模擬方法對(duì)有限元結(jié)果的差異，其中約束條件與加載條件均一致。通常的螺栓連接模擬方式會(huì)做一圈 Washer，但網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對(duì)Washer外部的強(qiáng)度分析結(jié)果的應(yīng)力值也會(huì)有影響。在螺栓模擬的過(guò)程中也采用 RBE2和 RBE3 2種方式模擬，同時(shí)也對(duì)比了RBE2和RBE3對(duì)螺栓周邊與相對(duì)較遠(yuǎn)的關(guān)鍵部位的應(yīng)力值影響。我們將連接的螺栓分為如圖 2所示的 A、B、C、D 4種螺栓連接模型方式：

A，連接螺栓孔周邊的 1圈節(jié)點(diǎn)，周邊的單元存在個(gè)別三角形。

B，連接螺栓孔周邊的 2圈節(jié)點(diǎn)，周邊的單元存在個(gè)別三角形。

C，連接螺栓孔周邊的 1圈節(jié)點(diǎn)，周邊的單元不存在三角形。

D，連接螺栓孔周邊的 2圈節(jié)點(diǎn)，周邊的單元不存在三角形。

圖2 螺栓連接模擬方式圖Fig.2 Bolting simulation diagram

1.2 網(wǎng)格劃分

本模型前處理在 ANSA軟件中進(jìn)行，網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 仿真計(jì)算與試驗(yàn)條件

邊界條件與加載方式在仿真分析過(guò)程中要與試驗(yàn)保持高度一致。在本次仿真分析中，在螺栓孔處施加豎直向下的力 500N，為保證試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性，試驗(yàn)過(guò)程中使用推拉力計(jì)每次間隔 50N線性加載至 500N。邊界條件均為支架頂端進(jìn)行固定約束。加載條件與邊界條件如圖3所示。

圖3 邊界條件與加載條件示意圖Fig.3 Diagram of boundary conditions and loading conditions

根螺栓受力時(shí)的彎矩圖，受到彎曲應(yīng)力力矩圖如圖4所示。

圖4 螺栓彎矩示意圖Fig.4 Schematic diagram of bolt bending moment

本文選擇將螺栓Washer周邊的單元作為評(píng)價(jià)對(duì)比單元，同時(shí)選擇易發(fā)生應(yīng)力集中的支架倒角附近作為與試驗(yàn)對(duì)比的評(píng)價(jià)單元，如圖5所示。

在建模的過(guò)程中，由于 A、B兩種螺栓類型的Washer與C、D兩種螺栓類型的Washer外圈網(wǎng)格單元差別較大，又將 A、B兩種螺栓類型歸結(jié)為第一種螺栓模擬方式里的 2種不同連接形態(tài)，將 C、D兩種螺栓類型歸結(jié)為第 2種螺栓模擬方式里的 2種不同連接形態(tài)。第 1種螺栓連接形態(tài)只連接螺栓孔周邊，第2種形態(tài)既連接螺栓孔周邊也連接Washer周邊。為了比較 RBE2和 RBE3對(duì)螺栓周邊與支架整體應(yīng)力結(jié)果的影響，在第1種螺栓模擬方式里與第2種螺栓模擬方式里分別采用了 RBE3(01/02bolt-1和01/02bolt-2)和 RBE2(01/02bolt-3 和 01/02bolt-4)連接模擬。在建模過(guò)程中為節(jié)省工時(shí)，分別建立了第1種螺栓模擬方式和第 2種螺栓模擬方式的母版模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，建模方式如圖6所示。

通過(guò)計(jì)算不同的分析模型得到對(duì)應(yīng)的有限元計(jì)算結(jié)果，應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖6 模型建立示意圖Fig.6 Model building diagram

圖7 仿真分析結(jié)果應(yīng)力圖Fig.7 Stress diagram of simulation analysis results

通過(guò)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)過(guò)程中不同拉壓力加載下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)應(yīng)力結(jié)果符合預(yù)期效果，滿足胡克定律，與加載力成線性相關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8。

圖8 試驗(yàn)得到的應(yīng)力隨間隔加載結(jié)果變化趨勢(shì)圖Fig.8 Tendency diagram of stress variation with interval loading

2 結(jié)果對(duì)比分析

本文選擇較為關(guān)注的倒角附近區(qū)域作為試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變片的粘貼區(qū)域進(jìn)行對(duì)比。

關(guān)于圖表中名詞進(jìn)行解釋說(shuō)明如下：

Max-all，整個(gè)支架模型中最大應(yīng)力值；

Max-bolt，螺栓模型中最大應(yīng)力值；

Element-82030，應(yīng)變片粘貼位置應(yīng)力值；

X，X方向加載500N計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力值；

Y，Y方向加載500N計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力值；

Z，Z方向加載500N計(jì)算結(jié)果最大應(yīng)力值。

2.1 A/B、C/D種螺栓模擬方式分析結(jié)果對(duì)比

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果對(duì) A、B和 C、D螺栓模型進(jìn)行對(duì)比分析(圖 9)發(fā)現(xiàn)(本文對(duì)比了第一種螺栓模擬方式)，螺栓孔模擬過(guò)程中有無(wú)Washer對(duì)距離螺栓孔較遠(yuǎn)的應(yīng)變片粘貼位置的應(yīng)力值Element-82030影響較小，在X、Y、Z 3個(gè)方向受力中影響均在3%以內(nèi)，符合圣維南原理。對(duì)應(yīng)螺栓孔周邊的應(yīng)力值影響差別最大可達(dá)到41%以上，特別在Z向工況，螺栓受到軸向拉伸時(shí)，對(duì)螺栓孔周邊的應(yīng)力結(jié)果影響更加明顯，不利于螺栓孔應(yīng)力值的評(píng)價(jià)。

因此，在建立螺栓仿真評(píng)價(jià)的過(guò)程中，一定要根據(jù)螺栓的墊片直徑，進(jìn)行 Washer的模擬仿真，否則將無(wú)法接受對(duì)于螺栓孔周邊應(yīng)力結(jié)果影響。

2.2 RBE2/RBE3連接分析結(jié)果對(duì)比

圖9 A/B、C/D種螺栓模擬方式分析結(jié)果對(duì)比變化圖Fig.9 Comparisons of analysis results of A and B，C and D

根據(jù) 2.1結(jié)果，本文接下來(lái)只進(jìn)行 B、D 2種含Washer的螺栓模擬方式進(jìn)行 RBE2、RBE3連接分析結(jié)果對(duì)比。如圖 10所示，B、D 2種螺栓模擬方式采用 RBE2/RBE3連接方式，對(duì)于各自的計(jì)算結(jié)果影響基本均在 10%以內(nèi)，其中 B種螺栓模擬方式僅在 X工況加載時(shí)螺栓附近的應(yīng)力結(jié)果存在較大差別，達(dá)到了 41%，D種螺栓模擬方式僅在 X工況加載時(shí)螺栓附近的應(yīng)力結(jié)果差異達(dá)到了 35%，可以認(rèn)為 RBE2和 RBE3對(duì)仿真分析結(jié)果存在較大影響，因?yàn)?RBE2相比RBE3剛性更大，導(dǎo)致RBE3單元在某一個(gè)方向受力時(shí)變形較大，對(duì)于螺栓孔周邊的應(yīng)力值有減小的影響趨勢(shì)。同時(shí)，在分別對(duì)比 B種螺栓模擬方式和D種螺栓模擬方式時(shí)發(fā)現(xiàn)，均為RBE2單元進(jìn)行螺栓模擬時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力結(jié)果，符合預(yù)期。

圖10 B/D螺栓模擬方式 RBE2/RBE3單元分析結(jié)果對(duì)比變化圖Fig.10 Comparisons of analysis results of B and D by RBE2/RBE3

圖11 B/D兩種螺栓模擬方式 RBE2/RBE3單元分析誤差值對(duì)比變化圖Fig.11 Comparison of error values of B and D by RBE2/RBE3

因此，本文將 B、D兩種螺栓的 RBE2/RBE3各自產(chǎn)生的誤差值進(jìn)行比較(圖 11)，發(fā)現(xiàn) 2種螺栓模擬方式因 RBE2/RBE3產(chǎn)生的影響趨勢(shì)一致，影響大小基本一致。進(jìn)而在以后螺栓模擬仿真的過(guò)程中可以提前了解，RBE2/RBE3會(huì)產(chǎn)生一定的影響，與螺栓Washer的類別無(wú)關(guān)，并且 RBE2產(chǎn)生的應(yīng)力值會(huì)偏大一些，但對(duì)于距離螺栓孔周邊較遠(yuǎn)的地方影響均較小。如果在建模的過(guò)程中，對(duì)于螺栓周邊的應(yīng)力結(jié)果不是很關(guān)注，又想節(jié)約時(shí)間，則可以選擇精度相對(duì)較低的模擬方式。

2.3 A/B/C/D 4種螺栓模擬方式以及其RBE2/RBE3連接分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，以及將誤差大小進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，所有螺栓模擬方式對(duì)于距離螺栓孔較遠(yuǎn)處的應(yīng)力值影響均在 10%以內(nèi)，但采用RBE2連接方式的B、D兩種螺栓模擬形式的誤差相比于其他螺栓模擬形式較大，而根據(jù) 2.1的結(jié)論在進(jìn)行螺栓模擬時(shí)應(yīng)該采用 Washer，即B、D模擬方式更加準(zhǔn)確，但B、D螺栓模擬方式又因?yàn)镽BE2/RBE3單元類型的影響具有較大差異。具體原因分析如下：RBE2剛性相比于 RBE3更大，因此有可能導(dǎo)致距離螺栓孔較遠(yuǎn)的應(yīng)變片粘貼處應(yīng)力值會(huì)偏大，對(duì)螺栓孔周邊的應(yīng)力結(jié)果影響更加明顯，不利于螺栓孔應(yīng)力值的評(píng)價(jià)。結(jié)果如圖12所示。

因此，在建立螺栓仿真評(píng)價(jià)的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)具體分析需要進(jìn)行綜合判斷，為得到更高精度的螺栓模擬方式，下一步可以分析對(duì)比采用RBE2、RBE3相結(jié)合的螺栓模擬方式進(jìn)行結(jié)果精度的對(duì)比。但對(duì)精度要求不是很高或誤差在允許范圍內(nèi)的螺栓評(píng)價(jià)分析以及模型的整體評(píng)價(jià)分析來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上文的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行參考分析，選擇最適合的模型。

圖12 A/B/C/D四種螺栓模擬仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比示意圖Fig.12 Comparison of simulation analysis results and test results of A/B/C/D four kinds of bolts

3 結(jié)論及展望

①A、B、C、D 4種螺栓模型的分析對(duì)比表明，建立Washer的B/D螺栓模型更具有螺栓評(píng)價(jià)意義。

②通過(guò) RBE2/RBE3螺栓模型及與試驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比，單純采用RBE2對(duì)距離螺栓較遠(yuǎn)的應(yīng)變片處應(yīng)力值的誤差影響相對(duì)較大，但尚在可接受范圍內(nèi)，可以根據(jù)具體分析需要進(jìn)行模型選擇。

③下一步可以將混合采用 RBE2/RBE3的螺栓連接形式、螺栓墊片局部增厚，以及對(duì)凸焊螺母形式等螺栓連接作為研究課題。