淺談塑料離合踏板臂使用Tetrahedron有限元網(wǎng)格的后處理

謝文輝

摘? ?要：汽車輕量化為節(jié)能減排作出了巨大貢獻(xiàn)，而“以塑代鋼”是輕量化中很常用的途徑。有限元分析作為“以塑代鋼”中一個(gè)非常重要的評(píng)估工具，約束其分析準(zhǔn)確性的因素除了材料參數(shù)的定義、有限元分析模型的建立之外，還有有限單元網(wǎng)格的選擇。對(duì)于壁厚不均勻的塑料離合踏板臂，使用Tetrahedron網(wǎng)格類型進(jìn)行有限元分析，后處理時(shí)最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力以及此網(wǎng)格單元的最大積分點(diǎn)應(yīng)力也會(huì)有差異。結(jié)果顯示，網(wǎng)格密度、積分點(diǎn)數(shù)量的變化對(duì)積分點(diǎn)應(yīng)力的變化相對(duì)更小。

關(guān)鍵詞：塑料離合踏板臂;Tetrahedron網(wǎng)格;節(jié)點(diǎn)應(yīng)力;積分點(diǎn)應(yīng)力

1? ? 概述

在汽車輕量化中，塑料離合踏板臂是“以塑代鋼”非常典型的案例，在部分合資原始設(shè)備制造商（Original Equipment Manufacture，OEM）中得到了平臺(tái)化的應(yīng)用，而以吉利、長(zhǎng)城等為代表的自主品牌，也在積極導(dǎo)入。對(duì)于整個(gè)踏板模塊而言，其發(fā)展軌跡為全金屬方案—混合型方案—全塑料方案。

離合踏板臂從金屬換成塑料方案后，由于其高分子材料本質(zhì)，以及注塑成型缺陷的影響，以下幾點(diǎn)技術(shù)要求需要特別關(guān)注：滿足人機(jī)工程學(xué)（翹曲變形）、確保滿足長(zhǎng)期工況（強(qiáng)度）、確保滿足長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性（疲勞耐久）、高低溫環(huán)境下正常使用（高低溫循環(huán)）、良好的耐腐蝕性。

在滿足空間要求的前提下進(jìn)行踏板臂縱向強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)項(xiàng)評(píng)估時(shí)，有限元軟件里面除了材料參數(shù)定義、有限元模型的建立對(duì)仿真結(jié)果有很大影響之外，如何選擇網(wǎng)格類型、如何利用后處理進(jìn)行評(píng)估也是非常重要的。本文使用了Tetrahedron網(wǎng)格分析，探究后處理結(jié)果中節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和積分點(diǎn)應(yīng)力的區(qū)別，為CAE工程師提供參考。

2? ? 產(chǎn)品描述

2.1? 結(jié)構(gòu)描述

圖1為一個(gè)離合踏板模塊實(shí)例，主要零件包括塑料離合踏板臂與組成離合踏板支架的鈑金件，以及連接兩者的螺栓、踏板臂的復(fù)位彈簧[1]。

塑料離合踏板臂為注塑成型生產(chǎn)零件，而零件壁厚是不均勻設(shè)計(jì)的。假如在Moldflow中進(jìn)行模流分析其密度，可以看到：芯層厚度高的區(qū)域注塑結(jié)束后密度較低，現(xiàn)實(shí)體現(xiàn)為芯層有縮孔缺陷。為降低注塑成型缺陷對(duì)零件性能的影響，注塑過程需要保證“產(chǎn)品密度高”，注塑工藝上體現(xiàn)為高背壓、高保壓壓力和長(zhǎng)保壓時(shí)間等，利用優(yōu)化的注塑成型工藝來避免產(chǎn)品因注塑成型缺陷而導(dǎo)致性能不足。

2.2? 工況描述

為確保滿足長(zhǎng)期使用工況，OEM會(huì)通過踏板臂縱向強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)來評(píng)估其強(qiáng)度。每個(gè)OEM根據(jù)其平臺(tái)設(shè)計(jì)指標(biāo)的不同，設(shè)定的載荷大小也不一樣。對(duì)此案例討論的離合踏板模塊，加載位置選定踏板臂表面幾何中心、垂直于踏板臂表面加載。踏板模塊主要靠踏板支架底座與BIW進(jìn)行連接，踏板臂通過限位桿限制踏板臂的運(yùn)動(dòng)角度、彈簧進(jìn)行復(fù)位[2]。

在此實(shí)驗(yàn)條件下，在載荷達(dá)到2 000 N時(shí)，踏板臂會(huì)在圖1所示位置發(fā)生斷裂失效。

3? ? 有限元仿真

3.1? 網(wǎng)格選擇

有限元仿真的網(wǎng)格選擇，很大程度上受到零件結(jié)構(gòu)的影響。由于塑料踏板臂整體壁厚不均勻，同時(shí)考慮到網(wǎng)格生成的可能性以及仿真時(shí)間成本，選擇如圖2所示的Tetrahedron網(wǎng)格[3]，采用C3D4以及C3D10M兩種積分點(diǎn)形式作為對(duì)比。

網(wǎng)格密度則選擇使用單元尺寸為1.5 mm、2.3 mm和3.0 mm來進(jìn)行對(duì)比。結(jié)合積分點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)格密度兩個(gè)變量，進(jìn)行6組有限元仿真分析。

3.2? 建模說明

參考離合踏板臂實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況，對(duì)離合踏板臂表面施加2 000 N載荷，而踏板支架底座與BIW連接處需約束6自由度，如圖3所示;另外，需保證踏板臂模型已轉(zhuǎn)動(dòng)到其實(shí)際工作的極限角度，且限位槽處約束Z方向的自由度。以上工作全在Abaqus中進(jìn)行。

材料使用40份玻纖增強(qiáng)的PA66，輸入其在平衡時(shí)態(tài)時(shí)測(cè)定的真實(shí)Stress-Strain曲線;組成踏板臂支架的其余鈑金零件可以使用標(biāo)準(zhǔn)的金屬材料進(jìn)行定義，如彈性模量2.10e+11 N/m2、泊松比0.30、密度7.85e+3 kg/m3。

保證材料、邊界條件完成之后，使用Static，General的求解器，離合踏板模塊零件之間使用0.3摩擦系數(shù)進(jìn)行接觸對(duì)的建立后，進(jìn)行仿真分析[4]。

3.3? 結(jié)果處理

如圖3所示，無論用哪一種網(wǎng)格類型、網(wǎng)格密度，產(chǎn)品應(yīng)力最大點(diǎn)位置與現(xiàn)實(shí)斷裂位置相符合，不同的地方在于應(yīng)力值的大小。

眾所周知，Mises應(yīng)力在云圖顯示結(jié)果為最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。在這里選取一個(gè)云圖結(jié)果中Mises應(yīng)力最大的網(wǎng)格進(jìn)行Probe values查詢，可以發(fā)現(xiàn)，云圖上所顯示結(jié)果其實(shí)為節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，而用Probe values去查詢的結(jié)果為積分點(diǎn)應(yīng)力。一般來說，有多少個(gè)積分點(diǎn)，就會(huì)有多少個(gè)積分點(diǎn)應(yīng)力，最大的結(jié)果可以稱為最大積分點(diǎn)應(yīng)力。

這時(shí)，查詢上述6個(gè)模型的云圖結(jié)果斷裂（最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力）位置網(wǎng)格的積分點(diǎn)應(yīng)力，從表1可以發(fā)現(xiàn)，最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力是隨著積分點(diǎn)數(shù)量的增加而大幅度增加，但隨著網(wǎng)格密度的增加卻沒呈現(xiàn)出明顯變化規(guī)律;最大積分點(diǎn)應(yīng)力隨著積分點(diǎn)數(shù)量的增加沒有呈現(xiàn)出明顯變化規(guī)律，而隨著網(wǎng)格密度的增加，最大積分點(diǎn)應(yīng)力也沒呈現(xiàn)出明顯變化規(guī)律。

4? ? 結(jié)語

此案例討論的塑料離合踏板臂，由于采用不均勻壁厚進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮到網(wǎng)格劃分的難度以及成本，選擇Tetrahedron進(jìn)行網(wǎng)格劃分可以大大節(jié)約設(shè)計(jì)開發(fā)成本。但在結(jié)果后處理時(shí)，CAE工程師可能會(huì)對(duì)該如何評(píng)判Mises應(yīng)力結(jié)果產(chǎn)生疑惑。

通過此案例可以得知：（1）Mises應(yīng)力結(jié)果在云圖上顯示，默認(rèn)為節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值，而最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值的變化與網(wǎng)格積分點(diǎn)數(shù)目成明顯的正比關(guān)系，而隨著網(wǎng)格密度的增加卻沒有很大的變化。（2）對(duì)最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力單元進(jìn)行查詢，最大積分點(diǎn)應(yīng)力值與網(wǎng)格劃分密度、網(wǎng)格積分點(diǎn)數(shù)目都沒有明顯的關(guān)聯(lián)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]徐石安，江發(fā)潮.離合器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]黃從奎，楊允輝，喻少高.扭轉(zhuǎn)彈簧在助力式離合踏板中的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015（12）：108-111.

[3]HIBBITT，KARLSSON，SORENSEN，et al.ABAQUS/standard user’s manual version 6.14[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4]馬? ?成，汪? ?江，李光明.離合踏板力優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015，53（4）：71-73.