前保中支架剛度有限元仿真方法

羅帥，彭楊，張磊，周翰

(上汽通用汽車有限公司尺寸工程科，上海 201206)

0 引言

有限元仿真方法在汽車行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1-4]，在設(shè)計過程中會對一系列安全相關(guān)的整車性能進行有限元仿真，整車前部受重力狀態(tài)的仿真是眾多類型仿真中的一種。出于行人保護等安全性方面的考慮[5-6]，整車前部的整體剛度不能過高，以盡可能減少碰撞對行人造成的傷害；出于對安裝和運輸變形對匹配狀態(tài)的影響以及整車前部匹配穩(wěn)健性的考慮[7]，又希望零件的剛度可以盡可能的高，確保整車的尺寸要求，在受到一定作用力時不至于發(fā)生過大的變形。因此，前保中支架的剛度需要滿足一定的范圍。

整車級別的仿真[8-9]有以下幾個特點：(1)建模耗時長。建立一個整車模型可能需要一個上百人的團隊一個星期的時間； (2)難度較大。需要對均勻壁厚的沖壓件以及存在大量加強筋的塑料件進行網(wǎng)格建模，對相應(yīng)的焊點和連接進行定位和設(shè)置; (3)使用范圍有限。由于時間的限制，整車網(wǎng)格建模需鎖定一版數(shù)模后開始，當數(shù)模發(fā)生較大變化，則需要對網(wǎng)格數(shù)模進行相應(yīng)的更新后才能應(yīng)用。

同時，出于整車級別的考慮，在意的是整車性能和整車匹配表現(xiàn)，很難細化到單個零部件，有必要在整車性能仿真的基礎(chǔ)上，開發(fā)對于關(guān)鍵零部件的仿真方法[10]。前保中支架對前保蒙皮的下沉與否有著直接影響。前保蒙皮安裝在前保中支架之后，一旦出現(xiàn)一定程度的下沉，將會導致與前蓋及大燈等區(qū)域的間隙和平整度超差。

針對以上問題，本文作者對前保中支架的剛度仿真進行研究，是在整車性能仿真基礎(chǔ)上，開發(fā)一種前保中支架剛度仿真和評價方法，用于評估前保中支架剛度穩(wěn)健性。

1 方案設(shè)計

1.1 模型建立

圖1為前保中支架網(wǎng)格模型。

圖1 前保中支架網(wǎng)格模型

鑒于前保中支架結(jié)構(gòu)的各處剛度的差異，可以簡化為各打緊點支撐了整個前保，前保中支架各個打緊點的剛度影響著這個前保的匹配狀態(tài)?；谶^往的項目經(jīng)驗，針對多個項目的前保中支架進行了建模。

材料本身的彈性模量、泊松比和厚度都對材料的剛度有著或大或小的影響，而約束面積的大小也對剛度存在一定的影響，說明了在建模中約束面積影響著仿真結(jié)果的準確性。因此在建模中，需要注意以下幾點：

(1)正確選擇前保中支架結(jié)構(gòu)的組成部件。由于材料厚度的3次方與材料剛度呈正比關(guān)系，為了兼顧準確性和效率，在建模時，將前保中支架本身與白車身相連接的其他部件并入模型中，形成考慮了前保中支架支撐件剛性的仿真模型。

(2)選擇精確的材料參數(shù)。由于在剛度仿真中，結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)力遠小于屈服強度，所以在仿真中需要考慮的材料參數(shù)為彈性模量、泊松比、密度和厚度，應(yīng)選擇盡可能精確的材料參數(shù)。

(3)準確的設(shè)置連接屬性。約束面積影響著結(jié)構(gòu)的剛度。因此，不論是在建立約束時選擇的約束面積，還是在建立螺栓連接時選擇的接觸面積，或者焊接時選擇的焊接面，嚴格遵照數(shù)模中的實際面積進行。

1.2 仿真方案

前保中支架的約束和載荷設(shè)置的合理性，影響著仿真的準確性。前保中支架一般是通過焊接或者螺栓連接在白車身上，而相較于前保中支架，白車身的剛度要大得多，因此在建模時，將這些連接部位設(shè)置為全約束，即6個自由度全部約束。前保蒙皮一般通過4～8個打緊點固定在前保支架上，選擇評價打緊點剛度的方法，如果單個打緊點剛度足夠大，完全可以滿足整體剛度要求，同時還能承受運輸變形和人工操作時產(chǎn)生的壓力，如果某個打緊點區(qū)域剛度偏小，即該處偏軟，有可能導致前保下沉。

因此，仿真時的約束為前保中支架與白車身的焊接點，約束面積為焊點處的接觸面積，約束方向為6個自由度。

仿真時的載荷為垂直于打緊點的固定力(此處根據(jù)項目經(jīng)驗設(shè)置為40 N，每個工況有且僅有1個打緊點施加，計算完后通過固定力與打緊點的比值得到該打緊點的剛度。

1.3 臨界值設(shè)定

前保中支架的剛度會影響行人保護試驗和整車前部的匹配狀態(tài)，這兩者決定其剛度的上下限，文中針對其對整車前部匹配狀態(tài)的影響，通過試驗和仿真探索前保中支架打緊點剛度的下限，以此來判定新項目前保中支架剛度設(shè)計的有效性。

在歷史項目中，選取了兩個存在問題的原設(shè)計和優(yōu)化后的設(shè)計，按照上述建模方式和仿真設(shè)置，進行了仿真，4種狀態(tài)的模型如下，項目A有5個打緊點，項目B有4個打緊點，如圖2所示。

圖2 兩個項目的前保中支架結(jié)構(gòu)

根據(jù)實際的項目表現(xiàn)，A項目原有設(shè)計和B項目原有設(shè)計均無法滿足匹配要求，A項目優(yōu)化設(shè)計和B項目優(yōu)化設(shè)計滿足匹配要求，選擇前保中支架上前保的打緊位置進行剛度計算，由表1可知，當所有位置的最小剛度小于37 N/mm時，存在零件偏軟導致匹配區(qū)域超差的風險。

表1 A/B項目前保中支架剛度仿真結(jié)果 N/mm

2 試驗結(jié)果與分析

針對C項目的前保中支架按照上述約束狀態(tài)進行仿真，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中1—7為前保在中支架上的打緊點位置，也是計算剛度的位置。

圖3 C項目前保中支架結(jié)構(gòu)及約束位置、載荷位置

表2為C項目的前保中支架剛度仿真結(jié)果，由表2可知，該模型為左右對稱結(jié)構(gòu)，其所有點的剛度均小于臨近剛度值37 N/mm。判定為存在風險設(shè)計。

表2 C項目的前保中支架剛度仿真結(jié)果

在樣車試制中，為了排除前保零件本身尺寸影響，選擇了中支架模擬塊作為對照組，測量圖4所示位置1—7前保的下沉量。結(jié)果見表3，由表3可知，采用中支架零件時，前保出現(xiàn)了下沉，最大下沉0.9 mm，無法滿足DTS(Dimension Technical Statement)尺寸技術(shù)規(guī)范要求(變化量小于0.5 mm)，與仿真結(jié)果相符。

圖4 C項目樣車實際狀態(tài)測量位置

表3 C項目樣車實際狀態(tài)測量結(jié)果 mm

為了驗證模型有效性，在多款車型上進行了驗證，結(jié)果見表4，其中，由于不同項目的打緊點數(shù)量不同，故方針計算剛度的位置數(shù)量隨之變化。實際匹配狀態(tài)中，OK表示前保匹配狀態(tài)滿足要求，NOK表示前保下沉量大于0.5 mm，匹配狀態(tài)不滿足要求，可以發(fā)現(xiàn)，I項目各位置仿真得到的剛度最小值為31 N/mm，小于37 N/mm的臨界剛度值，實際匹配狀態(tài)超差，仿真判定與實際結(jié)果相符。

3 結(jié)論

文中提出了一種前保中支架剛度仿真的方法，可以有效地評估前保中支架剛度對前保匹配狀態(tài)的影響。主要結(jié)論如下：

(1)前保中支架的模型需根據(jù)設(shè)計的數(shù)模狀態(tài)建立，將前保中支架本體和其支撐件考慮在內(nèi)；前保中支架模型的約束需按照其與白車身的焊接或螺接位置確定，接觸面積與數(shù)模保持一致。

(2)按照要求建立的模型計算的打緊點剛度臨界值為37 N/mm，當新設(shè)計的打緊點剛度值小于臨界值時，整車前部的匹配狀態(tài)存在超出DTS要求的風險。

(3)由于需要建模的零件從整個前部的數(shù)十個零件縮減到幾個零件，大幅度縮短了建模的時間；由于省去了塑料件的不均勻壁厚的建模，可操作性有了很大的提升，減小了建模本身造成的誤差；在時間和操作性上的優(yōu)勢，可以在新項目開展時迅速進行仿真，并對改進設(shè)計快速迭代、方便使用、靈活高效。