基于偽接觸法的某機蓋撐桿穩(wěn)定性分析

鄭 俊

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

前言

作為汽車重要覆蓋件的機蓋需要與機蓋撐桿進行相應(yīng)地匹配[1]。在試驗工況下，機蓋與撐桿相互作用，需要滿足在允許變形但不失功能條件下設(shè)定的精致工藝和結(jié)構(gòu)強度要求，且避免發(fā)生屈曲變形[2]，以免造成機蓋和車身機構(gòu)的損壞，甚至危及人身安全。針對該問題，本文基于試驗方法與試驗數(shù)據(jù)采用偽接觸法進行機蓋撐桿的穩(wěn)定性分析，在研發(fā)概念設(shè)計階段，進行先行數(shù)值研究分析驗證。

1 撐桿屈曲分析

基于撐桿的工作狀態(tài)，對邊界進行相應(yīng)地處理，進行前屈曲分析。前屈曲分析用來評估“硬”結(jié)構(gòu)的臨界載荷，可以公式（1）計算得到預(yù)加載結(jié)構(gòu)所具有的屈曲載荷，用于評估結(jié)構(gòu)的缺陷敏度的研究[3]。

1.1 撐桿模型前處理

網(wǎng)格劃分，對于撐桿和撐桿對應(yīng)的襯套采用實體六面體進行劃分，為了保證模擬的準確性，需要對撐桿網(wǎng)格劃分有所要求，撐桿（D8 mm）截面為采用N=20對應(yīng)的網(wǎng)格，高質(zhì)量的單元可以保證數(shù)值仿真的準確度，粗糙的網(wǎng)格單元不但會影響到結(jié)構(gòu)自身強度，而且還會給導(dǎo)致仿真結(jié)果的準確度不高。表1為單元網(wǎng)格劃分對撐桿截面積與慣性矩的關(guān)系與影響，截面積和慣性矩可以根據(jù)公式（3）和公式（4）計算得到。

表1 撐桿截面粗細網(wǎng)格劃分對比

式中，n為正多邊形的邊數(shù)；a為正多邊形的邊長；α為正多邊形的中心角。

1.2 材料屬性

撐桿端部與機蓋作用的注塑件的材料參數(shù)通過拉伸試驗獲得得其的測試應(yīng)力應(yīng)變曲線，然后在換算成其真實的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1，根據(jù)拉伸試驗ISO527進行拉伸試驗，試驗速度為50 mm/min，溫度為23 ℃；圖2是介于撐桿與大燈支架之間安裝的橡膠襯套的力與位移的測試曲線。文中分析涉及材料非線性與幾何非線性，表2為分析涉及的材料及其屬性。

圖1 注塑件PA+30%GF的力學(xué)拉伸曲線

圖2 橡膠襯套力與位移試驗測試曲線

表2 撐桿穩(wěn)定性分析涉及的材料及其屬性

1.3 撐桿前后屈曲分析

前屈曲分析是單獨對柔性撐桿結(jié)構(gòu)進行特征值屈曲分析，提取相應(yīng)的屈曲模態(tài)特征值，圖3為撐桿前二階的屈曲模態(tài)，在工程應(yīng)用中，使柔性桿保持微小彎曲失穩(wěn)的最小壓力是臨界壓力，即第一階的臨界載荷。

根據(jù)公式（2）和圖3中一階屈曲的特征值，提取第一階的屈曲載荷F1=5.8543*100=585.43 N。

圖3 柔性撐桿前二階屈曲模態(tài)

后屈曲分析是用來評估撐桿在工作狀態(tài)下，依據(jù)試驗方法，采用試驗載荷，在機蓋前角點施加對應(yīng)載荷過程中發(fā)生后屈曲變形的分析。分析Step2過程中需要開啟risk，根據(jù)數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，在Step2階段，位移與時間的歷程曲線是正相關(guān)，并未出現(xiàn)負相關(guān)，如圖4所示，說明柔性撐桿未發(fā)生后屈曲變形，即柔性撐桿在加載階段未達到第一階臨界載荷，并不失穩(wěn)。

圖4 工況2下前角點2的位移歷程曲線

2 機蓋剛/強度分析

發(fā)動機蓋是汽車重要外觀件，其與翼子板、前大燈、前保及前格柵的間隙面差匹配直接關(guān)聯(lián)感知質(zhì)量[4]。利用CAE分析手段，從精致工藝方面入手，設(shè)定機蓋卸載后的變形剛度要求。機蓋撐桿穩(wěn)定分析，不僅要針對撐桿自身進行屈曲分析，還要針對與撐桿相互作用的機蓋內(nèi)板進行強度分析[5]?？疾鞊螚U與機蓋之間的匹配性，關(guān)鍵在于研究撐桿處于在工作狀態(tài)惡劣工況下的穩(wěn)定性[6]。從精致工藝出發(fā)，考察機蓋的剛度，從結(jié)構(gòu)功能出發(fā)，考察機蓋的強度，試驗工況下需要滿足允許變形但不失功能作用。文中仿真的工況設(shè)定是基于試驗要求確定，如圖5所示，在機蓋的左右前角點處施加-Z方向的載荷。

圖5 機蓋前角點P1施加載荷試驗圖

2.1 邊界條件處理

截取車身模型，將機蓋處于打開位置，車身的截取端進行全約束，機蓋與車身是通過鉸鏈連接，兩者之間可以相對轉(zhuǎn)動。工況1與工況2的載荷分別作用于前角點P1與P2，載荷大小為175 N、300 N。表3為工況1、2下模型計算分析步。

表3 工況下仿真分析步

2.2 偽接觸處理

撐桿安裝在大燈支架上面，兩者之間通過橡膠材料相互接觸作用，采用偽接觸方法對該接觸狀態(tài)進行數(shù)值模擬，可以不需要將橡膠襯套建模出來，結(jié)合試驗測試數(shù)據(jù)，利用耦合單元和連接器單元組合使用，從而達到接觸的效果。偽接觸處理方法：橡膠材料的力學(xué)性能力與位移的試驗測試曲線如圖2，撐桿-橡膠襯套-大燈支架之間的狀態(tài)通過彈簧（Spr- ing）和連接器（connector）進行模擬。將橡膠襯套的力與位移曲線賦予到彈簧的屬性（JointSpring）中，連接器采用Slot+Cardan組合，在局部坐標系下保持轉(zhuǎn)動自由度和X/Y兩個方向的平動自由度；撐桿的剛性耦合單元（KINCOUP）的主節(jié)點與大燈支架剛性耦合單元的主節(jié)點重合，兩個主節(jié)點之間建立彈簧單元（Spring）和連接單元（CONN3D2），耦合單元和偽接觸處理如圖6所示。

圖6 局部坐標下耦合單元與偽接觸處理

2.3 分析數(shù)據(jù)

機蓋撐桿的穩(wěn)定性不僅要保證柔性撐桿自身不失穩(wěn)，還需要保證精致工藝和強度方面的要求，從而滿足撐桿與機蓋及車身之間地匹配。通過工程設(shè)計要求設(shè)定前角點Z方向上永久扭轉(zhuǎn)變形△UZ_Twist和Y方向側(cè)向永久變形△UY的目標值來確保精致工藝，通過等效塑性應(yīng)變要求來確保使用功能和結(jié)構(gòu)強度。其中，變形剛度計算依公式（5）和（6）。機蓋剛強度分析結(jié)果見表4匯總。模型剛度與強度分析的數(shù)值云圖見圖7—圖9。

表4 模型剛度與強度分析結(jié)果數(shù)據(jù)匯總

圖7 工況1下前角點重力場與卸載剛度

圖8 工況2下前角點重力場與卸載剛度

圖9 兩種工況下機蓋內(nèi)板最大等效應(yīng)變云圖

3 結(jié)論

本文基于Hypermesh與Abaqus有限元分析軟件，對撐桿進行前后屈曲分析，提取相應(yīng)地特征值，觀察撐桿在工況下是否發(fā)生后屈曲現(xiàn)象?；谠囼灧椒ǎ瑢δＰ瓦M行精細化建模，數(shù)值分析工況與試驗方法一致，采用偽接觸的方法，考察整個機蓋在撐桿工作狀態(tài)下兩種工況作用下?lián)螚U穩(wěn)定性分析：

（1）柔性撐桿本身在載荷作用下，撐桿未發(fā)生后屈曲，即撐桿未達到第一臨界失穩(wěn)。

（2）機蓋左右前角點Z方向的扭轉(zhuǎn)變形位移最大為0.087 mm和Y方向側(cè)向的最大永久變形為0.016 mm；剛度都在精致工藝的要求范圍內(nèi)。

（3）機蓋及車身結(jié)構(gòu)等效塑性應(yīng)變最大為0.3%，結(jié)構(gòu)允許變形但不發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)失效和功能失效的前提下，等效塑性應(yīng)變滿足規(guī)定要求。

（4）滿足穩(wěn)定性要求的撐桿與機蓋及車身結(jié)構(gòu)得到相 應(yīng)地匹配，便于研發(fā)進行下一階段。