搜索HyperWorks在白車身剛度建模對標分析中的應用
2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文建立了某車型白車身結構的有限元模型,通過和剛度試驗方案相對比,確定有限元模型的邊界條件及分析載荷,并介紹了用于剛度計算的輸出點的處理方法。利用OptiStruct計算了該白車身結構的扭轉剛度和彎曲剛度,并將計算結果與試驗結果進行了對比,結果表明計算結果和試驗結果有較好的吻合,證明了白車身剛度建模和輸出點處理方法的合理性。
瞿曉彬 戴軼 來源:Altair
關鍵字:CAE Altair HyperWorks 有限元 白車身 剛度 試驗
1 引言
現(xiàn)代轎車車身大多數(shù)采用全承載式結構,承載式車身幾乎承載了轎車使用過程中的所有載荷,主要包括扭轉、彎曲等載荷,在這些載荷的作用下,轎車車身的剛度特性則尤顯重要。車身剛度不合理,將直接影響轎車的可靠性、安全性、NVH性能等關鍵性指標,白車身的彎曲剛度和扭轉剛度分析是整車開發(fā)設計過程中必不可少的環(huán)節(jié)。
本文通過和試驗方案對比,提出了用于剛度分析的有限元模型前處理方法,通過將計算結果和試驗結果對比,證明了前處理方法的合理性。
2 白車身結構剛度分析的前處理
2.1 白車身結構的有限元建模
根據(jù)企業(yè)內部標準,首先利用HyperMesh對白車身各部件進行網(wǎng)格劃分,得到白車身的有限元模型,如圖1所示。該模型主要由四節(jié)點和三節(jié)點的殼單元構成,焊點采用ACM方式,部分結構涂膠采用膠粘單元模擬。該模型共有438145個節(jié)點,432051個單元。
圖1 白車身結構有限元模型
2.2 邊界條件與載荷的處理
在白車身扭轉剛度試驗中,后軸固定夾具通過球鉸作用于后減震塔上。前軸扭轉夾具通過球鉸作用于前減震塔處,此處球鉸的作用是為了保證載荷作用在垂直方向上,在試驗過程中,該機構在y方向會產生微小的位移。同時,前軸扭轉夾具對車身前部起到了支撐作用,扭轉剛度試驗如圖2所示。故有限元模型中,扭轉工況的邊界條件為:后減震塔約束X,Y,Z,3個方向的自由度,前減震塔約束X方向的自由度。
扭轉工況的載荷施加在前減震塔中心點上,在垂向施加大小相等方向相反的載荷。載荷的大小通過公式F=M/L求得,其中M為試驗要求的扭矩值,L為左右減震塔中心之間的距離。在線性分析中,施加扭矩的大小和最后計算得到的剛度值無關,但是為了和試驗中測點的位移作對比,分析中施加的扭矩大小應該和試驗的相同,故分析中施加的扭矩為4080Nm,如圖3所示。
圖2 扭轉剛度試驗裝置圖
圖3 扭轉工況示意圖
彎曲剛度試驗中,固定夾具通過球鉸作用于前后減震塔上,試驗過程中前部機構在X方向會產生微小的位移,故有限元模型中,彎曲工況的邊界條件為:前減震塔約束Y,Z 2個方向的自由度,后減震塔約束X,Y,Z,3個方向的自由度。
根據(jù)試驗要求,彎曲剛度的分析,包括中部加載工況和后部中間加載工況兩種工況。
中部加載工況:在前排座椅安裝點處共施加6670N載荷。試驗時將木塊置于前排座椅安裝點上,然后在木塊上進行加載,如圖4所示;在有限元模型中,將6670N均布在前排座椅安裝點處,如圖5所示。
圖4 彎曲剛度試驗中部加載方式
圖5 彎曲工況示意圖
后部中間加載工況:在行李箱中部加載3335N。試驗時將木板橫放在行李箱中部地板上,木板邊緣與車身內壁的距離為70mm,木板的寬度為400mm,然后在木板上進行加載,如圖6所示;有限元模型中的實現(xiàn)方式為,將載荷3335N均布在圖7所示的矩形區(qū)域內(不包括模型中下凹部分),矩形的尺寸和位置按照試驗中木板的尺寸和位置來確定。
圖6 彎曲剛度試驗后部加載方式
圖7 彎曲工況后部加載示意圖
2.3 輸出點的選取
試驗中在車身底部布置測點,測點的布置方式如圖8所示。為了考察車身的總體剛度情況,并能更準確地與試驗結果作對比,在白車身上共選取320個點,作為Z向相對位移的結果輸出,然后求得剛度值。車身各部件上選取的輸出點按特定的節(jié)點號排列。為了方便觀察選取點的位移情況,在選取點之間創(chuàng)建PLOTEL單元,如圖9、圖10所示,圖中方框中的數(shù)字代表兩節(jié)點之間均布的節(jié)點數(shù)。
圖8 車身底部測點布置示意圖
圖9 車身底部PLOTEL單元示意圖
圖10 頂部和側圍PLOTEL單元示意圖
3 白車身剛度分析及數(shù)據(jù)處理
利用OptiStruct求解器,對白車身在上述載荷工況下進行靜態(tài)分析,得到扭轉工況和彎曲工況下的Z向位移分布,如圖11、圖12、圖13所示。
圖11 扭轉工況下白車身Z向位移分布圖
圖12 彎曲工況下白車身Z向位移分布圖(工況一)
圖13 彎曲工況下白車身Z向位移分布圖(工況二)
在HyperView中,將上述定義的輸出點的坐標值和位移值輸出到Excel表中,根據(jù)門窗輸出點分析前后的坐標值,計算出各工況下門窗對角線的位移變化量,計算結果均小于2mm,滿足要求。
扭轉剛度的計算,選取前左右減震塔3、15點的Z向位移輸出,按下式計算:
M為施加的扭矩;和為ΔZ3和ΔZ15的Z向位移值;L為點3與點15之間的距離。其它輸出點作為參考點,以便于和試驗結果作對比。
彎曲剛度的計算,選取所有輸出點中的最大位移值,按下式計算:
F為彎曲工況中總的加載力;Dmax為選取點中Z向最大位移值。
白車身扭轉和彎曲剛度的計算結果和試驗結果的對比如表1所示。
表1 彎曲剛度和扭轉剛度計算值
4 結論
有限元模擬計算的結果與實驗結果有較好的吻合,誤差不超過15%,說明有限元建模、邊界條件和載荷的處理,以及后處理中數(shù)據(jù)處理的合理性。
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