基于HyperWorks的某乘用車機(jī)艙蓋內(nèi)板開裂分析與優(yōu)化設(shè)計

2017-02-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:某乘用車在道路試驗中,機(jī)艙蓋內(nèi)板靠近左側(cè)鉸鏈處發(fā)生開裂現(xiàn)象,針對此開裂問題,對該車型的機(jī)艙蓋進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析計算,尋求開裂原因。為更好的模擬實際工況,考慮了機(jī)艙蓋在道路試驗過程中各種受力情況,同時設(shè)計了四種工況條件。根據(jù)計算的應(yīng)力、變形結(jié)果找出導(dǎo)致開裂的主導(dǎo)因子,并對開裂區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,改進(jìn)后的部件在后續(xù)路試中,未出現(xiàn)開裂,驗證了優(yōu)化方案的可行性。

1概述

乘用車機(jī)艙蓋與車身連接的鉸鏈區(qū)域在道路試驗中受到整車和地面?zhèn)鬟f的各種作用力(如垂直力、側(cè)向力及制動力等),所以車輛行駛時鉸鏈安裝點(diǎn)區(qū)域所受載荷比較復(fù)雜,并且該區(qū)域布置載荷采集設(shè)備比較困難,無法得到實際載荷譜,因此,僅能從該區(qū)域的受力方向設(shè)計工況,并采用業(yè)界知名的CAE應(yīng)用軟件HyperWorks對其進(jìn)行強(qiáng)度分析,根據(jù)分析結(jié)果尋找開裂原因,并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計,對改進(jìn)方案進(jìn)行計算分析,最終滿足設(shè)計要求。
HyperWorks作為高效的CAE軟件集前后處理與求解器于一體,功能全面,操作便捷,因此本文選用HyperMesh建立機(jī)艙蓋的有限元模型,選用OptiStruct求解器完成對模型的強(qiáng)度分析,使用HyperView進(jìn)行后處理得到應(yīng)力分布云圖, 其分析結(jié)果為結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進(jìn)提供參考依據(jù)。

2原方案機(jī)艙蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1模型的建立

該乘用車機(jī)艙蓋主要由內(nèi)外板、鉸鏈及其加強(qiáng)板、鎖扣及其加強(qiáng)板、焊點(diǎn)及粘膠組成的,如圖1所示。
首先對CATIA創(chuàng)建的幾何模型,運(yùn)用HyperMesh進(jìn)行幾何清理,最后按照有限元網(wǎng)格劃分規(guī)范對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,模型結(jié)點(diǎn)數(shù)38975,單元數(shù)38540,如圖2所示。

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2.2材料屬性

計算中所使用的材料參數(shù)如下:
合金鋼的材料參數(shù):彈性模量:210GPa材料密度:7.9e+3kg/m3泊松比:0.3
粘膠材料參數(shù):彈性模量:4GPa材料密度:1.2e+3kg/m3泊松比:0.3
長度單位為:mm

2.3強(qiáng)度分析及方案改進(jìn)

整車在道路試驗過程中受到的載荷來自于路面與發(fā)動機(jī)的振動,由行駛系統(tǒng)及其連接機(jī)構(gòu)傳到車身各個部位,所以車輛行駛時機(jī)艙蓋鉸鏈安裝點(diǎn)受到的載荷比較復(fù)雜,只能設(shè)計鉸鏈安裝點(diǎn)分別在X向、Y向、Z向,XYZ向各受力100N,以便模擬車型在運(yùn)動過程中,哪個方向的受力對鉸鏈開裂區(qū)域的影響最大;為了模擬其實際受力情況設(shè)計了相應(yīng)的四種工況如表1所示。鉸鏈和車身連接處設(shè)定約束,鎖定全部6個自由度,鎖扣處鎖定Z向平動自由度;同時施加密封條載荷,緩沖塊位置施加102.5N的Z向載荷、氣動桿力載荷及1重力場、鉸鏈安裝點(diǎn)加載X、Y、Z向各100N,如圖3所示。

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模型搭建完后采用OptiStruct求解器對該模型進(jìn)行強(qiáng)度分析,再運(yùn)用HyperView進(jìn)行后處理得到應(yīng)力分布云圖,結(jié)果如圖4、表2所示:

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圖4原方案各工況下強(qiáng)度計算應(yīng)力分布云圖

由于鎖扣和車身不是處于完全鎖死狀態(tài),車輛在壞路行駛時,機(jī)艙蓋會左右、前后、上下跳動,但是上下顛簸的狀態(tài)比較嚴(yán)重。從四個工況分析結(jié)果也可以得出,機(jī)艙蓋鉸鏈安裝區(qū)域開裂主要是由Z向受力所致,其應(yīng)力集中區(qū)域與開裂處比較吻合;因為機(jī)艙蓋內(nèi)板屬于普通鋼板,疲勞極限大約是135-150Mpa,工況三最大應(yīng)力122Mpa比較接近疲勞極限,與對標(biāo)車相比,該處應(yīng)力值比較大,安全因子較低,所以在重復(fù)載荷作用下,該區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中引起開裂。為了滿足設(shè)計要求對該處鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計如圖5所示,更改了鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu),同時其厚度由原來1mm變?yōu)?.5mm,材料和加工工藝不變。

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2.4新方案強(qiáng)度分析

新方案機(jī)艙蓋強(qiáng)度分析方法與原方案相同(相同的工況條件),分析結(jié)果和相應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖6和表3所示:

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圖6新方案各工況下強(qiáng)度計算應(yīng)力分布云圖

新方案分析結(jié)果與原方案進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),新方案四個工況下鉸鏈附近區(qū)域的最大應(yīng)力相對于原方案降低,鉸鏈安裝區(qū)域安全系數(shù)明顯高于優(yōu)化前且高于對標(biāo)車;說明鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,此處結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng),后續(xù)道路路試未出現(xiàn)開裂,驗證了該優(yōu)化方案的可行性。

3結(jié)論

通過對機(jī)艙蓋的有限元強(qiáng)度分析,找出其發(fā)生斷裂的原因并提出優(yōu)化方案。在同種工況中,運(yùn)用OptiStruct求解器對優(yōu)化前后方案進(jìn)行強(qiáng)度分析對比,可以得出,改進(jìn)方案鉸鏈安裝區(qū)域安全系數(shù)明顯高于優(yōu)化前,是一種比較有效的優(yōu)化設(shè)計方案,這是HyperWorks軟件在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計分析中的成功應(yīng)用。
CAE技術(shù)在結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計過程中的應(yīng)用可以尋找或較早地預(yù)測結(jié)構(gòu)動態(tài)特性設(shè)計的不足,為設(shè)計師結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)并指明方向,從而可在設(shè)計之初對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改進(jìn),減少后期設(shè)計難度,縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,提高設(shè)計可靠性。

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