汽車行李箱剛度有限元分析

2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

本文通過(guò) MSC Nastran 求解計(jì)算對(duì)汽車行李箱蓋的剛度進(jìn)行評(píng)估,通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析,對(duì)行李箱蓋的力學(xué)本質(zhì)有了許多新的發(fā)現(xiàn),根據(jù)這些新的發(fā)現(xiàn),提出相應(yīng)的改進(jìn)方案,排解了設(shè)計(jì)工程師苦于難以提高行李箱剛度的困擾。

作者: 杜登惠黃慶來(lái)源: e-works
關(guān)鍵字: MSC Nastran 行李箱蓋剛度

1 背景

近年來(lái),隨著汽車改型換代加快,汽車行李箱蓋成為頻繁更改且更改較大的部件之一。

為了在很短的時(shí)間里設(shè)計(jì)出剛度很好的行李箱,需要在開發(fā)階段用 MSC Nastran 軟件對(duì)其剛度進(jìn)行評(píng)估,對(duì)不滿足剛度要求的結(jié)構(gòu)提出有效的改進(jìn)方案,得到設(shè)計(jì)工程師的認(rèn)可后再進(jìn)行驗(yàn)算,有力地支持設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)工作,縮短了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間,保證項(xiàng)目順利進(jìn)行。本文通過(guò)對(duì)某車型的行李箱蓋進(jìn)行各種剛度計(jì)算,來(lái)分析不同的改進(jìn)方案對(duì)每種剛度的影響,從而進(jìn)一步找到行李箱蓋的一些力學(xué)現(xiàn)象和大幅度提高剛度的設(shè)計(jì)方向,有效支持設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)工作。

行李箱蓋主要由外板、內(nèi)板、鉸鏈、鉸鏈加強(qiáng)板,鎖加強(qiáng)板組成,外板和內(nèi)板在外周包邊,中間有膠連接,如圖 1 所示。

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為了保證行李箱蓋在制造、運(yùn)輸、使用過(guò)程中不會(huì)有太大的變形和損壞,行李箱蓋的設(shè)計(jì)需要滿足一定的剛度值,主要?jiǎng)偠扔?側(cè)向剛度,扭轉(zhuǎn)剛度,前端局部剛度,過(guò)開剛度,尾部縱向剛度,尾部切向剛度,等等。

    2 有限元模型的建立

    2.1 網(wǎng)格劃分及連接

采用邊長(zhǎng)為 10mm 的殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。鉸鏈與內(nèi)板及加強(qiáng)板處的螺栓連接孔要有兩圈 washer。內(nèi)外板之間的包邊共節(jié)點(diǎn),內(nèi)外板之間的膠連接用一定剛度的彈簧連接。行李箱蓋的有限模型如圖 2 所示,節(jié)點(diǎn)數(shù)大約2萬(wàn)。

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    2.2 材料

    計(jì)算中所使用的材料參數(shù)如下:

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所有零件材料均用上述參數(shù)。

3 分析與結(jié)果

對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行側(cè)向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、前端局部剛度、過(guò)開剛度、尾部縱向剛度和尾部切向剛度分析,得出每個(gè)剛度的位移,求出剛度值,并對(duì)主要工況的應(yīng)變能圖仔細(xì)研究。圖3、圖4、圖5分別為過(guò)開剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度的應(yīng)變能圖。

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通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果研究,發(fā)現(xiàn)鉸鏈及鉸鏈的布置、鉸鏈加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)和行李箱蓋水平面與垂直面相接處的設(shè)計(jì)對(duì)剛度影響很大,下面就這幾個(gè)方面分別分析。

(1)鉸鏈的截面比厚度性價(jià)比更高,即增加截面可以在增加較小的質(zhì)量(質(zhì)量在某種意義上就代表 cost)上獲得較好的剛度。

在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,將鉸鏈的截面從 20mm×20mm 變?yōu)?22mm×22mm,將厚度從2.0mm 變?yōu)?1.6mm,如圖6所示。結(jié)果是:鉸鏈的質(zhì)量下降了 8.9%;側(cè)向剛度上升了 5.1%;扭轉(zhuǎn)剛度上升了 0.3%;過(guò)開剛度上升了 2.3%。

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    (2)鉸鏈與內(nèi)板及加強(qiáng)板的連接孔間距增加可以提高剛度。

在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,將鉸鏈與內(nèi)板及加強(qiáng)板的連接孔間距從 60mm 增加到 70mm,如圖7所示。結(jié)果是:前端局部剛度增加了 10.8%;尾部縱向剛度增加了 2.1%;扭轉(zhuǎn)剛度增加了 1.7%;過(guò)開剛度增加了 1.5%。

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(3)側(cè)向剛度計(jì)算的加載點(diǎn)和鉸鏈在車身上的安裝點(diǎn)比較,Z向的位置對(duì)側(cè)向剛度影響很大。在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,將計(jì)算側(cè)向剛度的加載點(diǎn)Z向抬高 30mm,如圖8所示。結(jié)果是:側(cè)向剛度提高了 27%。

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(4)鉸鏈加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)對(duì)剛度影響很大。

(a) 在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,將鉸鏈加強(qiáng)板的靠前的加強(qiáng)筋的高度從 2mm 變?yōu)?5mm,將加強(qiáng)筋延伸靠近螺栓連接孔,見(jiàn)圖 9。結(jié)果是:側(cè)向剛度增加了 3.4%;扭轉(zhuǎn)剛度增加了 10.3%;過(guò)開剛度增加了 2.8%。

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(b)在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,將鉸鏈加強(qiáng)板的一部分材料去掉,見(jiàn)圖 10。結(jié)果是:側(cè)向剛度下降了 8%;扭轉(zhuǎn)剛度下降了 36.3%;過(guò)開剛度下降了 50.0%。

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(5) 行李箱蓋水平面與垂直面相接處的設(shè)計(jì)對(duì)剛度影響很大。

在原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,將靠?jī)蛇叺男欣钕渖w水平面與垂直面相接處的過(guò)渡改緩,即圓角半徑變大,最高處相差 8mm,如圖 11 所示。

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    結(jié)果是:

    側(cè)向剛度增加了 3.7%;
    尾部縱向剛度增加了 11.3%;
    扭轉(zhuǎn)剛度增加了 9.5%;
    過(guò)開剛度增加了 10.1%。

    4 結(jié)論

利用 MSC Nastran 軟件計(jì)算可以為設(shè)計(jì)提高汽車行李箱的剛度提供方向性指導(dǎo),并且在產(chǎn)品開發(fā)階段取得了很好的成效。(1)鉸鏈的截面做得大一點(diǎn),為了不增加質(zhì)量,可以將厚度減小,結(jié)果對(duì)提高側(cè)向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、過(guò)開剛度都有好處;(2)將鉸鏈與內(nèi)板及加強(qiáng)板的靠前的連接孔向前移,則行李箱蓋的前端局部剛度會(huì)提高很多;(3)將鉸鏈加強(qiáng)板在Y向做寬,焊點(diǎn)盡量布置遠(yuǎn),對(duì)行李箱蓋的扭轉(zhuǎn)剛度非常有利;(4)將鉸鏈加強(qiáng)板上的加強(qiáng)筋做強(qiáng),且靠近螺栓連接孔,對(duì)行李箱蓋的扭轉(zhuǎn)剛度非常有利;(5)如果鉸鏈在車身的安裝點(diǎn)與側(cè)向剛度加載點(diǎn)的z向距離減小點(diǎn),則對(duì)李箱蓋的側(cè)向剛度提高很大;(6)行李箱蓋水平面與垂直面靠?jī)蛇呄嘟犹幵O(shè)計(jì)得過(guò)渡平緩一點(diǎn),使得此處的結(jié)構(gòu)厚實(shí)一些,對(duì)提高行李箱蓋的側(cè)向剛度、尾部縱向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、過(guò)開剛度都非常有利。

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