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
現代轎車車身大多數采用全承載式結構,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設計過程中必不可少的環節。
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
根據企業內部標準,首先利用HyperMesh對白車身各部件進行網格劃分,得到白車身的有限元模型,如圖1所示。該模型主要由四節點和三節點的殼單元構成,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方式為,將載荷3335N均布在圖7所示的矩形區域內(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,在選取點之間創建PLOTEL單元,如圖9、圖10所示,圖中方框中的數字代表兩節點之間均布的節點數。
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據處理
利用OptiStruct求解器,對白車身在上述載荷工況下進行靜態分析,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,以及后處理中數據處理的合理性。
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