車用結(jié)構(gòu)膠在白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用

2017-01-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1 概述

隨著膠粘技術(shù)的發(fā)展,車用膠粘在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,密封膠、減振膠、阻尼膠、折邊膠、結(jié)構(gòu)膠等粘膠都已成為汽車產(chǎn)品中的必要材料。然而,密封膠、減振膠、折邊膠等大部分車用粘膠都屬于功能性用膠,主要以PVC材料為基材,強(qiáng)度較低,不適合用于結(jié)構(gòu)連接,而以環(huán)氧樹脂及PU材料為基材的結(jié)構(gòu)膠可效地用于車身結(jié)構(gòu)連接。車用結(jié)構(gòu)膠不但能夠提高車身剛度、耐久性能,降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中,而且能夠進(jìn)行不同材料的異質(zhì)連接(鎂鋁合金等材料在車身上的應(yīng)用),對(duì)汽車輕量化的研究也有著重要的意義,同時(shí)結(jié)構(gòu)膠中的結(jié)構(gòu)泡沫可用于填充車體結(jié)構(gòu)空腔,通過(guò)迅速提高腔體局部剛強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車體整體性能的提升。

白車身的門框變形量分析是白車身扭轉(zhuǎn)工況下的一個(gè)常規(guī)分析,白車身的門框變形量過(guò)大可能導(dǎo)致異響性能衰減過(guò)快等系列問(wèn)題,因此扭轉(zhuǎn)工況下的白車身門框變形量必須嚴(yán)格控制在一定范圍之內(nèi)。本文以某車型的白車身為例,應(yīng)用Altair公司的HyperMesh軟件分別對(duì)結(jié)構(gòu)粘膠(Adhesive bonding)及結(jié)構(gòu)泡沫(structural foam)進(jìn)行有限元建模。在不改變?cè)撥圀w結(jié)構(gòu)的前提下,借助CAE手段,考察兩種不同的車用結(jié)構(gòu)膠對(duì)該白車身門框變形量的優(yōu)化效果,需求對(duì)白車身門框變形量最佳的優(yōu)化方案。

2 結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用背景及優(yōu)勢(shì)

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展,人們對(duì)汽車性能要求的不斷提高,傳統(tǒng)的車身連接技術(shù)已經(jīng)不能夠完全滿足人們的需求。汽車膠連技術(shù)的不斷成熟,結(jié)構(gòu)膠在車身上的應(yīng)用能夠有效地提高車身剛度、耐久性能,降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中,同時(shí)進(jìn)行不同材質(zhì)的有效連接,因此結(jié)構(gòu)膠在車身上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

車用結(jié)構(gòu)膠在白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用hyperworks仿真分析圖片1

與傳統(tǒng)的焊點(diǎn)連接比較,結(jié)構(gòu)膠有著較明顯的優(yōu)勢(shì):

1. 可消除結(jié)構(gòu)應(yīng)力突變,降低連接處的應(yīng)力,使載荷均勻分布;

2. 提高結(jié)構(gòu)抗疲勞壽命,具備更高的承載能力;

3. 進(jìn)行不同材質(zhì)的連接,提高連接強(qiáng)度等。

3 車身結(jié)構(gòu)膠的有限元模擬

3.1 粘膠材料材料參數(shù)

表1 粘膠材料參數(shù)

車用結(jié)構(gòu)膠在白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用hyperworks仿真分析圖片2

3.2結(jié)構(gòu)粘膠Adhesive bonding的模擬

結(jié)構(gòu)粘膠可用Solid、RBE2及RBE3單元模擬,粘膠實(shí)體單元與粘連基板之間的連接用RBE2單元模擬,與被粘連基板之間的連接用RBE3模擬,如下圖所示:

車用結(jié)構(gòu)膠在白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片3

在HyperWorks中,根據(jù)車體結(jié)構(gòu)應(yīng)變能情況,在車體結(jié)構(gòu)應(yīng)變能較大的區(qū)域作為涂抹結(jié)構(gòu)粘膠的區(qū)域(下圖白色高亮區(qū)域),確定好連接與被連接板件,合理地控制粘連板件之間的容差及粘膠厚度(約為0.2--05mm),即可創(chuàng)建,如下圖所示:

車用結(jié)構(gòu)膠在白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片4

3.3 結(jié)構(gòu)泡沫structural foam的模擬

結(jié)構(gòu)泡沫的建模可直接采用四面體實(shí)體單元進(jìn)行粘膠模擬。具體步驟如下所示:

車用結(jié)構(gòu)膠在白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片5

4 結(jié)構(gòu)膠在某乘用車白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用

下圖所示為某乘用車型帶前后風(fēng)擋白車身有限元模型,其中節(jié)點(diǎn)數(shù)704763個(gè),單元數(shù)693983個(gè).下面將運(yùn)用上述兩種結(jié)構(gòu)膠的建模方法,在不改變?cè)撥囆蛙圀w結(jié)構(gòu)的前提下,對(duì)該車型的門框變形量(扭轉(zhuǎn)工況)進(jìn)行優(yōu)化。

扭轉(zhuǎn)工況下的門框變形量分析的邊界條件為:

l 約束左后減震器及右后安裝支座安裝孔中心點(diǎn);

l 左右兩側(cè)的前減震器安裝孔中心建立關(guān)系約束;

l 施加某一扭距作用在左右前減震器安裝支座安裝孔中心點(diǎn)之間,可等效為圖示節(jié)點(diǎn)的Z向作用力。

車用結(jié)構(gòu)膠在白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片6

4.1應(yīng)用結(jié)構(gòu)粘膠Adhesive粘連技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化

根據(jù)白車身扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)變能情況,在應(yīng)變能較大的區(qū)域涂抹結(jié)構(gòu)粘膠,如下圖所示:

車用結(jié)構(gòu)膠在白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用hypermesh分析圖片7

門框變形量?jī)?yōu)化結(jié)果如下所示:

表1 白車身門框變形量?jī)?yōu)化結(jié)果

白車身門框	變形量%	改變量%
扭轉(zhuǎn)工況	優(yōu)化方案
D	0.027	0.025	7.49
C	0.05	0.046	7.53
O	0.044	0.041	7.69
G	0.054	0.05	7.64
H	0.04	0.035	11.09

從分析結(jié)果可知,經(jīng)優(yōu)化的各門框變形量降低約7.5%左右,H方向上的變形量降低略高,為11.09%,整體優(yōu)化效果不顯著。

4.2應(yīng)用結(jié)構(gòu)泡沫structural foam技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化

根據(jù)白車身扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)變能情況,在應(yīng)變能較大的區(qū)域填充結(jié)構(gòu)泡沫,如下圖所示:

車用結(jié)構(gòu)膠在白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用hypermesh分析圖片8

優(yōu)化結(jié)果如下所示:

車用結(jié)構(gòu)膠在白車身門框變形量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用hypermesh分析圖片9

從分析結(jié)果可知,經(jīng)優(yōu)化的各門框變形量均十分顯著的降低,均在30%以上,扭轉(zhuǎn)剛度值的提升幅度高達(dá)18.84%,扭轉(zhuǎn)模態(tài)也提高了1.76Hz,整體優(yōu)化效果較理想。

5 結(jié)論

本文借助Altair公司的HyperMesh軟件對(duì)結(jié)構(gòu)粘膠及結(jié)構(gòu)泡沫進(jìn)行了有效的有限元模擬,在不改變車體結(jié)構(gòu)的前提下,通過(guò)CAE方法分析了兩種結(jié)構(gòu)膠對(duì)扭轉(zhuǎn)工況下的白車身門框變形量的最佳優(yōu)化效果。從分析結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)粘膠及結(jié)構(gòu)泡沫對(duì)降低各門框變形量均有一定作用,其中結(jié)構(gòu)泡沫粘連技術(shù)對(duì)降低車體的門框變形量的效果顯著十分顯著,降低量均在30%以上,扭轉(zhuǎn)剛度的提升也到達(dá)18.84%,是較理想的優(yōu)化方案。

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