汽車行李箱剛度有限元分析

2013-06-10  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

本文通過 MSC Nastran 求解計算對汽車行李箱蓋的剛度進行評估,通過對計算結果的分析,對行李箱蓋的力學本質有了許多新的發現,根據這些新的發現,提出相應的改進方案,排解了設計工程師苦于難以提高行李箱剛度的困擾。

作者: 杜登惠 黃慶 來源: e-works
關鍵字: MSC Nastran 行李箱蓋 剛度

1 背景
   
近年來,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。
   
為了在很短的時間里設計出剛度很好的行李箱,需要在開發階段用 MSC Nastran 軟件對其剛度進行評估,對不滿足剛度要求的結構提出有效的改進方案,得到設計工程師的認可后再進行驗算,有力地支持設計工程師的設計工作,縮短了產品開發時間,保證項目順利進行。本文通過對某車型的行李箱蓋進行各種剛度計算,來分析不同的改進方案對每種剛度的影響,從而進一步找到行李箱蓋的一些力學現象和大幅度提高剛度的設計方向,有效支持設計工程師的設計工作。
   
行李箱蓋主要由外板、內板、鉸鏈、鉸鏈加強板,鎖加強板組成,外板和內板在外周包邊,中間有膠連接,如圖 1 所示。
   

為了保證行李箱蓋在制造、運輸、使用過程中不會有太大的變形和損壞,行李箱蓋的設計需要滿足一定的剛度值,主要剛度有:側向剛度,扭轉剛度,前端局部剛度,過開剛度,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 網格劃分及連接
   
采用邊長為 10mm 的殼單元進行網格劃分。鉸鏈與內板及加強板處的螺栓連接孔要有兩圈 washer。內外板之間的包邊共節點,內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,節點數大約2萬。
   

    2.2 材料
   
    計算中所使用的材料參數如下:
   

    所有零件材料均用上述參數。

3 分析與結果
   
對現有設計進行側向剛度、扭轉剛度、前端局部剛度、過開剛度、尾部縱向剛度和尾部切向剛度分析,得出每個剛度的位移,求出剛度值,并對主要工況的應變能圖仔細研究。圖3、圖4、圖5分別為過開剛度、扭轉剛度、側向剛度的應變能圖。
    

通過對計算結果研究,發現鉸鏈及鉸鏈的布置、鉸鏈加強板的設計和行李箱蓋水平面與垂直面相接處的設計對剛度影響很大,下面就這幾個方面分別分析。
   
(1)鉸鏈的截面比厚度性價比更高,即增加截面可以在增加較小的質量(質量在某種意義上就代表 cost)上獲得較好的剛度。
   
在原始設計的基礎上,將鉸鏈的截面從 20mm×20mm 變為 22mm×22mm,將厚度從2.0mm 變為 1.6mm,如圖6所示。結果是:鉸鏈的質量下降了 8.9%;側向剛度上升了 5.1%;扭轉剛度上升了 0.3%;過開剛度上升了 2.3%。
   

    (2)鉸鏈與內板及加強板的連接孔間距增加可以提高剛度。
   
在原始設計的基礎上,將鉸鏈與內板及加強板的連接孔間距從 60mm 增加到 70mm,如圖7所示。結果是:前端局部剛度增加了 10.8%;尾部縱向剛度增加了 2.1%;扭轉剛度增加了 1.7%;過開剛度增加了 1.5%。
    

(3)側向剛度計算的加載點和鉸鏈在車身上的安裝點比較,Z向的位置對側向剛度影響很大。在原始設計的基礎上,將計算側向剛度的加載點Z向抬高 30mm,如圖8所示。結果是:側向剛度提高了 27%。
   

(4)鉸鏈加強板的設計對剛度影響很大。
   
(a) 在原始設計的基礎上,將鉸鏈加強板的靠前的加強筋的高度從 2mm 變為 5mm,將加強筋延伸靠近螺栓連接孔,見圖 9。結果是:側向剛度增加了 3.4%;扭轉剛度增加了 10.3%;過開剛度增加了 2.8%。
   

(b)在原始設計的基礎上,將鉸鏈加強板的一部分材料去掉,見圖 10。結果是:側向剛度下降了 8%;扭轉剛度下降了 36.3%;過開剛度下降了 50.0%。
   

(5) 行李箱蓋水平面與垂直面相接處的設計對剛度影響很大。
   
在原始設計的基礎上,將靠兩邊的行李箱蓋水平面與垂直面相接處的過渡改緩,即圓角半徑變大,最高處相差 8mm,如圖 11 所示。
   

    結果是:
   
    側向剛度增加了 3.7%;
    尾部縱向剛度增加了 11.3%;
    扭轉剛度增加了 9.5%;
    過開剛度增加了 10.1%。
   
    4 結論
   
利用 MSC Nastran 軟件計算可以為設計提高汽車行李箱的剛度提供方向性指導,并且在產品開發階段取得了很好的成效。(1)鉸鏈的截面做得大一點,為了不增加質量,可以將厚度減小,結果對提高側向剛度、扭轉剛度、過開剛度都有好處;(2)將鉸鏈與內板及加強板的靠前的連接孔向前移,則行李箱蓋的前端局部剛度會提高很多;(3)將鉸鏈加強板在Y向做寬,焊點盡量布置遠,對行李箱蓋的扭轉剛度非常有利;(4)將鉸鏈加強板上的加強筋做強,且靠近螺栓連接孔,對行李箱蓋的扭轉剛度非常有利;(5)如果鉸鏈在車身的安裝點與側向剛度加載點的z向距離減小點,則對李箱蓋的側向剛度提高很大;(6)行李箱蓋水平面與垂直面靠兩邊相接處設計得過渡平緩一點,使得此處的結構厚實一些,對提高行李箱蓋的側向剛度、尾部縱向剛度、扭轉剛度、過開剛度都非常有利。

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