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基于OptiStruct的保险杠大变形刚度分析

2018/11/21    来源:互联网    作者:任琦  刘明      
关键字:保险杠  Optistrcut  刚度分析  
应用OptiStruct求解器对汽车保险杠撞击刚性柱的过程进行数值模拟,得到保险杠总成的变形,应力分布云图,以及刚度特性曲线等结果,校核了保险杠该工况下的抗压刚度,并最终与实验结果进行对标,为保险杠的成功开发提供了保障。

0 前言

    汽车塑料保险杠作为汽车前保系统中重要的零件,在设计过程中除了需要考虑缓冲吸能效果,还要考虑其自身的刚度特性,如表面刚度、下沉、热变形、以及抗压刚度等情况。汽车在超低速情况下撞击刚性柱的情况属于一种准静态的问题,若用显示计算会占用大量计算时间,或存在不合理的简化等效。使用隐式非线性的方法可以较准确的模拟这种大变形的非线性情况。

    OptiStruct求解器对大应变,大位移以及接触等非线性问题具有良好的处理能力。本文正是基于OptiStruct来实现上述大变形问题的模拟,将撞击过程等效为强制位移的工况。最终来考核保险杠结构的刚强度,与实验结果对比,结果吻合。

1 刚度实验

    1.1 实验方法和标准

    刚度实验方法如图1所示,刚性柱在100mm/min的水平推动速度下,压缩保险杠总成,加载行程在100mm-150mm范围内。刚性柱的尺寸为:直径100mm,高度300mm。刚度结果需满足曲线要求。

前保险杠总成刚度实验方法

图1 前保险杠总成刚度实验方法

2 前保总成刚度仿真分析

    2.1 前保总成有限元模型

    前保总成模型包括保险杠本体,上格栅,下格栅,车灯,装饰条,以及车身环境件等。使用Hypermesh软件建立有限元模型,如图2所示,主要采用壳单元,单元尺寸为5mm,共13182个单元。螺钉、卡扣和安装固定点均使用Rbe2单元进行链接。其中刚性柱使用Rbe2单元进行链接。

前保总成的有限元模型

图2 前保总成的有限元模型

    其中,保险杠的材料为PP,料弹性模量为1650MPa,密度为1.1e+3kg/m3,泊松比为0.35,材料使用非线性材料数据,使用MATS1卡片,材料的塑性段的曲线如图3所示。刚性柱的材料为钢材。

PP材料应力-塑性应变曲线

图3 PP材料应力-塑性应变曲线

    2.2 接触定义

    分析模型中需要定义接触,主要是刚性柱和前保各零件之间的接触。定义刚性柱为主接触,前保总成接触部分为从接触,如图4所示。使用Pcont属性来定义接触属性。在接触界面定义中对各个参数进行设置,因为分析要涉及到大变形,故需要激活接触参数中的Track选项,激活为FINITE或CONLSI,如图5所示。

接触的定义

图4 接触的定义

接触对的参数

图5 接触对的参数

    2.3 边界条件

    约束:保险杠安装固定点进行123456固定约束。

    载荷:依据实验要求,限定刚性柱水平方向的自由度,施加水平方向的强制位移,位移大小为100mm。

    本次分析采用了非线性瞬态分析的分析工况,需要引用卡片如图6所示。由于分析为大变形问题,故需要激活大变形的分析卡片,以及接触专家卡片。控制输出卡片,输出应力,应变,接触力以及节点的反力,并设置输出请求卡片。

loadstep及引用卡片关系

图6 loadstep及引用卡片关系

3 分析结果

    计算完成后,在HyperView和HyperGraph中分别查看可视结果和曲线结果。

    3.1 变形结果

    在HyperView中显示保险杠总成的变形分布云图,变形结果如图7所示。结果表明,分析过程中接触没有发生穿透,保险杠本体发生了预期的变形。保险杠本体下端部分变形超出弹性变形范围,发生屈服。

变形结果

图7 变形结果

    3.2 应力结果

    应力及应变结果如图8所示。保险杠本体下端部分应力结果远超过材料屈服强度,发生屈服,塑性应变结果结合材料的应力应变曲线可知,该位置发生较大屈服,但仍未产生破坏。

应力及应变结果

图8 应力及应变结果

    3.3 刚度曲线结果

    在HyperGraph中分别输出刚性柱RBE2单元主点的位移-时间曲线与力-时间曲线,然后进行合成,进而得到刚度特性曲线,如图9所示。曲线结果导出后与实验结果进行对比,结果表明分析结果与实验结果非常吻合。

力-位移曲线(分析结果与实验结果)

图9 力-位移曲线(分析结果与实验结果)

4 结论

    本文使用OptiStruct软件,对保险杠总成进行了大变形刚度分析。分析结果与试验结果相符,说明使用该分析方法可以正确的指导保险杠的前期开发,为保险杠成功的开发提供了保障,缩短开发周期,指导开发设计。

    OptiStruct作为一款先进的结构分析求解器,具有高精准的求解精度,同时其求解能力仍在不断的完善,比如几何大变形问题,接触非线性求解能力等。

责任编辑:程玥
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