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某越野车前罩盖扭转刚度有限元分析

2022/3/24    来源:Altair    作者:魏志辉  王冰  贺俊杰      
关键字:前罩盖试验  有限元  扭转刚度  HyperMesh  
为了验证某越野车前罩盖扭转刚度是否满足设计要求,对其进行了有限元方法和试 验方法对比研究。
1 前言

       前罩盖一般居于汽车的最前端,前罩盖的扭转刚度是汽车重要力学性能之一,扭转刚度不足会导致舱盖局部区域出现大的变形,影响舱盖的密封性,因此前罩盖的扭转刚度十分重要。传统的汽车设计一般用试验法来研究刚度,但现在随着计算机的发展,很多国内外专家把有限元法应用到汽车设计中来,这样可以在汽车的设计、改进、开发过程中用计算机模拟的方法来代替试验,从而降低成本和缩短时间,并节省大量的资金。因此对越野车前罩盖进行了有限元分析和试验验证。
 
2 某越野车前罩盖介绍

       前罩盖总成一般由外板和内板结合而成,为适应整车造型的需要,外板一般设计成平整或者稍有拱曲的大覆盖件,为了增加前罩盖的整体刚度,一般在外板上布置两条相差不大且通长的加强筋。内板由薄钢板经整体拉延后成型,呈网络状布置。前罩盖几何模型,如图1所示,左右两铰链固定点间的距离1397mm,左右两侧缓冲垫点间距离1220mm。

前罩几何模型

图1 前罩几何模型


3 扭转刚度理论基础

       当汽车受到左右对称并且方向相反的载荷作用时,汽车前罩盖会产生扭转变形,评价结构抵抗这种扭转变形的能力就是扭转刚度,具体计算方法如下:


       假设汽车前罩盖是一个具有均匀扭转刚度的直杆,然后根据材料力学中的计算公式计算扭转刚度数值,前罩盖扭转刚度K(Nm/rad)计算公式如下:

       式中:K—前罩盖扭转刚度的定义为扭矩与扭转角度之比(Nm/rad)

       Mt—扭矩(Nm)

       α—扭转角度(rad)

       F—最大载荷值(N)

       L—左右两侧缓冲垫之间的距离(mm)

       Z1—左侧缓冲垫支撑点的位移(mm)

       Z2—右侧缓冲垫支撑点的位移(mm)

       如图2所示,为扭转角度α示意图。

扭转角度示意图

图2 扭转角度示意图


4 前罩盖扭转刚度有限元分析

       对前罩盖用有限元软件HyperMesh进行建模,然后用OptiStruct对模型进行扭转刚度计算求解。

       4.1 建立有限元模型

       前罩盖结构简单,在UG中将模型文件另存为IGES中间数据格式,然后导入到HyperMesh中。在HyperMesh中对发生变形或缺面的零件进行修复,然后在HyperMesh中进行建模。因为内外板主要是薄板冲压件,可以采用四边形壳单元划分,并适当用三角形单元过渡,内外板之间的焊点用RBE2单元来模拟。

       前罩盖总成有限元模型包含前罩盖和铰链,节点数20753,单元数20912,其中四边形单元19758,三角形单元1154,三角形单元所占比例5.5%,单元尺寸取10mm。

       4.2 前罩盖材料

       前罩盖外板材料是DC04,厚度为0.7mm,内板材料是DC01,厚度为1.2mm,铰链材料是SAPH440,厚度是3mm,前罩盖总质量是13.6Kg。在HyperMesh中赋予线弹性材料特性,其中弹性模量E=2.07e+05MPa,材料泊松比λ=0.3,密度ρ=7.8e-09T/mm3

       4.3 边界条件

       将前罩盖左右两个铰链约束XYZ三个方向的移动自由度,释放XYZ三个方向的转动自由度。在前罩盖左右缓冲垫支撑点位置分别施加向上和向下大小为41N的力,形成一个50Nm的扭矩。

       4.4 结果分析:

       用OptiStruct对设置好的有限元文件进行计算,把结果文件导入到HyperView中进行分析。假定位移沿Z向向上取正值,向下取负值。测出左侧缓冲垫支撑点Z向位移为4.430mm,右侧缓冲垫支撑点Z向位移为(-4.368)mm,左右缓冲垫支撑点的间距为1220.378mm,通过公式计算得前罩盖的扭转刚度K=6935.66Nm/rad。前罩盖位移变形图,如图3所示,应力云图,如图4所示。

前罩盖位移变化图

图3 前罩盖位移变化图

 

前罩盖应力云图

图4 前罩盖应力云图


5 扭转刚度试验

       为了验证有限元仿真计算结果的正确性和可靠性,对该车前罩盖进行了扭转刚度台架测试。

       5.1 试验原理

       通过实车试验计算前罩盖刚度,是比较传统的方法。试验过程中,按照国家标准要求在室内常温的环境下进行试验。将汽车前罩盖固定在刚性试验台上,并模拟实际工作情况,进行约束并通过加载装置对前罩盖施加扭转载荷,通过力传感器及二次仪表,载荷显示仪表,百分表等测试设备得到试验数据,最后用公式可以得出测试结果。

       5.2 扭转刚度测试

       前罩盖扭转刚度试验照片,如图5所示,约束条件和有限元分析一致。在左右缓冲垫上缓慢施加一对大小相等,方向相反的垂直力,形成一个大小为50Nm的扭矩。通过测量左右加力点的垂直方向位移,可以得到前罩盖的扭转角,最后计算可得前罩盖的扭转刚度值。

前罩盖扭转刚度试验

图5 前罩盖扭转刚度试验

       5.3 试验结果

       在左右两侧缓冲垫处从0N开始逐渐加载,一直到41N,形成一个相当于50NM的扭矩,然后逐渐卸载,测出相应位移量。左右缓冲垫处位移值,如表1所示。

       把表1中的左右缓冲垫在41N时的Z向位移值4.32mm和(-4.28)mm代入到公式(1)中可以得到前罩盖扭转刚度为7093.32Nm/rad。远远高于目标值2500Nm/rad,满足设计要求。
表1 加力点变形量

加力点变形量


       5.4 仿真结果和试验结果对比

       有限元计算结果和试验值对比,如表2所示。由于前罩盖总成要经历涂装工艺环节,由此会导致材料硬化,增加部件刚度,而仿真分析时没有考虑这个问题。我们在前罩盖建模过程中对结构进行了简化,导致比实际的质量轻了0.12kg,仿真结果间的差异主要由于二者质量的差异,由此出现了扭转刚度的差异。表中数据表明,该越野车前罩盖的有限元仿真结果稍低于试验结果,但总的来说,两者误差不大,基本吻合。
表2 试验值和有限元计算结果对比

试验值和有限元计算结果对比


6 结论

       通过对某款越野车前罩盖扭转刚度有限元模拟和试验分析,得到如下结论:

       (1)通过有限元仿真和试验两种方法,得到了前罩盖的扭转刚度数值,对比以后可以看到有限元分析结果和试验结果基本一致,误差在5%以内。验证了有限元分析的可靠性,说明仿真模型建立的基本正确。

       (2)将分析结果与同类车型的设计目标值相比较,两者都大于目标值,所以前罩盖的扭转刚度满足要求。

       当然有限元分析也有其局限性,完全取代试验是不可能的,计算结果很大程度上依靠建模的准确度。此刚度分析方法同样可以应用与其它车型,为以后汽车设计中有限元的应用提供了重要依据。
责任编辑:程玥
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