汽車側(cè)踏強(qiáng)度的有限元分析

牟雪雷, 李翠萍, 胡遠(yuǎn)航, 宋廣晶，田晨威

(長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心,河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

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汽車側(cè)踏強(qiáng)度的有限元分析

牟雪雷, 李翠萍, 胡遠(yuǎn)航, 宋廣晶，田晨威

(長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心,河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

側(cè)踏是方便乘客上下車的機(jī)構(gòu)，主要承受乘客腳部傳遞的載荷。側(cè)踏需要有足夠的強(qiáng)度支撐乘客的重力，才能避免在極端情況下產(chǎn)生破壞，所以進(jìn)行側(cè)踏強(qiáng)度分析至關(guān)重要。通過ANSA軟件建立側(cè)踏分析模型，并采用ABAQUS進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。有限元分析結(jié)果為零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

側(cè)踏；強(qiáng)度；有限元分析

0　前言

隨著消費(fèi)者對(duì)汽車外觀及性能要求的不斷提高，側(cè)踏逐漸成為汽車不可或缺的零部件。側(cè)踏方便了乘客上下車，特別是對(duì)兒童及老年人上下車起了至關(guān)重要的作用，同時(shí)安裝側(cè)踏也體現(xiàn)了汽車的高品質(zhì)、高檔次。

側(cè)踏主要承擔(dān)乘客腳部傳遞的載荷，因此對(duì)其力學(xué)性能也有較高要求。側(cè)踏承受的外部載荷大小、位置等因素對(duì)于其結(jié)構(gòu)安全有較大影響，因此在設(shè)計(jì)之初就需要對(duì)側(cè)踏強(qiáng)度進(jìn)行全方位的分析，以保證側(cè)踏的安全性能。

1　有限元分析流程

有限元分析步驟包括前處理、分析計(jì)算、后處理三部分[1]。

1.1前處理

用ANSA軟件建立有限元模型、定義材料模型、邊界條件、載荷工況及輸出設(shè)置等。

1.2分析計(jì)算

用ABAQUS求解軟件求解輸入文件中所定義的數(shù)值模型。

1.3后處理

用Hyper view軟件來讀入分析結(jié)果數(shù)據(jù)，查看應(yīng)力、位移大小是否超出材料屈服強(qiáng)度和位移目標(biāo)值[2]。

2　有限元模型建立

2.1網(wǎng)格劃分

利用ANSA前處理功能建立側(cè)踏總成的有限元模型，基本單元尺寸為10 mm，并且對(duì)單元質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查，檢查是否單元之間全部縫合，是否有重復(fù)節(jié)點(diǎn)、重復(fù)單元或缺少單元，通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查確保模型質(zhì)量和計(jì)算精度。側(cè)踏有限元模型如圖1所示。

2.2模型連接

2.2.1螺栓連接

支架與彎臂是通過螺栓進(jìn)行連接的，未降低建模的復(fù)雜

性，因此采用MPC剛性連接代替零部件的螺栓連接，連接方式如圖2所示。

2.2.2點(diǎn)焊連接

車身件主要是通過焊點(diǎn)將零部件連接起來，因此在建立焊點(diǎn)連接時(shí)直接將點(diǎn)焊數(shù)模導(dǎo)入ANSA軟件中，轉(zhuǎn)化成3D點(diǎn)，最后通過REALIZE命令將兩個(gè)零部件焊接起來，這樣的焊接位置跟實(shí)車中的位置一致，焊接形式如圖3所示。

2.3材料模型

材料本構(gòu)關(guān)系是有限元仿真計(jì)算中一個(gè)重要的計(jì)算參數(shù)，只有輸入準(zhǔn)確的材料參數(shù)才能得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。在靜態(tài)強(qiáng)度分析中只需輸入彈性模量、泊松比、密度，無須輸入應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2.4邊界條件

2.4.1約束的建立

此次分析是截取與側(cè)踏相連接的部分零部件，因此根據(jù)實(shí)車約束安裝位置及斷面處的6個(gè)自由度，約束模型如圖4所示。

2.4.2接觸的建立

在有限元分析中，接觸條件是一類特殊的不連續(xù)約束，它允許力從模型的一部分傳遞到另一部分。因?yàn)橹挥挟?dāng)兩個(gè)表面發(fā)生接觸時(shí)才會(huì)有約束產(chǎn)生，而當(dāng)兩個(gè)接觸的面分開時(shí)，就不存在約束作用了，所以這種約束是不連續(xù)的[3]。

在側(cè)踏支架和彎臂的安裝面處需要建立接觸，防止產(chǎn)生穿透，避免對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，接觸效果如圖5所示。

2.5載荷工況及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

此次分析主要模擬側(cè)踏前、后分別踩踏和同時(shí)踩踏3種情況，分別踩踏車門中間位置。

2.5.1載荷工況

工況一：前門中間位置，加載質(zhì)量135 kg；

工況二：后門中間位置，加載質(zhì)量135 kg；

工況三：前后門中間位置同時(shí)加載，加載質(zhì)量各為115 kg。

2.5.2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

各部件的應(yīng)力水平小于相應(yīng)材料屈服強(qiáng)度，不產(chǎn)生塑性變形，并且踏板下沉量不大于3 mm。

3　分析結(jié)果

3種工況下各零部件應(yīng)力值如表1所示。

表1　應(yīng)力結(jié)果　MPa

3種工況下踏板產(chǎn)生的位移如圖6—8所示。從應(yīng)力結(jié)果和位移云圖看出：各個(gè)零部件應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，但是在工況二下踏板產(chǎn)生的位移為3.4 mm，大于目標(biāo)值3 mm，因此側(cè)踏設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化。

4　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1原因分析

從工況二的分析結(jié)果來看，產(chǎn)生較大位移的根本原因是彎臂支架的剛度不足，因此需要對(duì)彎臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。彎臂變形結(jié)果如圖9所示。

4.2更改方案

將工況二踩踏位置下的彎臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改，更改方案如圖10所示。

5　優(yōu)化結(jié)果

3種工況下各零部件應(yīng)力值如表2所示。

表2應(yīng)力結(jié)果

MPa

3種工況下踏板產(chǎn)生的位移如圖11—13所示。從應(yīng)力結(jié)果和位移云圖看出：各個(gè)零部件應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度，并且3種工況下產(chǎn)生的位移最大為2.9 mm，小于目標(biāo)值3 mm，因此側(cè)踏結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

6　結(jié)論

綜合考慮側(cè)踏的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料等因素，通過有限元法對(duì)側(cè)踏進(jìn)行強(qiáng)度分析，用ANSA建立有限元模型，用ABAQUS進(jìn)行模型求解，用Hyper view查看位移及應(yīng)力云圖。通過查看分析結(jié)果，驗(yàn)證側(cè)踏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足之處。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行設(shè)計(jì)改善，通過強(qiáng)度分析對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，不但保證了側(cè)踏的力學(xué)性能，同時(shí)還縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。有限元分析對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)起到至關(guān)重要的作用。

【1】石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例講解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

【2】張勝蘭，鄭冬黎.基于Hyper Works的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

【3】莊茁，張帆.ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

Finite Element Analysis for Automotive Footplate Strength

MU Xuelei, LI Cuiping, HU Yuanhang, SONG Guangjing, TIAN Chenwei

(R & D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000,China)

The footplate is convenient for passengers up and down. It mainly bears the load transferred by passengers feet. Footplate needs enough strength to support the weight of passenger, to avoid the damage in extreme cases, so strength analysis of footplate plays an important role. The footplate analysis model was set up by ANSA software and reckoned by ABAQUS software. FEM analysis results offer reference for structure design.

Footplate； Strength；FEM analysis

2015-03-31

牟雪雷(1986—)，男，本科，助理工程師，研究方向?yàn)槠嘋AE仿真。E-mail：cynwszhjs@gwm.cn。