氣彈簧力導(dǎo)致后舉門變形的有限元模擬方法

羅帥，彭楊，張磊，周翰

(上汽通用汽車有限公司尺寸工程科，上海 201206)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，用戶對汽車的質(zhì)量要求和外形的多樣性要求越來越高，后舉門成為大眾接受并認可的設(shè)計之一[1]。和常規(guī)的后蓋相比，后舉門采用氣彈簧輔助支撐其開閉，使用方便、開合空間大，給用戶帶來極大的便利。氣彈簧力的大小與安裝位置與后舉門的質(zhì)量有關(guān)，在安裝位置相同的情況下，后舉門質(zhì)量越大，氣彈簧力也越大[2]，過大的氣彈簧力將不可避免地影響后舉門的匹配狀態(tài)。因此有學(xué)者針對后舉門輕量化進行了研究[3]。傳統(tǒng)的解決方案中，當后舉門在尺寸匹配中被發(fā)現(xiàn)變形過大后[4]，反向推動設(shè)計者通過反變形工藝進行設(shè)計更改，而這一更改往往會造成一系列的費用增加和效率損失。

作者引入有限元模擬技術(shù)，在進行實車匹配工作之前對后舉門的氣彈簧變形進行虛擬匹配，確定因氣彈簧力作用而導(dǎo)致的變形，并借助三維掃描數(shù)據(jù)驗證其有效性，為后舉門與車身的匹配提供依據(jù)，減少不確定性，提升匹配質(zhì)量。同時，在產(chǎn)品設(shè)計前期引入有限元模擬，可以有效預(yù)知不合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)，從而推動后舉門結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低產(chǎn)品設(shè)計風險，縮短產(chǎn)品周期，降低后期設(shè)計更改成本，提高產(chǎn)品穩(wěn)健性。

1 實驗方案

實驗方案流程如圖1所示。

為了優(yōu)化網(wǎng)格模型，盡量減少在網(wǎng)格處理中造成的誤差，通過已有項目對模型進行優(yōu)化，積累模型處理的經(jīng)驗和方法，然后再應(yīng)用到新項目中。

有效元分析是通過將連續(xù)的數(shù)據(jù)模型離散化，將無限自由度的材料簡化為有限自由度的網(wǎng)格模型。影響模擬結(jié)果準確性的因素很多，主要有數(shù)模到網(wǎng)格的劃分、約束的設(shè)置、載荷的處理3個方面。

1.1 網(wǎng)格劃分

與傳統(tǒng)的沖壓單件的受力變形分析[5]不同，沖壓單件一般為單薄板件，設(shè)置好模具型面、板料材料、厚度和本構(gòu)模型以及沖壓工藝參數(shù)，即可獲得結(jié)果；再根據(jù)實際生產(chǎn)調(diào)整工藝參數(shù)，就可以獲得具有參考價值的結(jié)果。文中涉及的模型不僅包含后舉門內(nèi)外板等沖壓單件，還包含總裝零件、焊點、鉸鏈連接和后蓋鎖、結(jié)構(gòu)膠密封膠等性質(zhì)迥異的參數(shù)，因此模型的復(fù)雜度和沖壓單件相比大幅上升。作者采用HyperMesh[6]進行前處理，采用不同的單元進行后舉門網(wǎng)格模型的建立。對內(nèi)外板的模型，因為都是薄板零件，其兩個方向的尺寸遠遠大于第三個方向的尺寸，如果設(shè)置成體單元，必須滿足最小厚度方向上至少布置兩個單元，劃分的網(wǎng)格太小，將導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量大幅增加，計算時間太長；劃分的網(wǎng)格太大，將導(dǎo)致網(wǎng)格嚴重畸變，影響計算結(jié)果的精度，因此采用殼單元進行計算。根據(jù)不同的料厚賦予殼單元厚度，既可以減少網(wǎng)格數(shù)量又可以提高精度。對于焊點單元，采用HyperMesh中專用于描述焊點單元的CWELD單元，結(jié)構(gòu)采用rbe3單元和賦予膠材料屬性的實體單元表示，螺栓連接采用rbe2單元。對于裝飾燈等外飾件，因為結(jié)構(gòu)復(fù)雜且在入廠之前已經(jīng)通過測試，在后舉門安裝前后并不會造成后舉門的變形，所以簡化為質(zhì)量點。處理后的模型如圖2所示。

圖2 后舉門網(wǎng)格模型

1.2 約束設(shè)置

對約束位置和約束位置自由度的控制會影響整個結(jié)構(gòu)的剛度，會對結(jié)果產(chǎn)生影響，所以仔細分析研究的系統(tǒng)，并盡可能貼近實際工況來進行約束的設(shè)置，對取得更加準確的模擬結(jié)果尤其重要。模擬后舉門在安裝氣彈簧后的變形，通過虛擬匹配研究后舉門氣彈簧變形對后舉門與車身匹配的影響，需要在模型中再現(xiàn)后舉門的約束狀態(tài)。后舉門的約束主要有上部的兩個后舉門鉸鏈和下部的后蓋鎖。

后舉門鉸鏈具有可以繞著鉸鏈軸轉(zhuǎn)動的自由度，在整車坐標系下即可以繞著Y軸自由轉(zhuǎn)動，因添加鉸鏈約束是將沿著整車坐標系的X、Y、Z軸的平動以及繞著X、Z軸的轉(zhuǎn)動全部約束住。后蓋鎖的結(jié)構(gòu)比較特殊，其鎖扣的方向并不與整車坐標系重合，所以需要新建局部坐標系，如圖2所示，鎖扣可以沿著X方向自由滑動，3個方向的轉(zhuǎn)動是自由的，故只約束在局部坐標系下的Y、Z方向的自由度。

1.3 載荷處理

后舉門在氣彈簧等總裝件安裝之后受到的載荷很多，有一直存在的重力、安裝總裝件后的氣彈簧力、與緩沖塊接觸時如果對緩沖塊產(chǎn)生壓縮將還會受到其反作用力、密封條受到壓縮時的反作用力，文中通過實驗單獨研究各種作用力的影響，結(jié)果如表1所示?？梢娋彌_塊和密封條的作用力與氣彈簧力相比，對后舉門變形的影響很??；同時密封條和緩沖塊的作用力均和變形相關(guān)，存在著邊界條件的非線性，模型處理不當導(dǎo)致的誤差甚至會超過有限元計算網(wǎng)格近似的誤差，故在載荷處理時，忽略緩沖塊和密封條的作用力。因為有限元仿真的誤差在10%范圍內(nèi)均屬于正常，通過表1不同受力類型產(chǎn)生的變形量對比，作者對受力狀態(tài)進行了簡化，忽略密封條力和緩沖塊力。

表1 不同作用力產(chǎn)生的變形量對比

氣彈簧力的施加對變形產(chǎn)生極大的影響，實驗中發(fā)現(xiàn)力的方向的微小偏移將會導(dǎo)致結(jié)果的巨大差異，因此為了精確表示氣彈簧力，通過在網(wǎng)格文件中建立與數(shù)模完全相同的整車坐標系，再在數(shù)模中找到氣彈簧鉸鏈球在車身坐標系的球心坐標，通過兩個球心坐標在HyperMesh中構(gòu)建氣彈簧力向量，再輸入氣彈簧力大小，從而實現(xiàn)氣彈簧力載荷模型的建立。

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證模擬結(jié)果的準確性，在實際裝配中采用激光掃描獲得實測數(shù)據(jù)，通過兩者對比驗證模擬分析的有效性。

掃描得到的位移云圖如圖3(a)所示，模擬得到的云圖如圖3(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果可以很好地顯示氣彈簧力作用下后舉門的變形趨勢：頂部因為距離鉸鏈較近，所以變形較小，越接近氣彈簧力的作用位置，變形越大。整個后舉門在重力和氣彈簧力作用下發(fā)生下沉，模擬結(jié)果與實際掃描結(jié)果吻合。為了量化模擬結(jié)果與掃描結(jié)果的吻合程度，選取了幾個點作為參考(見圖4)，其具體變形量如圖5所示。

圖3 三維掃描位移云圖

圖4 測量點位置

圖5 掃描測量結(jié)果與模擬結(jié)果對比

在汽車外飾匹配中，一般客戶可以感知的差異為1～2 mm,部分客戶可以感知到0.5 mm的差異。在模擬與實測結(jié)果的對比中，兩者的差距均小于0.5 mm，且模擬結(jié)果云圖與實測結(jié)果云圖的變形趨勢一致，模擬結(jié)果可接受。

3 結(jié)論

(1)將HyperWorks后舉門氣彈簧變形模擬仿真應(yīng)用在項目前期，可以有效發(fā)現(xiàn)潛在的變形風險，在項目早期就進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有助于提高設(shè)計穩(wěn)健性，縮短項目周期，降低成本。

(2)通過HyperWorks可以很好地模擬氣彈簧力導(dǎo)致的后舉門變形。在項目中后期，可以為尺寸匹配提供依據(jù)，量化氣彈簧力導(dǎo)致的后舉門變形量，同時為后期鈑金件的反變形量提供依據(jù)。

參考文獻:

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