白車(chē)身疲勞仿真開(kāi)發(fā)中的CAE關(guān)鍵技術(shù)研究

閆鵬飛

(一汽豐田技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司 天津300462)

0 引 言

家用轎車(chē)是目前人們出行必不可少的交通工具，一款新車(chē)型從開(kāi)始研發(fā)到上市，一般需要 3～5年。不同的企業(yè)其研發(fā)周期與過(guò)程，往往存在一些相似之處?；径际墙?jīng)過(guò)：前期構(gòu)想、AS檢討、SE檢討、CV確認(rèn)、號(hào)試監(jiān)察、下線出廠階段[1]。CAE仿真技術(shù)的應(yīng)用，能夠使車(chē)輛在研發(fā)初期先行檢討構(gòu)想的可行性，從而可在車(chē)輛試制、下線出廠前就進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)策改善，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量與研發(fā)周期。

汽車(chē)是由許多零部件以及總成結(jié)構(gòu)組成的，為了確保其質(zhì)量的可靠性，各個(gè)總成應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和耐久可靠性，同時(shí)，伴隨著總成部品向共有化方向發(fā)展，了解其可靠性能，在進(jìn)行車(chē)輛開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，顯得尤為重要[2]。

本文以一汽豐田某插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的白車(chē)身研發(fā)過(guò)程中 CAE仿真分析為例，探討白車(chē)身研發(fā)過(guò)程中影響其疲勞性能的 CAE關(guān)鍵技術(shù)因素，從而提高 CAE仿真分析精度，為車(chē)輛研發(fā)提供新的思路與改善途徑。

1 白車(chē)身有限元模型制作

1.1 有限單元法

線性范圍(微小變形的彈性問(wèn)題)內(nèi)的有限元法理論概述中，有限單元法是將結(jié)構(gòu)體分割為有限個(gè)小區(qū)域稱(chēng)之為單元，分布在各個(gè)單元邊界的點(diǎn)稱(chēng)之為節(jié)點(diǎn)，用節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值來(lái)定義單元，通過(guò)定義各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值與自由度，相鄰的單元就通過(guò)這些節(jié)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)了[3]，如圖1所示。

在殼單元模型上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在 CAE前處理軟件中將會(huì)顯示出節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的單元體，如圖 2所示。將以上單元體中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記，通過(guò)計(jì)算受力狀態(tài)下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的變化，來(lái)進(jìn)行模型的應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)的解析，即有限元法CAE解析[4]，如圖3所示。

圖1 幾何結(jié)構(gòu)體示意圖Fig.1 Geometric structure

圖2 劃分網(wǎng)格后離散體示意圖Fig.2 Discrete volume

圖3 殼單元網(wǎng)格模型圖Fig.3 Shell element

1.2 白車(chē)身焊點(diǎn)有限元模型

1.2.1 疲勞強(qiáng)度焊點(diǎn)

本模型前處理在 ANSA軟件中進(jìn)行，網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。焊點(diǎn)一般采用固定單元作為連接，焊點(diǎn)直徑與焊核大小保持一致，在模型制作時(shí)，以前采用 8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行模擬，現(xiàn)在為了提高精度，通常做成8個(gè)點(diǎn)或更多的 RBE2單元進(jìn)行連接，焊點(diǎn)周邊有8個(gè)四邊形網(wǎng)格單元作為評(píng)價(jià)單元，如圖4所示。

圖4 焊點(diǎn)模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of welding spot

對(duì)于評(píng)價(jià)單元的坐標(biāo)系方向，按照半徑方向?yàn)閄方向來(lái)定義，評(píng)價(jià)單元和評(píng)價(jià)單元周邊單元之間的角度在 5°以上的話就需要修正。注意在焊點(diǎn)連接仿真時(shí)，以上焊點(diǎn)模型做成后，其周邊不可以出現(xiàn)三角形網(wǎng)格單元，一般不用如下焊點(diǎn)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)，如圖5所示。

1.2.2 惡路耐久強(qiáng)度焊點(diǎn)

當(dāng)進(jìn)行惡路耐久分析仿真時(shí)，由于道路譜的復(fù)雜性與疲勞損傷具有累積性，采用 FEMFAT可識(shí)別焊點(diǎn)模型進(jìn)行仿真分析評(píng)價(jià)，需要對(duì)焊核及周邊的材料進(jìn)行二次定義。焊核材料的楊氏模量是其周邊材料的40倍，以周邊一圈1.5mm的四邊形網(wǎng)格單元作為評(píng)價(jià)單元，如圖6所示。

第四，幫助宗教界進(jìn)行自辦自傳宗教。吳耀宗先生在1956年的一個(gè)講話中指出：“教會(huì)最基本的使命是傳揚(yáng)福音，引人歸主，這就是中國(guó)教會(huì)自傳的工作?！笨梢哉f(shuō)，幫助宗教界實(shí)現(xiàn)自治、自養(yǎng)，最終目的都是為了實(shí)現(xiàn)教會(huì)的自傳。1953年，中共河南省委宗教處召開(kāi)了基督教教會(huì)上層分子及教徒代表座談會(huì)，表明人民政府尊重宗教信仰的態(tài)度。1955年，中共河南省委在年度的宗教工作計(jì)劃中再次指出：對(duì)正當(dāng)?shù)淖诮袒顒?dòng)如教堂內(nèi)公開(kāi)傳教、做禮拜、過(guò)節(jié)日、舉行宗教儀式，采取依法保護(hù)的辦法。同時(shí)，協(xié)助教會(huì)作一些重要的宗教活動(dòng)。

對(duì)于 FEMFAT焊點(diǎn)，采用此種模擬方法的焊點(diǎn)進(jìn)行惡路耐久仿真分析時(shí)，根據(jù)白車(chē)身仿真結(jié)果和該車(chē)型上市前的惡路耐久試驗(yàn)，以及上市后的市場(chǎng)反饋，可知其仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較高，其模型也與真實(shí)的焊點(diǎn)模型高度一致。

圖5 一般強(qiáng)度焊點(diǎn)CAE模型圖Fig.5 CAE model diagram of general strength welding spot

圖6 惡路耐久強(qiáng)度焊點(diǎn)CAE模型圖Fig.6 CAE model diagram of durability strength welding spot

1.3 白車(chē)身螺栓模型

螺栓模型需要根據(jù)實(shí)際螺栓墊片的直徑大小進(jìn)行制作，螺栓 Washer外一圈是評(píng)價(jià)單元，評(píng)價(jià)單元外圈不能出現(xiàn)三角形網(wǎng)格。現(xiàn)介紹一種直接做出評(píng)價(jià)單元外圈無(wú)三角形網(wǎng)格的方法：在做 Washer時(shí)，可以多做一圈，最外圈的 Washer和單元整體的網(wǎng)格尺寸保持一致即可，如圖7所示。

螺栓有內(nèi)外兩圈，內(nèi)圈為墊圈模擬單元，外圈為評(píng)價(jià)單元。中心點(diǎn)與第一圈為 6個(gè)方向固定約束(RBE2)，與第二圈為 3個(gè)方向固定約束(RBE2)。對(duì)于3層鈑金的螺栓連接，孔的大小即鈑金上實(shí)際孔的大小。最內(nèi)和最外層的墊片模擬單元直徑分別為墊片和螺母的直徑，中間層的墊片模擬單元直徑根據(jù)比例關(guān)系算出即可。

采用該方法模擬的螺栓，根據(jù)白車(chē)身仿真結(jié)果和該車(chē)型上市前的惡路耐久試驗(yàn)以及上市后的市場(chǎng)反饋，其仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較高，也與真實(shí)的螺栓保持高度一致性。

圖7 螺栓連接模型圖Fig.7 Bolt connection model diagram

2 白車(chē)身CAE分析

基于白車(chē)身的 CAE仿真分析中，常見(jiàn)的分析有疲勞強(qiáng)度分析(靜強(qiáng)度分析評(píng)價(jià)為最基本的研究，在此不作贅述)、惡路耐久強(qiáng)度分析、振動(dòng)耐久強(qiáng)度分析，都是為了提前評(píng)價(jià)白車(chē)身的設(shè)計(jì)參數(shù)能否滿(mǎn)足性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)的要求。而白車(chē)身結(jié)構(gòu)中最容易出現(xiàn)危險(xiǎn)設(shè)計(jì)的地方莫過(guò)于連接處，如焊點(diǎn)、螺栓的布局是否合理，能否正確合理引導(dǎo)力的傳遞；其次就是部品倒角、結(jié)構(gòu)截面系數(shù)設(shè)計(jì)是否合理、能否滿(mǎn)足其功能要求。

2.1 白車(chē)身疲勞強(qiáng)度分析仿真

根據(jù)該車(chē)型的基于原形車(chē)的變更點(diǎn)，主要是增加了后部電池包，對(duì)電池包的搭載設(shè)計(jì)了與地板連接的支架。為了確定該插電式混合動(dòng)力轎車(chē)上市后的可靠性問(wèn)題，進(jìn)行了仿真分析，入力條件為在北京通縣試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的路譜采集數(shù)據(jù)，基于電池包的整車(chē)疲勞強(qiáng)度分析，得到如圖8結(jié)果。

因?yàn)槭┘恿Φ牟课恢饕陔姵匕浇?，所以其后部?chē)身受力情況較為明顯，正視圖如圖9所示。

通過(guò)對(duì)后部電池包受力圖進(jìn)行放大可以清楚地看到，主要是設(shè)計(jì)的支架分擔(dān)了電池包的入力，見(jiàn)圖10中框出位置，符合真實(shí)情況，并且雖然應(yīng)力較大，但可滿(mǎn)足性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)要求，后續(xù)在耐久試驗(yàn)中，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)支架開(kāi)裂或者車(chē)身其他地方開(kāi)裂的情況出現(xiàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖8 白車(chē)身疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果軸視圖Fig.8 Axle view of fatigue strength analysis results for body-in-white

圖9 白車(chē)身疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果俯視圖Fig.9 Top view of fatigue strength analysis results for body-in-white

圖10 電池包支架區(qū)域應(yīng)力分布圖Fig.10 Stress distribution diagram of battery package support area

2.2 白車(chē)身惡路耐久強(qiáng)度分析仿真

將試驗(yàn)場(chǎng)中采集得到的路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，形成載荷文件，并在FEMFAT中進(jìn)行惡路再現(xiàn)的過(guò)程就是白車(chē)身的惡路耐久分析，把我們搭建的模型導(dǎo)入FEMFAT軟件，如圖11所示。

圖11 白車(chē)身惡路耐久分析模型圖Fig.11 Analysis model diagram of bad road durability of body-in-white

設(shè)置載荷文件，該白車(chē)身模型一共 20個(gè)入力點(diǎn)，每個(gè)入力點(diǎn)有6個(gè)通道，因此共有120個(gè)應(yīng)力循環(huán)結(jié)果進(jìn)行損傷累計(jì)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，其惡路耐久分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 白車(chē)身惡路耐久仿真結(jié)果圖Fig.12 Simulation results of bad road durability of bodyin-white

根據(jù)惡路耐久分析結(jié)果，結(jié)合該車(chē)型后續(xù)的耐久試驗(yàn)，以及上市后的表現(xiàn)，均未發(fā)現(xiàn)可靠性方面的性能出現(xiàn)問(wèn)題，與開(kāi)發(fā)目標(biāo)保持高度一致，再次驗(yàn)證了制作的CAE模型的可靠性。

3 結(jié)論及展望

通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)、螺栓模型的做成方法說(shuō)明，可以在白車(chē)身疲勞強(qiáng)度、惡路耐久仿真分析時(shí)快速植入，提高建模仿真分析的效率與精度。

通過(guò)對(duì)白車(chē)身模型的強(qiáng)度耐久仿真分析方法說(shuō)明，結(jié)合該白車(chē)身模型的后期耐久試驗(yàn)對(duì)比以及目前市場(chǎng)上的反饋，表明該分析方法可靠，為以后新車(chē)型開(kāi)發(fā)提供了高精度的仿真分析評(píng)價(jià)方法。

下一步可以將客車(chē)等載重較大的車(chē)身模型作為研究課題，進(jìn)一步驗(yàn)證分析評(píng)價(jià)方法的可靠性。