基于成形的车门刚度精细仿真研究

刘瑞军 胡 平 张 杰

1.北华大学,吉林,132013

2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,大连,116024

3.郑州宇通客车股份有限公司,郑州,450016

0 引言

常规车门设计主要解决结构尺寸和附件安装等问题,基本不考虑刚度因素。事实上,车门刚度对车辆的安全性和舒适性有很大的影响[1-5]。随着计算机技术的发展,现在已能够利用计算机技术对所设计车门的刚度进行仿真,将仿真结果作为优选设计方案的影响因素之一,就可以获得满足刚度要求且结构合理、整体轻量、成本低、性能高的设计方案[6-8],因此,仿真结果的精度在很大程度上影响车门设计方案的优劣。采用结构分析软件ABAQUS能够实现车门的常规刚度仿真,但仿真结果与试验结果总是存在不同程度的差异,如何利用现有的CAE软件提高车门刚度的仿真精度成了亟待解决的问题。常规CAE仿真采用的是等厚度、零应力和零应变的板材零件装配成的车门模型,实际上车门模型的内外板经过冲压成形后,上述状态值均已发生了变化,因此,车门仿真模型不能反映车门真实状态是导致仿真结果不精确的主要原因[9-13]。为提高车门仿真精度,本文提出将车门内外板的成形结果(厚度、应力和应变)作为“初始场”引入车刚度仿真模型的精细仿真方法。仿真结果表明,精细仿真能够真实地反映车门刚度值。

1 车门刚度

车门刚度是指车门在一定载荷作用下抵抗变形的能力,以载荷与载荷引起变形量的比值来表示,单位N/mm。车门刚度包括侧向刚度、垂直刚度、腰线刚度和表面刚度等。

1.1 车门刚度对车辆性能的影响

表面刚度不足的车门在碰撞时产生的大变形会影响驾驶员和乘客的生存空间,扭转刚度不足引起的车门变形会影响门锁、升降器等附件的使用性能,严重时可导致门锁和升降器不能正常工作,这些均会影响到乘员的安全性。

整体刚度不足的车门的变形会影响车门的密封性能,无论是漏风、漏水,还是因整体变形引起的噪声、振动等都会影响到车辆的舒适性。

2 数据转换

2.1 数据转换规则

不同的CAD/CAE/CAM软件采用不同的文件格式表示其模型,例如 *.IGES、*.DXF、*.SAT、*.STL等。为了实现不同 CAD/CAE/CAM 间的数据共享,不同的文件格式需要进行数据转换。目前,CAD与CAE软件间的数据都是基于零件的几何模型进行转换的,而基于几何模型的数据转换存在诸多不足:①文件结构复杂、语法众多,数据的读、写、存储和转换困难;②模型的参数化造型特征经过转换后将完全丧失,特征树结构将不存在;③实体模型转换后,有时只存在线框或面模型,需要重新构造面和实体;④复杂模型转换后往往会产生数据丢失或冗余,面与面之间还可能产生缝隙;⑤转换后的模型不能进行参数化修改。鉴于CAE软件均采用单元号、节点号和节点坐标表示有限元网格模型,本文提出了基于CAE网格模型的数据转换方法。网格模型是指划分有限元网格后的几何模型,网格模型特征通过节点信息(节点编号、三维坐标值和转动分量)进行描述,根据静力等效原则或虚功原理将网格模型中单元的位移、约束和载荷移置到节点上,所以,网格模型转换规则的实质是节点的转换,节点的转换可以实现网格模型的“零”失真转换。

2.2 车门模型转换

为了达到将板料成形结果加载到结构分析软件的目的,需要将自主开发的板料成形CAE软件KMAS/one—step产生的成形结果文件(*.nas),通过编写的模型转换接口转换为结构分析软件ABAQUS能够识别的文件(*.inp),转换流程如图1所示。

以长安汽车集团开发的某新车型右前门内板CAD模型为例,根据网格模型转换规则将KMAS/one—step生成的网格数据导入ABAQUS并显示,显示结果如图 2所示。KMAS/one—step网格数据文件和转换后的ABAQUS网格数据文件中的单元数量、单元形态和相应节点坐标均相同,说明按照网格模型转换规则实现网格零件单元、节点数据转换的方法可行、正确。

3 车门刚度精细仿真

为了提高车门刚度仿真精度和计算效率,车门内外板的光顺区域采用四边形单元化分网格,边、角等复杂区域采用三角形单元化分网格。另外,在划分网格时,需对车门边框、车窗部位和密封圈接触面等狭长结构进行局部网格加密处理。采用公用节点相连的方式完成车门内外板的装配,使车门成为由连续单元构成的整体,便于进行结构分析。

结合车门结构特点及技术要求,根据车门刚度性能校核标准,确定车门刚度精细仿真分析的约束和加载。设UX、UY、UZ分别为车门在X 、Y 、Z轴方向的位移量,URX、URY、URZ分别为车门绕X、Y、Z轴的转动量。车门刚度精细仿真流程如图3所示。

4 车门刚度精细仿真实例

以长安汽车开发的整体式车门为例,采用精细仿真方法对车门侧向刚度进行分析。车门侧向刚度试验约束和加载形式见表1。

表1 车门侧向刚度试验约束和加载形式

车门板采用四边形和三角形壳单元,铰链采用八节点六面体和六节点楔形体单元,车门划分网格后共有29 845个单元、30 783个节点。车门内外板材料为ST14,材料性能参数见表2。

表2 车门内外板材料性能参数表

采用ABAQUS软件对车门分别进行常规刚度仿真和精细刚度仿真,车门侧向刚度的常规仿真和精细仿真结果如图4、图5所示。常规仿真、精细仿真与试验的最大应力、最大位移和侧向刚度见表3。分析表3数据可知,常规仿真的误差为14.28%,精细仿真的误差为3.45%,因此,精细仿真能够较真实地反映车门的刚度。

表3 车门的最大应力、最大位移和侧向刚度

图4与图5的显示结果表明精细仿真的最大应力值大于常规仿真的最大应力值,说明精细仿真可以直观地反映出应力集中部位。精细仿真的最大位移小于常规仿真的最大位移,说明板材的冲压成形结果具有抵抗车门整体变形的能力。

为了观察关键区域(应力集中区)单元的位移变化情况,按照总载荷10%的幅值递增加载,以更加精确地观察成形结果对局部变形的影响程度,关键单元(单元号为25 053)的位置如图6所示。

外部载荷以20N为基本单位递增,最终载荷为200N,记录关键单元的位移情况。单元位移随外部载荷递增时的变化情况如图7所示。

由图7可知,随着载荷的增大,关键单元在精细仿真中的位移明显大于常规仿真的位移。结果表明车门板冲压成形后的应变时效硬化特性有利于提高车门整体的侧向刚度,但板材变薄也会导致出现局部大变形现象,因此,应根据精细仿真结果对车门大应变区进行相应的强化设计。

5 结束语

本文提出了在CAE分析前处理过程中将板材成形结果作为“初始场”替代常规“零场”的精细仿真方法,该方法克服了常规车门刚度仿真模型不能反映实际状态的弊端。采用网格转换规则实现车门内外板成形结果加载的精细仿真方法,明显提高了车门刚度的仿真精度。

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