四连杆无骨雨刮力学性能仿真

刘莹，翟斌，于成龙，赵前程

(华晨汽车工程研究院CAE工程室，辽宁沈阳 110141)



四连杆无骨雨刮力学性能仿真

刘莹，翟斌，于成龙，赵前程

(华晨汽车工程研究院CAE工程室，辽宁沈阳 110141)

针对正向开发中的雨刮系统，应用有限元方法，校核四连杆无骨雨刮工作一个循环的机构运动，得到风挡的接触压力分布及轨迹，为刮片的疲劳计算提供基础。

有限元；四连杆无骨雨刮；力学性能；机构运动

0　引言

生活中人们发现下雨天有些时候，雨刷在玻璃上留下擦拭不均的痕迹。刮刷效果设计中要求初期到50万次不允许出现任何刮刷痕迹，100万次可以出现局部模糊刮痕(即接触压力为0)，但往往这个指标很难实现。排除雨刷硬化的原因，设计初始的压力分配效果对胶条功能和寿命有着重要的影响[1]。作者对电动无骨雨刮进行仿真分析，旨在模拟设计初始状态刮刷效果及压力分布，为设计提供参考。

1　分析思路

由于雨刮结构本身的力学原理是基于预应力的基础之上，所以如何恰当地将实际结构转化成力学模型是分析成功的关键，也是分析精度的保证。作者首先模拟雨刮由自由状态到安装状态下簧片的变形导致的应力，再将应力以场的形式引入装配体。同时通过弹簧的力学分析得到弹簧的刚度并考虑初始伸长量，将曲线偏移实现雨刮预压。

2　力学模型的细节处理

2.1力学模型建立

2.1.1网格的划分、单元的选取及接触的设定

众所周知：刮片的本体由于其长宽比的原因，通常采用平面应变单元进行二维分析。但由于其断面的力随时间和位置变化，三维分析更能精准地捕捉历程信息。对于单元的划分，作者采用SWEEP的形式将二维单元延伸得到三维实体，如图1所示。这样除了减少计算花费外，对于模型的收敛性也提供一定的保障。

图1　刮片网格示意图

胶条本体与簧片作者用节点耦合处理，同时将胶条的单元选取为杂交单元。接触行为一共有3个，均以*CONTACT PAIR来实现，如图2所示。其中胶条两侧的接触在模型设置中设定，不同分析步中激活和关闭。

图2　接触位置

2.1.2胶条特性处理

由于橡胶本身的特性，在模拟仿真中作者采用超弹+黏弹本构，利用关键字来实现[2]。

*HYPERELASTIC, NEO HOOKE, TEST DATA INPUT, MODULI=LONG TERM

*VISCOELASTIC, TIME=RELAXATION TEST DATA, NMAX

而由于引用橡胶的本构关系，ABAQUS软件会自动选取单元的控制语句，引入适当的沙漏控制。

2.2初始变形及初始应力

2.2.1获取弹簧特性，模拟预张紧力

通常弹簧的刚度由供应商提供给OEM，也可以通过有限元对已有的CAD模型进行刚度的模拟，以此来匹配合适的刚度。如图3所示，作者对弹簧施加轴向力得到轴向变形，进而得到刚度。弹簧刚度近似为线性行为，但为精确模拟预拉，作者偏移曲线，引入非线性材料实现这一效果，如图4所示。

图3　弹簧变形分析

图4　弹簧力学性能

通过关键字*CONNECTOR ELASTICITY, COMPONENT=1, NONLINEAR 赋予弹簧单元CONNECTOR AXIAL非线性属性，实现弹簧预压的力学模型。值得一提的是：两个刮臂由于其几何特性，弹簧的性能和预伸长不同。

2.2.2簧片预压，引入预应力场

抵抗簧片曲度回复的力，是影响刮擦效果的重要因素。通常用两种方式实现簧片的预压：一种是直接设定分析步，结果在后续的分析中继承，如图5所示。这样做的好处是分析具备连贯性，缺点是增加分析难度。另一种方法是将本体的结果通过IMPORT的方式将应力场引入，这样做的好处是可以迅速找到合适的载荷来对应后续分析的初始形态，如图6所示。

图5　刮片本体变形图

图6　初始应力场

2.3四连杆及刮臂连接的处理

电机的输出轴与四连杆之间的摇臂，作者采用ABAQUS强大的CONNECTOE单元HINGE+BEAM来实现，而摇臂与拉杆之间用JOIN+ROTATION单元模拟，如图7所示。由于雨刮系统是三维四连杆结构，这允许拉杆两端有相对的Z向运动，而由于电机输出端已经采用JOIN+ROTATION单元，所以另一端为防止轴向旋转采用UJOINT 单元来模拟(见图8)，这样可以达到模拟实际的效果。

图7　曲柄球铰连接副单元

图8　拉杆万向节连接副单元

刮臂的结构除弹簧以外，均为铰链HINGE单元，包括刮片、簧片、雨刮臂之间，如图9所示。其中弹簧单元的属性，引用第2.2节中得到的弹簧特性。

图9　刮臂连接副单元

2.4极限位置胶条的反转

当雨刮系统工作半个循环，胶条单元面临突然反转的可能，如图 10所示。这个时候可以采用隐式动力学处理严重接触不连续的现象，使分析收敛性大大提高。同时前半个循环，胶条一侧有接触，而另一侧只有后半循环才会接触，这样在前半分析步，可以利用关键字激活和关闭必要的接触。

*MODEL CHANGE, ADD, TYPE=CONTACT PAIR

S3601;NSET4, S3602;FACET4

*MODEL CHANGE, REMOVE, TYPE=CONTACT PAIR

S3603;NSET5, S3604;FACET5

图10　胶条反转示意图

3　后处理及脚本的应用

考察雨刮设计是否合理的一个重要评判是接触压力是否足够。可以在软件的后处理看到某时刻的接触压力，但如何将这些历程累加成为云图是作者需要考虑的问题。基于此作者对ABAQUS进行二次开发，利用脚本Sweep Pressure.py[3]实现压

力轨迹，如图11为不同限值的压力云图显示，满足设计要求。

图11　接触压力累积变形图

原理是在后处理中提取每个点的压力，累积后通过场的形式施加给玻璃。如图11所示，无骨雨刮的刮擦效果合格，但其沿刮片方向压力梯度较大，这容易造成雨刮中部压力较大易疲劳。建议工程调整簧片预弯，使压力更为均匀。

通过图12可知，利用ABAQUS OVERLAP功能显示雨刮系统工作一个循环下的玻璃压力分布稳定无突变，从而判定系统分析的稳定性。

图12　一个工作循环玻璃应力分布

4　结论及展望

(1)实现整个雨刮系统的仿真模拟，成功得到接触压力轨迹和玻璃压力分布，为前期设计提供指导。

(2)局限于常温分析，并没有考虑不同温度下的力学性能。温度场的模拟仅仅对材料提出更全面的要求即可，不存在技术问题。

(3)下一步工作应以此为基础结合优化软件进行优化设计，同时开展疲劳仿真工作。

【1】邵刚.汽车雨刷片设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2012,11(5):43-47.

SHAO G.The Design of Vehicle Wiper Blade[J].Journal of Anhui Vocational College of Electronics & Information Technology,2012,11(5):43-47.

【2】ABAQUS帮助文档[M].

【3】曹金凤.Python语言在ABAQUS中的应用[M].北京：机械工业出版社,2011.

Simulation on Mechanical Property of Four-bar Linkage Boneless Wipers

LIU Ying, ZHAI Bin, YU Chenglong, ZHAO Qiancheng

(CAE Section, Brilliance Automobile Engineering Research Institute,Shenyang Liaoning 110141,China)

Aiming at the wipers system in forward development process, finite element method was used to check a circular motion of the four-bar linkage boneless wipers. The pressure distribution and trajectory of the windshield were gotten. It provides basis for the calculation of the blade fatigue.

FEA; Four-bar linkage boneless wipers; Mechanical properties; Mechanism motion

2016-05-18

刘莹(1982—)，男，硕士，工程师，研究方向为结构耐久。E-mail:ying.l@brilliance-auto.com。

U463.85+5

A

1674-1986(2016)08-015-04