汽車車身件強(qiáng)度失效問(wèn)題的解決方案【轉(zhuǎn)發(fā)】

2018-04-14  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

車身部件強(qiáng)度分析是CAE技術(shù)在汽車工程中應(yīng)用最廣泛的一塊,但是一旦發(fā)生強(qiáng)度失效問(wèn)題,如何解決就成了一個(gè)十分棘手的事情。本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架為例,在理論分析的基礎(chǔ)上,主要基于Altair HyperWorks軟件,給出了一系列的解決方案。最終,將其最大應(yīng)力控制在合理的范圍內(nèi)。

汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保證汽車安全性、可靠性的重要指標(biāo),因此汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析也是CAE技術(shù)在汽車工程中應(yīng)用最廣泛的方面。通過(guò)靜力分析可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移分布情況,通過(guò)這些分布情況可以判斷結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下是否安全、可靠,結(jié)構(gòu)的哪些部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,哪些部位強(qiáng)度不夠,以便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文將從CAE仿真應(yīng)用角度結(jié)合理論分析和工程實(shí)踐,給出解決車身強(qiáng)度問(wèn)題的方法和思路。

1強(qiáng)度分析理論

車身構(gòu)件強(qiáng)度失效的主要形式是出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,即出現(xiàn)塑性變形。相應(yīng)的強(qiáng)度條件為:

那么,要評(píng)價(jià)車身某個(gè)部件是否失效,只要確定危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)σmax、該工況的安全系數(shù)n和材料的屈服極限σs即可。顯然,后兩項(xiàng)是可以通過(guò)手冊(cè)和經(jīng)驗(yàn)給出的,唯一需要確定的就是σmax。對(duì)于以鋼為主要材料的車身部件,采用材料力學(xué)中的形狀改變比能的強(qiáng)度理論能較全面且真實(shí)的評(píng)價(jià)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下部件是否失效[1]。該理論假設(shè)無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài),只要形狀改變必能uf達(dá)到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值,材料就發(fā)生屈服。其計(jì)算結(jié)果與幾種塑性材料,如鋼、銅、鋁等薄管試驗(yàn)資料相當(dāng)吻合。適用于車身件的強(qiáng)度分析,其數(shù)學(xué)表達(dá)為:

2車身強(qiáng)度失效分析實(shí)例

下面我們將以某款轎車發(fā)動(dòng)機(jī)右側(cè)懸置支架作為分析對(duì)象,在HyperMesh建立車身前部有限元分析模型(圖1)。該模型中包含節(jié)點(diǎn)211,068個(gè),單元220,366個(gè),其中焊點(diǎn)單元使用CWELD進(jìn)行模擬。

圖1 分析對(duì)象建模

計(jì)算工況的確定:主要考察該支架在汽車上跳、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)能否承受發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷,相關(guān)的量值已通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算得出(表1)。

表1 分析工況

將其反力作為輸入,添加到發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的三個(gè)支撐點(diǎn),使用Radioss/Linear求解后,我們選用上文提到的形狀改變比能法查看構(gòu)件的σmax,分別為237.1MPa(Bump Up工況,圖2)、71.2MPa(Braking工況)和36.8MPa(Cornering工況)。由于所分析工況均為疲勞工況,按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)定安全系數(shù)n=1.75,進(jìn)一步求出材料的許用應(yīng)力[σ]=120MPa。使用公式(1),對(duì)比后發(fā)現(xiàn)Bump Up工況下的應(yīng)力值嚴(yán)重超標(biāo)。下面我們將針對(duì)該工況進(jìn)行討論,探索強(qiáng)度失效問(wèn)題的一些解決方案。

圖2 HyperView查看Bump Up工況應(yīng)力云圖

3車身強(qiáng)度失效解決方案

要想徹底解決強(qiáng)度問(wèn)題,就應(yīng)該從強(qiáng)度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則入手,找尋突破口。公式(1)給出了一些思路,要么提高材料許用應(yīng)力,要么降低構(gòu)件的最大應(yīng)力,進(jìn)一步可以推廣出以下三種解決方案:

1) 提高材料的屈服極限σs,進(jìn)而提高許用應(yīng)力。

2) 降低安全系數(shù)n,同樣為了提高許用應(yīng)力。

3) 降低構(gòu)件的σmax。

方案1

顯然,這是最簡(jiǎn)單也是最有效的方法。使用高強(qiáng)度的鋼材,不僅能提高構(gòu)件強(qiáng)度,同時(shí)也是解決輕量化問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。為了適應(yīng)汽車輕量化的要求[2],迎接其他輕質(zhì)汽車材料的挑戰(zhàn),90年代起,世界各著名鋼廠聯(lián)合開(kāi)展了超輕鋼汽車車身項(xiàng)目(ULSAB),其樣車車身應(yīng)用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼板比例大于90%,其中又有50%采用激光拼焊鋼板,并配以液壓成型技術(shù),車身結(jié)構(gòu)比同類車型的平均水平減重25%,車身抗扭和抗彎剛度分別提高80%和52%。由此可見(jiàn),高強(qiáng)度材料的引入將起到事半功倍的效果。

具體到我們這個(gè)例子,如果支架采用DP500這種先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板(AHSS),其許用應(yīng)力[σ]為400MPa,強(qiáng)度失效會(huì)順利解決。但是,采用高強(qiáng)度鋼要受利潤(rùn)空間、工藝加工條件等其他因素制約,因此還需綜合考慮。

方案2

安全系數(shù)法所涉及的是汽車可靠性方面的研究。傳統(tǒng)的安全系數(shù)法借助經(jīng)典材料力學(xué)公式來(lái)計(jì)算機(jī)械零件的應(yīng)力值,進(jìn)而求出該材料的安全系數(shù)值。其特點(diǎn)是將載荷、應(yīng)力、尺寸等因素視為常量,安全系數(shù)的大小根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定。目前,這種方法仍較廣泛地應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。但是由于其未考慮截面上應(yīng)力分布的不均勻性、截面變化處的應(yīng)力集中、表面粗糙度的影響、加工的殘余應(yīng)力以及零件尺寸大小等因素,設(shè)計(jì)者只能選擇一個(gè)加大的安全系數(shù)來(lái)保證設(shè)計(jì)的可靠性。顯然,確定一個(gè)更加合理、有效的安全系數(shù)作為強(qiáng)度分析指標(biāo),將對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)和減重分析起到重要作用。

目前,有關(guān)的研究正在開(kāi)展,出現(xiàn)了諸如基于概率事件的可靠性分析法和綜合分析法。前者將應(yīng)力分布、強(qiáng)度分布、標(biāo)準(zhǔn)差等設(shè)計(jì)參數(shù)作為隨機(jī)變量予以考慮,從而比較真實(shí)地反映了工程實(shí)際,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)、更安全、更可靠;但由于此方法是基于大量統(tǒng)計(jì)樣本的基礎(chǔ)上,因此其真正推廣還有待時(shí)日。

綜合分析法是將制造工藝的影響——冷塑硬化、殘余應(yīng)力等——引入到結(jié)構(gòu)分析中去,提高結(jié)構(gòu)分析精度,于是就可以使用相對(duì)較低的安全系數(shù)值進(jìn)行評(píng)價(jià),該方法的瓶頸在于能否對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確仿真。鑒于上述方法還處于研究階段,本文中選取的安全系數(shù)還是基于傳統(tǒng)方法,考慮此支架所受疲勞載荷,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇了相對(duì)保守的數(shù)值。

方案3

這里的降低部件最大應(yīng)力σmax是一個(gè)很復(fù)雜的工作。我們知道車身構(gòu)件所受外力不是某個(gè)規(guī)則方向的,而往往是任意方向(如本例中Cornering工況,F與X軸成86.1°,Y軸成61.1°,Z軸成29.2°),這就決定了構(gòu)件在此外力下的變形形式為組合型。所以,要改善其應(yīng)力狀況,也就是要合理引導(dǎo)變形,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工作實(shí)踐,筆者總結(jié)出了以下幾種方法:

基礎(chǔ)篇 改變料厚

改變料厚的實(shí)質(zhì)是增加構(gòu)件自身剛度,增強(qiáng)抗變形能力,進(jìn)而達(dá)到改善應(yīng)力狀況的目的。為了研究厚度對(duì)結(jié)構(gòu)性能的貢獻(xiàn),我們做了一個(gè)簡(jiǎn)化模型加以說(shuō)明(見(jiàn)圖3)。

相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果都列在表2中,通過(guò)對(duì)比,我們可以發(fā)現(xiàn):厚度增加對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定貢獻(xiàn),尤其對(duì)厚度方向貢獻(xiàn)最大。再回到本例中的懸置支架,如果將其厚度由2.0mm增加到3.5mm,強(qiáng)度問(wèn)題就可以解決(圖4)。但采用此方法應(yīng)注意協(xié)調(diào)空間結(jié)構(gòu)、重量限制等要求,不能顧此失彼。

表2 厚度對(duì)強(qiáng)度影響

進(jìn)階篇 改變連接關(guān)系

對(duì)于車身構(gòu)件來(lái)說(shuō),連接關(guān)系的變更意味著力的傳遞路徑被改變了,進(jìn)而影響了構(gòu)件受外載后的變形姿態(tài)。工程中最常見(jiàn)的應(yīng)用,就是當(dāng)某焊點(diǎn)周圍存在高應(yīng)力時(shí),我們會(huì)在符合工藝要求的前提下在其附近適當(dāng)添加焊點(diǎn),以期分解外力,改善構(gòu)件受力條件。本例中為了改善圖2圓圈所示位置高應(yīng)力,去除折彎處的一個(gè)焊點(diǎn)(圖5所示位置),釋放該處約束,改善支架變形狀態(tài)。最終得出的最大應(yīng)力為191.9MPa,比最初結(jié)果降低了19%,效果顯著。

高級(jí)篇 改變結(jié)構(gòu)形式

之所以將其稱為高級(jí)篇,是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式的變更除滿足強(qiáng)度需求外,還受設(shè)計(jì)、工藝等要求的制約,實(shí)為理論與實(shí)踐緊密結(jié)合、多學(xué)科綜合交叉互動(dòng)的復(fù)雜過(guò)程。大量的工程經(jīng)驗(yàn)是其的必要法門。當(dāng)然,萬(wàn)事萬(wàn)物皆有其法,從根源上講,其精髓歸結(jié)起來(lái)就是四個(gè)字“見(jiàn)招拆招”。如本文中的支架,其左側(cè)加載點(diǎn)距離邊界較近,進(jìn)而導(dǎo)致邊界處受拉產(chǎn)生較大應(yīng)力,通過(guò)與設(shè)計(jì)部門溝通,將邊界位置圓角適當(dāng)加大,強(qiáng)度問(wèn)題有所改善。另外,對(duì)于某些薄弱位置,我們還可以采用局部加強(qiáng)的方案,如局部采用加筋改善剛度,局部用加強(qiáng)件等(見(jiàn)圖6),均可在一定程度緩解強(qiáng)度失效問(wèn)題。當(dāng)然,如前面所述,結(jié)構(gòu)的改變涉及很多方面,要有法有度,這樣才能真正解決工程問(wèn)題。最終結(jié)果對(duì)比詳見(jiàn)表3,在以上各種方法的綜合作用下,支架強(qiáng)度問(wèn)題得以順利解決,目前實(shí)車驗(yàn)證未產(chǎn)生問(wèn)題。

圖6 (從左至右、從上到下)修改圓角示意,添加加強(qiáng)筋示意,局部加強(qiáng)件示意,最終應(yīng)力云圖

表3 結(jié)果對(duì)比

4結(jié)語(yǔ)

“CAE Lead Design”一直是CAE人的夢(mèng)想,但真正要做到主導(dǎo)設(shè)計(jì)還有許多工作要做。當(dāng)今的中國(guó)在CAE領(lǐng)域雖然起步較晚,但起點(diǎn)卻比國(guó)外同行高很多,就汽車工程而言,以Altair HyperWorks為平臺(tái),結(jié)合其它CAE軟件,可以涵蓋了結(jié)構(gòu)、安全、流場(chǎng)、噪聲、加工制造、耐久性、動(dòng)力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。相信只要所有的CAE工程師都能不斷積累,不停開(kāi)拓,“CAE Lead Design” 是指日可待的!

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