基于HyperWorks的某乘用車機艙蓋內板開裂分析與優(yōu)化設計

2017-02-15 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要:某乘用車在道路試驗中,機艙蓋內板靠近左側鉸鏈處發(fā)生開裂現象,針對此開裂問題,對該車型的機艙蓋進行強度仿真分析計算,尋求開裂原因。為更好的模擬實際工況,考慮了機艙蓋在道路試驗過程中各種受力情況,同時設計了四種工況條件。根據計算的應力、變形結果找出導致開裂的主導因子,并對開裂區(qū)域進行優(yōu)化設計,改進后的部件在后續(xù)路試中,未出現開裂,驗證了優(yōu)化方案的可行性。

1概述

乘用車機艙蓋與車身連接的鉸鏈區(qū)域在道路試驗中受到整車和地面?zhèn)鬟f的各種作用力(如垂直力、側向力及制動力等),所以車輛行駛時鉸鏈安裝點區(qū)域所受載荷比較復雜,并且該區(qū)域布置載荷采集設備比較困難,無法得到實際載荷譜,因此,僅能從該區(qū)域的受力方向設計工況,并采用業(yè)界知名的CAE應用軟件HyperWorks對其進行強度分析,根據分析結果尋找開裂原因,并進行相應的優(yōu)化設計,對改進方案進行計算分析,最終滿足設計要求。
HyperWorks作為高效的CAE軟件集前后處理與求解器于一體,功能全面,操作便捷,因此本文選用HyperMesh建立機艙蓋的有限元模型,選用OptiStruct求解器完成對模型的強度分析,使用HyperView進行后處理得到應力分布云圖, 其分析結果為結構設計和改進提供參考依據。

2原方案機艙蓋結構強度分析

2.1模型的建立

該乘用車機艙蓋主要由內外板、鉸鏈及其加強板、鎖扣及其加強板、焊點及粘膠組成的,如圖1所示。
首先對CATIA創(chuàng)建的幾何模型,運用HyperMesh進行幾何清理,最后按照有限元網格劃分規(guī)范對模型進行網格劃分,模型結點數38975,單元數38540,如圖2所示。

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2.2材料屬性

計算中所使用的材料參數如下:
合金鋼的材料參數:彈性模量:210GPa材料密度:7.9e+3kg/m3泊松比:0.3
粘膠材料參數:彈性模量:4GPa材料密度:1.2e+3kg/m3泊松比:0.3
長度單位為:mm

2.3強度分析及方案改進

整車在道路試驗過程中受到的載荷來自于路面與發(fā)動機的振動,由行駛系統(tǒng)及其連接機構傳到車身各個部位,所以車輛行駛時機艙蓋鉸鏈安裝點受到的載荷比較復雜,只能設計鉸鏈安裝點分別在X向、Y向、Z向,XYZ向各受力100N,以便模擬車型在運動過程中,哪個方向的受力對鉸鏈開裂區(qū)域的影響最大;為了模擬其實際受力情況設計了相應的四種工況如表1所示。鉸鏈和車身連接處設定約束,鎖定全部6個自由度,鎖扣處鎖定Z向平動自由度;同時施加密封條載荷,緩沖塊位置施加102.5N的Z向載荷、氣動桿力載荷及1重力場、鉸鏈安裝點加載X、Y、Z向各100N,如圖3所示。

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模型搭建完后采用OptiStruct求解器對該模型進行強度分析,再運用HyperView進行后處理得到應力分布云圖,結果如圖4、表2所示:

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圖4原方案各工況下強度計算應力分布云圖

由于鎖扣和車身不是處于完全鎖死狀態(tài),車輛在壞路行駛時,機艙蓋會左右、前后、上下跳動,但是上下顛簸的狀態(tài)比較嚴重。從四個工況分析結果也可以得出,機艙蓋鉸鏈安裝區(qū)域開裂主要是由Z向受力所致,其應力集中區(qū)域與開裂處比較吻合;因為機艙蓋內板屬于普通鋼板,疲勞極限大約是135-150Mpa,工況三最大應力122Mpa比較接近疲勞極限,與對標車相比,該處應力值比較大,安全因子較低,所以在重復載荷作用下,該區(qū)域易產生應力集中引起開裂。為了滿足設計要求對該處鉸鏈加強板結構進行了優(yōu)化設計如圖5所示,更改了鉸鏈加強板結構,同時其厚度由原來1mm變?yōu)?.5mm,材料和加工工藝不變。

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2.4新方案強度分析

新方案機艙蓋強度分析方法與原方案相同(相同的工況條件),分析結果和相應的應力云圖如圖6和表3所示:

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圖6新方案各工況下強度計算應力分布云圖

新方案分析結果與原方案進行對比發(fā)現,新方案四個工況下鉸鏈附近區(qū)域的最大應力相對于原方案降低,鉸鏈安裝區(qū)域安全系數明顯高于優(yōu)化前且高于對標車;說明鉸鏈加強板結構優(yōu)化后,此處結構得到加強,后續(xù)道路路試未出現開裂,驗證了該優(yōu)化方案的可行性。

3結論

通過對機艙蓋的有限元強度分析,找出其發(fā)生斷裂的原因并提出優(yōu)化方案。在同種工況中,運用OptiStruct求解器對優(yōu)化前后方案進行強度分析對比,可以得出,改進方案鉸鏈安裝區(qū)域安全系數明顯高于優(yōu)化前,是一種比較有效的優(yōu)化設計方案,這是HyperWorks軟件在本次結構設計分析中的成功應用。
CAE技術在結構選型和設計過程中的應用可以尋找或較早地預測結構動態(tài)特性設計的不足,為設計師結構優(yōu)化設計提供依據并指明方向,從而可在設計之初對結構進行設計改進,減少后期設計難度,縮短產品研發(fā)周期,提高設計可靠性。

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