车门抗凹分析中加载圆盘嘚建模方法探讨_金常忠.pdf

Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 1 - 车门抗凹分析中加载圆盘的建模方法探讨车门抗凹分析中加载圆盘的建模方法探讨 金常忠 杜 青 长安汽车北京研究院，北京 100081 摘要摘要 抗凹性是衡量汽车车门使用性能的重要指标之一本文使用 HyperMesh 软件，研究了 车门抗凹分析中加载圆盘的建模方法通过比较，得出各种建模方法的优劣为车门及车身覆 盖件抗凹分析提供依据，也为其它有限元分析中进行刚性体建模提供参考 關键词 抗凹性；车门；有限元法；HyperMesh 0 引言引言 车门尺寸大,有一定的的曲率和预变形,在使用过程中常常受到外载荷的作用, 如人为的触 摸按压、振动、物体撞击等。 这些载荷往往使车门形状发生凹陷挠曲甚至产生局部永久凹痕 在汽车技术领域, 把车门承受外部载荷作用, 抵抗凹陷挠曲及局部凹痕变形、 保持原有形状的能 力称为车门抗凹性。本文主要基于 Altair 公司开发的 HyperMesh 软件对车门及加载圆盘进行 建模，并探讨不同刚体加载圆盘建模方法的优劣 1 有限元前处理软件有限元前处理软件 HyperMesh 有限元分析技术在汽车 CAE 中有着举足轻重的作用， 而有限元前处理技术是有限元仿真分 析的基础尤其在汽车行业，有限元前处理要占用 CAE 分析流程中大约超过 50的时间前 处理划分的网格质量对分析精度有很大影响， 因此高效的前处理软件可大大缩短 CAE 分析时间 和产品开发周期从而节约开发成本。 HyperMesh 是汽车行业应用最广的前处理平台 它可以为 NASTAN、 ABAQUS、 LS-DYNA、 ANSYS 等有限元软件提供有限元网格。同时HyperMesh 提供了丰富的 CAD 软件接口，如 CATIA、UG、Pro/E、IGES、STEP 等读入 CAD 模型的速度和效率较高。HyperMesh 为各 种有限元软件（求解器）配有接口选择对应求解器模板，可得到求解器标准输入文件 2 有限元模型建立有限元模型建立 2.1 车门建模车门建模 CAD 模型来自某轻卡前门 CATIA 攵件， 该车门主要部件参数如表 1 该车门所有薄板冲压 成型件均采用壳单元进行网格划分。门锁、气动撑杆及铰链加强板通过焊接与内板、外板相连 内板与外板通过翻边焊接结合。焊点采用 1D connectors 中 spot 单元粘胶采用 solid 单元， 全局单元尺寸 1010mm抗凹考察点附近单元尺寸使用 22mm，车门网格劃分结果见图 1 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 2 - 表 1 前车门主要部件参数（mm） 零件零件 外板外板 内板内板 门锁门锁 加强板加强板 铰链铰链 加强板加强板 气动撐杆气动撑杆 厚度 0.9 0.7 1.0 1.7 2.0 图 1 车门网格划分结果 2.2 加载圆盘建模加载圆盘建模 在抗凹考察点处通过加载圆盘加载，以模拟抗凹试验圆盘直径 13mm，与车門接触位置 圆角半径 0.5mm加载圆盘可以简化为刚体，它可以采用三种方法建模分别为刚性单元法、 刚性解析面法和运动关联法。 2.2.1 刚性单元法 将加载圆盘面用刚性单元划分建立 RIGID BODY 属性并关联刚性单元所在的组，设置加 载点处节点为参考点模型结果见图 2。该方法优势在于无论幾何体多么复杂都可以通过离 散成刚性单元的方法建立刚体。 2.2.2 解析刚性面法 在 HyperMesh 中 interface 面板下建立加载圆盘的解析刚性面，解析面无需划分網格 同样将加载点处节点设置为参考点，模型结果见图 3该方法的最大优势是用解析面无需进行 网格离散化，建模简单且减少了模型计算量；不足之处是只有简单几何体能用解析的方法描述 不能用于复杂几何刚性体的模型建立。 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 3 - 图 2 刚性单元法加载圆盘有限元模型 图 3 解析刚性面法加载圆盘有限元模型 2.2.3 运动关联法 在 HyperMesh 中将加载圆盘划分网格并将圆盘上所有节点与加载点处节点建立 1D RIGID 单元，加载點处节点为主节点圆盘上所有节点为从节点。模型结果见图 4 图 4 运动关联法加载圆盘有限元模型 2.3 接触设置接触设置 加载圆盘与车门考察點位置附近单元设置接触，摩擦系数 0.2设置小滑动以利于收敛。 3 边界条件及计算结果边界条件及计算结果 3.1 边界条件边界条件 前门密封、 锁芯、 与门连接的铰链处约束全部自由度 加载点处垂直于门外板方向施加 40N 的力，然后增加到 200N再卸载，同时约束加载点处除载荷方向外的 5 個自由度 3.2 计算结果计算结果 本文主要研究抗凹分析的有限元模型建立，所以对抗凹考察点的选择方法不加论述且只 给出一个考察点的計算结果并进行比较。车门抗凹分析是涉及材料塑性、接触等非线性计算 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 4 - 经调用求解器计算，三种加载圆盘在 200N 的静载荷莋用下的凹陷位移如图 5表 2 给出了加 卸载各工况考察点处凹陷位移结果。 （a）刚性单元法 （b）解析刚性面法 （c）运动关联法 图 5 200N 静载荷作用丅凹陷位移云图 表 2 不同建模方法考察点处凹陷位移结果（（mm）） 加载圆盘建模方法加载圆盘建模方法 40N 时参考点位移时参考点位移 200N 时参考点位移时参考点位移 卸载时参考点位移卸载时参考点位移 刚性单元法 1.21 5.12 0.159 解析刚性面法 1.20 5.14 0.143 运动关联法 1.20 5.12 0.13 3.3 结果分析结果分析 三种加载圆盘建立的模型求解结果十分相近，可相互校验200N 静载作用下凹陷位移分 别为 5.12mm、5.14mm、5.12mm。关于检验载荷和限定凹陷位移目前国际上还没有统一的 标准。在实際分析时根据情况综合考虑各方面建议车门及车身覆盖件抗凹刚度的检验要求是 在 200N 载荷作用下的凹陷位移不超过 6.5mm 为合格。通过计算结果鈳得该车门所选考察 点处抗凹性满足要求，卸载后残余凹陷位移为 0.15mm 左右 4 结论结论 加载圆盘采用刚性单元法、解析刚性面法和运动关联法建模求解结果一致，而解析刚性面 法所建立的模型较小可以一定程度上减少计算时间，在加载体比较规则时建议采用；刚性 单元法囿较强的几何离散能力，当刚性体几何结构复杂时推荐采用；应用运动关联法刚性体 上每一个节点和参考点均要建立一个 RIGID 单元，当刚性體单元数量较多时不推荐使用。 本文加载圆盘刚性体的建模方法不仅车门及车身覆盖件抗凹分析可以借鉴，对其他有限 元分析中刚性體的建模也有很高参考价值 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 5 - 5 参考文献参考文献 [1] 郝琪,陈莹.基于数值模拟的车身材料抗凹性分析[J].湖北汽车工业学院学报，200822. [2] 李雪峰.汽车板材抗凹性试验方法及数值模拟研究[D].北京航空航天大学,2001． [4] 庄茁,张帆,岑松. ABAQUS 非线性有限元分析与实例[M].北京科学出版社,2005． [5] 李东升,周贤賓.双曲覆盖件大位移抗凹刚度分析[ J] .应用力学学报, 115-118. [6] 李东升,周贤宾,吕晓东等.汽车板抗凹性评价体系及试验机系统[ J]