基于HyperWorks8.0的家用轿车B连接点刚度分析

基于HyperWorks8.0的家用轿车B连接点刚度分析1前言汽车车身上T形连接点与其它承载件共同形成了一个牢固的车身承载结构。连接点部位对结构的系统影响较大，应当保持有足够的刚度，刚度不足，会导致局部区域出现大的变形，从而影响了车的正常使用。低的刚度必然伴随有低的固有频率，易发生结构共振和声响。因此在新车研发中应对较重要的连接点处进行刚度分析以此来对连接点处钣金件的形貌、组合方式以及焊点的分布有个初步的评价。文中就是采用有限元分析的方法，对某车型的B连接点进行了刚度分析，为设计生产提供参考依据。2B连接点有限元模型的建立2.1分析软件说明本次分析中采用的是HyperMesh前处理器软件和OptiStruct求解器。HyperMesh是世界领先的、功能强大的独立于求解器的有限元网格划分和模型装配工具，集成于AltairHyperWorks软件包之中。HyperWorks是由美国AltairEngineeringInc.公司开发，目前在世界上的应用非常广泛。作为世界CAE工业流行的大型通用结构有限元分析软件，OptiStruct是一个快速、精确和稳健的有限元求解器，支持多种线性及非线性分析。通过无缝集成在HyperWorks软件中，OptiStruct为工程师提供了梦寐以求的灵活、快速和先进的功能，这些功能包括线性静态分析、特征值求解、屈曲，频率响应分析和瞬态响应分析以及运动学，动力学，静力学，准静力学和线性化分析等。2.2平面问题及薄板弯曲车身的大部分零件是薄板冲压件，板材的厚度h远小于其平面尺寸。薄板的变形与载荷的作用方式有关，当载荷平行于中面(平分薄板厚度的平面)且沿厚度方向不变，可认为是平面应力问题：若载荷垂直于中面，则将引起薄板的弯曲变形。以薄板的中面为x-y平面，垂直于中面的轴为z轴。在平面应力问题中只有平行于x-y平面的三个应力分量:σx，σy，τxy=τyz这三个分量沿厚度h不变，它们只是x和y的函数，与坐标z无关，而其余分量为零。平面应力的物理方程为：薄板弯曲变形后．中面由平面变成曲面，称为弹性曲面。中面内各点在垂直于中面的方向的位移w称为挠度。当W远小于厚度t时，即满足w/t1/5时，可以认为中面无线应变也无角应变，此时称为薄板弯曲的小挠度问题。若挠度w接近厚度t的量级，就不能再认为弹性曲面内纤维的长度不变，问题将变为非线性的．这种情况称为薄板弯曲的大挠度问题。工程中的大部分问题是将薄板的弯曲视为小挠度问题，这样可使问题大大简化。薄板弯曲小挠度问题的应力与变形间的物理方程可表示为：综上所述，由于B连接点附近的车身结构是较复杂的薄板冲压件，在受到载荷的作用的时候，其既存在平面应力问题．又有薄板弯曲问题。所以在实际的工程分析中．均要考虑到这两个方面的作用。2.3单元类型在建立车身零件有限元模型时．考虑到这些薄板冲压件既能抵抗平行于其平面方向的拉压力，又能抵抗弯曲和扭转的载荷．应选用符合这两种特性的单元类型。而板壳单元具有一定的厚度．能够充分描述这些特征，所以采用板壳单元来建模。2.4材料定义车身的材料通常采用薄板钢材．其弹性模量E=2.1*l0*10*10*10*10Mpa，泊松比取μ=0.3，则密度ρ=7.9*l0*10*10kg/m*m*m。在采用板壳单元来建模时,取其薄板厚度为各自实际厚度。2.5划分网格左侧B连接点模型的网格划分是采用的HyperWorks中的HyperMesh模块来划分的,充分考虑到硬件条件的提高,以及对网格尺寸的验证选用的网格基本尺寸为2mm。其中节点个数为175679,单元总数为173348,四边形单元个数为170871,三角形单元个数为2477,三角形单元占整个单元总数的百分比为1.43%。翘曲度以及四边形和三角形单元的内角的角度范围都进行了严格的控制，见如图1。图12.6单元之间的焊接在网格生成前并未在布置焊点处增设硬点，故无相应节点进行焊点连接。但Opt提供了网格独立的焊接单元（CWELD）用于连接不匹配的网格，因此在本次分析中使是这种CWELD单元来模拟冲压件之间的焊点。3．计算结果和分析3.1.1B连接点的线性静强度分析从表1可以看出对B连接点冲击最大的工况为Y，注意到其工况的应力值达到了495Mpa，根据企业自身标准和以往车型的经验这个值是过高的。但考虑到网格的划分尺寸由原来的10mm细化到了现在的2mm。根据有限元理论，随着网格的细化计算结果是收敛的。检查过模型发现应力集中部位的网格质量合格，所以这是一处是真实应力。为了验证结果的正确与否，进行了如下的2个分析方案（俱在施加载荷和约束上一致，即便是在网格的划分方式上也力求一致）：1，将另一款成熟车型（原分析网格尺寸为10mm）的B连接点进行2mm网格划分重新分析，然后与本次分析车型进行对比分析；2，将本次分析的应力最大处出现在的内板进行5mm、10mm网格划分重新分析，看下应力值大小变化趋势。3.1.2两款车型B连接点对比分析观察表2中当两车网格划分方式统一为2mm之后的分析数据发现结果非常的接近，这说明本次分析车型的B连接点基本上是合格的。从表3的分析结果中可以看出随着网格的细化计算值也呈递增趋势，这是符合有限元理论的。综上所述，本次分析车型B连接点经过与成熟车型的对比分析，初步判断还是符合要求的。就网格划分方面做一点说明，虽然B连接点进行的刚度分析，但应力分布情况对冲压件的设计优化有指导意义。并且在分析中施加的载荷并且冲压件上出现的应力都是有与之对应的标准存在的，由于计算精度的不同，不同划分方式的标准是无法相互使用的。4．冲压件之间的摩擦和相互作用的验证虽然通过前面的分析来看，B连接点附近的冲压件的受力位移都不大，但冲压件之间的相互作用和摩擦是否会对计算产生影响，即是否在计算B连接点的时候要考虑非线性。OptiStruct采用了准静态非线性求解方法处理接触问题。它可以利用GAP的间隙单元来模拟不同网格之间的接触，通过库仑摩擦考虑滑动工况。4.1接触建模在冲压件相接触的地方建立了CGAPG（节点到单元）的间隙单元来模拟网格之间的接触，如图2。图24.2计算结果从表4中可以看出在本次分析中，采用非线性的接触分析对结果无任何影响，在以后的连接点分析中不需要考虑此类问题了。5．顶棚连接方案的筛选在车辆改型或者降本增效工作中时常面对多种方案的筛选。在本次分析中面临的是顶棚与内板或侧围的连接方案的筛选。具体方案如下：1，一方案将其中的α类焊点位置进行移动，简化工人操作；（在有限元模型中变化CWELD单元的位置）2，二方案取消α类焊点，降低材料和人工成本。（在有限元模型中删除CWELD单元）分析结果：从表5的分析结果中可以看出仅从连接点的刚度来考虑的话，α类焊点是完全可以取消。但如果是作为一个完整的可行性分析却还要参考很多的别的工况，以及对整个白车身的弯曲、扭转和模态的影响，综合考虑才能做下结论。6．结语通过对某款家用轿车B连接点的刚度分析。尝试了新的焊点模拟方式带来的便捷并也对网格尺寸的大小进行了验证，提高了对网格问题的认识；第一次在连接点分析中考虑了非线性的接触情况，完善了企业的分析方式；最后在工程方案的确定上进行了计算筛选。