汽車車身件強度失效問題的解決方案【轉(zhuǎn)發(fā)】

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

車身部件強度分析是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)生強度失效問題,如何解決就成了一個十分棘手的事情。本文以某發(fā)動機懸置支架為例,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)強度是保證汽車安全性、可靠性的重要指標,因此汽車結(jié)構(gòu)強度分析也是CAE技術(shù)在汽車工程中應(yīng)用最廣泛的方面。通過靜力分析可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移分布情況,通過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)的哪些部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中,哪些部位強度不夠,以便對結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。本文將從CAE仿真應(yīng)用角度結(jié)合理論分析和工程實踐,給出解決車身強度問題的方法和思路。

1強度分析理論

車身構(gòu)件強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)的強度條件為:

那么,要評價車身某個部件是否失效,只要確定危險點的應(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,后兩項是可以通過手冊和經(jīng)驗給出的,唯一需要確定的就是σmax。對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度理論能較全面且真實的評價復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下部件是否失效[1]。該理論假設(shè)無論什么應(yīng)力狀態(tài),只要形狀改變必能uf達到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值,材料就發(fā)生屈服。其計算結(jié)果與幾種塑性材料,如鋼、銅、鋁等薄管試驗資料相當吻合。適用于車身件的強度分析,其數(shù)學(xué)表達為:

2車身強度失效分析實例

下面我們將以某款轎車發(fā)動機右側(cè)懸置支架作為分析對象,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211,068個,單元220,366個,其中焊點單元使用CWELD進行模擬。

圖1 分析對象建模

計算工況的確定:主要考察該支架在汽車上跳、制動和轉(zhuǎn)向時能否承受發(fā)動機的負荷,相關(guān)的量值已通過多體動力學(xué)軟件計算得出(表1)。

表1 分析工況

將其反力作為輸入,添加到發(fā)動機懸置的三個支撐點,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)驗設(shè)定安全系數(shù)n=1.75,進一步求出材料的許用應(yīng)力[σ]=120MPa。使用公式(1),對比后發(fā)現(xiàn)Bump Up工況下的應(yīng)力值嚴重超標。下面我們將針對該工況進行討論,探索強度失效問題的一些解決方案。

圖2 HyperView查看Bump Up工況應(yīng)力云圖

3車身強度失效解決方案

要想徹底解決強度問題,就應(yīng)該從強度評價準則入手,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,這是最簡單也是最有效的方法。使用高強度的鋼材,不僅能提高構(gòu)件強度,同時也是解決輕量化問題的一個有效途徑。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)合開展了超輕鋼汽車車身項目(ULSAB),其樣車車身應(yīng)用高強度和超高強度鋼板比例大于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,高強度材料的引入將起到事半功倍的效果。

具體到我們這個例子,如果支架采用DP500這種先進高強度鋼板(AHSS),其許用應(yīng)力[σ]為400MPa,強度失效會順利解決。但是,采用高強度鋼要受利潤空間、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)公式來計算機械零件的應(yīng)力值,進而求出該材料的安全系數(shù)值。其特點是將載荷、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)計經(jīng)驗確定。目前,這種方法仍較廣泛地應(yīng)用于機械產(chǎn)品設(shè)計中。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)計者只能選擇一個加大的安全系數(shù)來保證設(shè)計的可靠性。顯然,確定一個更加合理、有效的安全系數(shù)作為強度分析指標,將對優(yōu)化設(shè)計和減重分析起到重要作用。

目前,有關(guān)的研究正在開展,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、強度分布、標準差等設(shè)計參數(shù)作為隨機變量予以考慮,從而比較真實地反映了工程實際,使產(chǎn)品設(shè)計更經(jīng)濟、更安全、更可靠;但由于此方法是基于大量統(tǒng)計樣本的基礎(chǔ)上,因此其真正推廣還有待時日。

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較低的安全系數(shù)值進行評價,該方法的瓶頸在于能否對工藝過程進行準確仿真。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)驗選擇了相對保守的數(shù)值。

方案3

這里的降低部件最大應(yīng)力σmax是一個很復(fù)雜的工作。我們知道車身構(gòu)件所受外力不是某個規(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)過長期工作實踐,筆者總結(jié)出了以下幾種方法:

基礎(chǔ)篇 改變料厚

改變料厚的實質(zhì)是增加構(gòu)件自身剛度,增強抗變形能力,進而達到改善應(yīng)力狀況的目的。為了研究厚度對結(jié)構(gòu)性能的貢獻,我們做了一個簡化模型加以說明(見圖3)。

相應(yīng)的計算結(jié)果都列在表2中,通過對比,我們可以發(fā)現(xiàn):厚度增加對結(jié)構(gòu)強度有一定貢獻,尤其對厚度方向貢獻最大。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,強度問題就可以解決(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 厚度對強度影響

進階篇 改變連接關(guān)系

對于車身構(gòu)件來說,連接關(guān)系的變更意味著力的傳遞路徑被改變了,進而影響了構(gòu)件受外載后的變形姿態(tài)。工程中最常見的應(yīng)用,就是當某焊點周圍存在高應(yīng)力時,我們會在符合工藝要求的前提下在其附近適當添加焊點,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,去除折彎處的一個焊點(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。

高級篇 改變結(jié)構(gòu)形式

之所以將其稱為高級篇,是因為結(jié)構(gòu)形式的變更除滿足強度需求外,還受設(shè)計、工藝等要求的制約,實為理論與實踐緊密結(jié)合、多學(xué)科綜合交叉互動的復(fù)雜過程。大量的工程經(jīng)驗是其的必要法門。當然,萬事萬物皆有其法,從根源上講,其精髓歸結(jié)起來就是四個字“見招拆招”。如本文中的支架,其左側(cè)加載點距離邊界較近,進而導(dǎo)致邊界處受拉產(chǎn)生較大應(yīng)力,通過與設(shè)計部門溝通,將邊界位置圓角適當加大,強度問題有所改善。另外,對于某些薄弱位置,我們還可以采用局部加強的方案,如局部采用加筋改善剛度,局部用加強件等(見圖6),均可在一定程度緩解強度失效問題。當然,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題。最終結(jié)果對比詳見表3,在以上各種方法的綜合作用下,支架強度問題得以順利解決,目前實車驗證未產(chǎn)生問題。

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

表3 結(jié)果對比

4結(jié)語

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

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