ABAQUS汽車車門振動分析

利用ABAQUS 分析旋轉(zhuǎn)式車門的晃動,研究車門的動態(tài)響應(yīng)。優(yōu)化車門內(nèi)板結(jié)構(gòu),減小車門內(nèi)板橫向振動響應(yīng)位移,從而改善其呼吸效應(yīng),提高結(jié)構(gòu)性能。

1 概述

    計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)作為一種新興的分析手段,很好地支持和輔助了汽車的開發(fā),越來越受到重視。車門作為車身結(jié)構(gòu)的重要組成部件,其性能直接影響著車身結(jié)構(gòu)性能的好壞。對于車門這一類的活動件,除進(jìn)行通常意義下剛度、強(qiáng)度、模態(tài)和疲勞耐久性等工況的分析外,動態(tài)分析也是必不可少的。本文采用ABAQUS/Standard的振型疊加法,進(jìn)行車門關(guān)閉工況的瞬時(shí)動態(tài)分析,監(jiān)控可能產(chǎn)生的呼吸效應(yīng),優(yōu)化車門結(jié)構(gòu),提高車門的結(jié)構(gòu)性能,減少噪聲、異響甚至鈑金件干涉等問題。

2 車門晃動的動態(tài)分析

    2.1 ABAQUS 的動態(tài)分析

    ABAQUS 中的動態(tài)分析包括兩大類基本方法: 振型疊加法(modal superposition procedure) ,用于求解線性動態(tài)問題;直接解法(direct- solution dynamic analysis procedure) ,主要用于求解非線性動態(tài)問題。振型疊加法用于線性動態(tài)分析,使用ABAQUS/Standard 來完成,其相應(yīng)的分析步類型為線性攝動分析步(linear perturbation step)。振型疊加法的基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)的各階特征模態(tài)(eigenmode),因此在建模時(shí)要首先定義一個(gè)頻率提取分析步(frequencyextraction), 從而得到結(jié)構(gòu)的振型(mode shape)和固有頻率(natural frequency),然后才能定義振型疊加法的各種分析步。瞬時(shí)模態(tài)動態(tài)分析(transient modal dynamic analysis) 計(jì)算線性問題在時(shí)域(time domain)上的動態(tài)響應(yīng)。只有具備了以下特點(diǎn)的問題才適合進(jìn)行瞬時(shí)模態(tài)動態(tài)分析:1)系統(tǒng)是線性的(線性材料特性,無接觸行為,不考慮幾何非線性);2)響應(yīng)只受相對較少的頻率支配;3)載荷的主要頻率主要在所提取的頻率范圍之內(nèi),以確保對載荷的描述足夠精確;4)特征模態(tài)應(yīng)該能精確地描述任何突然加載所產(chǎn)生的初始加速度;5)系統(tǒng)的阻尼不能過大。

    2.2 車門動態(tài)分析模型的建立

    車門系統(tǒng)主要包括車門鈑金件總成, 鉸鏈系統(tǒng), 玻璃及玻璃升降器系統(tǒng)和和內(nèi)飾等。采用Altair 公司的Hypermesh 進(jìn)行前處理,主要包括幾何清理,網(wǎng)格處理和分析加載。整個(gè)車門主要由薄壁沖壓件組成, 因此采用殼單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散, 主體為平面四邊形單元, 輔助少量的三角形單元;車門鉸鏈采用實(shí)體單元,鉸鏈之間采用梁單元連接,釋放其旋轉(zhuǎn)方向的自由度;焊點(diǎn)和膠采用實(shí)體單元;內(nèi)飾及玻璃升降器等傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)采用質(zhì)量單元的方式均布在其與車門的連接處, 而不進(jìn)行幾何模擬。玻璃處于最下位置,有限元分析模型如圖1 所示。本車門分析模型包括的單元總數(shù)為52415,節(jié)點(diǎn)數(shù)為55231。
 

圖1 車門有限元分析模型

    為減少模型的規(guī)模和提高計(jì)算效率,僅考慮車門安裝在臺架上,分析模型中約束上下鉸鏈;門鎖機(jī)構(gòu)考慮足夠剛性,約束其自由度123。根據(jù)瞬時(shí)關(guān)門能量和車門關(guān)于鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量,由公式
   
   
    計(jì)算出車門的旋轉(zhuǎn)速度。ABAQUS/Standard 中通過添加關(guān)鍵詞*initial conditions, type=rotating velocity 實(shí)現(xiàn)。
   
    分析步的關(guān)鍵詞如下:
    **Step1
    *STEP, PERTURBATION
    *FREQUENCY, EIGENSOLVER = LANCZOS
    **Step2
    *STEP, PERTURBATION
    *MODAL DYNAMIC
    *MODAL Damping, MODAL=DIRECT

    第一步,頻率提取,注意在頻率提取分析中提取了足夠數(shù)量的模態(tài),以保證在主要運(yùn)動方向上的有效質(zhì)量超過模型中可運(yùn)動質(zhì)量的90%;第二步,瞬時(shí)模態(tài)動態(tài)分析,根據(jù)頻率提取分析中得到的最高階頻率,計(jì)算出其相應(yīng)的周期,瞬時(shí)模態(tài)動態(tài)分析步中的時(shí)間增量要小于此周期值;定義直接模態(tài)阻尼,即與每階模態(tài)相關(guān)的臨界阻尼比,其典型的取值范圍是1%~10%。

    2.3 車門動態(tài)分析的結(jié)果

    建立好模型后在IBM 服務(wù)器上求解,計(jì)算時(shí)間大概10 分鐘左右,分析結(jié)果如下圖所示
 

圖2 車門內(nèi)板橫向位移峰值云圖

    結(jié)果表明,在電機(jī)安裝點(diǎn)附近位移最大,根據(jù)變形云圖及動畫,優(yōu)化車門內(nèi)板局部特征,提高其局部剛度,如圖3 所示。優(yōu)化前后峰值節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)曲線如圖4 所示,優(yōu)化后車門內(nèi)板的響應(yīng)位移降低了18.4%,滿足了相關(guān)設(shè)計(jì)要求值。另外,優(yōu)化后車門振動衰減周期也有明顯的降低。
 

圖3 車門內(nèi)板局部優(yōu)化前后特征對比

圖4 優(yōu)化前后車門內(nèi)板瞬時(shí)動態(tài)響應(yīng)的位移-時(shí)間曲線

3 結(jié)論及工作展望

    Nastran 的瞬態(tài)響應(yīng)分析(SOL112) 中的TIC 卡片只能應(yīng)用于線速度和全局坐標(biāo)系, ABAQUS 不存在類似問題而更為方便,運(yùn)用ABAQUS/Standard 的振型疊加法較好地實(shí)現(xiàn)了車門的瞬時(shí)動態(tài)響應(yīng)分析,反映了關(guān)門瞬間車門的變形情況。通過對車門的局部特征進(jìn)行優(yōu)化,提高了車門的局部剛度,有利于其動態(tài)響應(yīng)的改善,減少噪聲、異響甚至鈑金件干涉等問題。今后,為了進(jìn)一步提高模型的分析精度,可以將內(nèi)飾和車身模型考慮進(jìn)來。另外,通過ABAQUS/Explicit 可以進(jìn)行非線性動態(tài)分析,考慮門鎖機(jī)構(gòu)及密封條的影響。

4 參考文獻(xiàn)

    [1] ABAQUS 6.9 Documentation
    [2]石亦平,周玉蓉. ABAQUS 有限元分析實(shí)例祥解. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006, 280~302.