汽車側踏強度的有限元分析

牟雪雷, 李翠萍, 胡遠航, 宋廣晶，田晨威

(長城汽車股份有限公司技術中心,河北省汽車工程技術研究中心,河北保定 071000)

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汽車側踏強度的有限元分析

牟雪雷, 李翠萍, 胡遠航, 宋廣晶，田晨威

(長城汽車股份有限公司技術中心,河北省汽車工程技術研究中心,河北保定 071000)

側踏是方便乘客上下車的機構，主要承受乘客腳部傳遞的載荷。側踏需要有足夠的強度支撐乘客的重力，才能避免在極端情況下產生破壞，所以進行側踏強度分析至關重要。通過ANSA軟件建立側踏分析模型，并采用ABAQUS進行強度計算。有限元分析結果為零部件結構設計提供參考。

側踏；強度；有限元分析

0　前言

隨著消費者對汽車外觀及性能要求的不斷提高，側踏逐漸成為汽車不可或缺的零部件。側踏方便了乘客上下車，特別是對兒童及老年人上下車起了至關重要的作用，同時安裝側踏也體現了汽車的高品質、高檔次。

側踏主要承擔乘客腳部傳遞的載荷，因此對其力學性能也有較高要求。側踏承受的外部載荷大小、位置等因素對于其結構安全有較大影響，因此在設計之初就需要對側踏強度進行全方位的分析，以保證側踏的安全性能。

1　有限元分析流程

有限元分析步驟包括前處理、分析計算、后處理三部分[1]。

1.1前處理

用ANSA軟件建立有限元模型、定義材料模型、邊界條件、載荷工況及輸出設置等。

1.2分析計算

用ABAQUS求解軟件求解輸入文件中所定義的數值模型。

1.3后處理

用Hyper view軟件來讀入分析結果數據，查看應力、位移大小是否超出材料屈服強度和位移目標值[2]。

2　有限元模型建立

2.1網格劃分

利用ANSA前處理功能建立側踏總成的有限元模型，基本單元尺寸為10 mm，并且對單元質量進行嚴格檢查，檢查是否單元之間全部縫合，是否有重復節點、重復單元或缺少單元，通過網格質量檢查確保模型質量和計算精度。側踏有限元模型如圖1所示。

2.2模型連接

2.2.1螺栓連接

支架與彎臂是通過螺栓進行連接的，未降低建模的復雜

性，因此采用MPC剛性連接代替零部件的螺栓連接，連接方式如圖2所示。

2.2.2點焊連接

車身件主要是通過焊點將零部件連接起來，因此在建立焊點連接時直接將點焊數模導入ANSA軟件中，轉化成3D點，最后通過REALIZE命令將兩個零部件焊接起來，這樣的焊接位置跟實車中的位置一致，焊接形式如圖3所示。

2.3材料模型

材料本構關系是有限元仿真計算中一個重要的計算參數，只有輸入準確的材料參數才能得到準確的計算結果。在靜態強度分析中只需輸入彈性模量、泊松比、密度，無須輸入應力應變曲線。

2.4邊界條件

2.4.1約束的建立

此次分析是截取與側踏相連接的部分零部件，因此根據實車約束安裝位置及斷面處的6個自由度，約束模型如圖4所示。

2.4.2接觸的建立

在有限元分析中，接觸條件是一類特殊的不連續約束，它允許力從模型的一部分傳遞到另一部分。因為只有當兩個表面發生接觸時才會有約束產生，而當兩個接觸的面分開時，就不存在約束作用了，所以這種約束是不連續的[3]。

在側踏支架和彎臂的安裝面處需要建立接觸，防止產生穿透，避免對分析結果產生較大的影響，接觸效果如圖5所示。

2.5載荷工況及評價標準

此次分析主要模擬側踏前、后分別踩踏和同時踩踏3種情況，分別踩踏車門中間位置。

2.5.1載荷工況

工況一：前門中間位置，加載質量135 kg；

工況二：后門中間位置，加載質量135 kg；

工況三：前后門中間位置同時加載，加載質量各為115 kg。

2.5.2評價標準

各部件的應力水平小于相應材料屈服強度，不產生塑性變形，并且踏板下沉量不大于3 mm。

3　分析結果

3種工況下各零部件應力值如表1所示。

表1　應力結果　MPa

3種工況下踏板產生的位移如圖6—8所示。從應力結果和位移云圖看出：各個零部件應力均小于材料屈服強度，但是在工況二下踏板產生的位移為3.4 mm，大于目標值3 mm，因此側踏設計結構需要進一步優化。

4　結構優化

4.1原因分析

從工況二的分析結果來看，產生較大位移的根本原因是彎臂支架的剛度不足，因此需要對彎臂結構進行優化。彎臂變形結果如圖9所示。

4.2更改方案

將工況二踩踏位置下的彎臂進行結構更改，更改方案如圖10所示。

5　優化結果

3種工況下各零部件應力值如表2所示。

表2應力結果

MPa

3種工況下踏板產生的位移如圖11—13所示。從應力結果和位移云圖看出：各個零部件應力均小于材料屈服強度，并且3種工況下產生的位移最大為2.9 mm，小于目標值3 mm，因此側踏結構滿足設計要求。

6　結論

綜合考慮側踏的結構設計、材料等因素，通過有限元法對側踏進行強度分析，用ANSA建立有限元模型，用ABAQUS進行模型求解，用Hyper view查看位移及應力云圖。通過查看分析結果，驗證側踏結構設計的不足之處。通過結構優化進行設計改善，通過強度分析對設計結構進行驗證，不但保證了側踏的力學性能，同時還縮短了產品的設計周期。有限元分析對于產品開發起到至關重要的作用。

【1】石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例講解[M].北京：機械工業出版社，2006.

【2】張勝蘭，鄭冬黎.基于Hyper Works的結構優化設計技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

【3】莊茁，張帆.ABAQUS非線性有限元分析與實例[M].北京：科學出版社，2005.

Finite Element Analysis for Automotive Footplate Strength

MU Xuelei, LI Cuiping, HU Yuanhang, SONG Guangjing, TIAN Chenwei

(R & D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of Hebei，Baoding Hebei 071000,China)

The footplate is convenient for passengers up and down. It mainly bears the load transferred by passengers feet. Footplate needs enough strength to support the weight of passenger, to avoid the damage in extreme cases, so strength analysis of footplate plays an important role. The footplate analysis model was set up by ANSA software and reckoned by ABAQUS software. FEM analysis results offer reference for structure design.

Footplate； Strength；FEM analysis

2015-03-31

牟雪雷(1986—)，男，本科，助理工程師，研究方向為汽車CAE仿真。E-mail：cynwszhjs@gwm.cn。