子模型方法在白車身強度計算中的研究

宋東，白雪娟，王俊，馮長凱

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

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子模型方法在白車身強度計算中的研究

宋東1，2，白雪娟1，2，王俊1，2，馮長凱1，2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

摘要：介紹了子模型技術在白車身強度分析中的應用。以白車身手剎底座上板的強度分析及優化設計為例，討論了子模型技術的基本原理及使用方法。子模型技術在有限元分析中具有準確性、便捷性、快速性等優勢。

關鍵詞：子模型；白車身；強度；有限元分析

0引言

子模型方法是為了得到整體模型中局部區域更加精細解的有限元技術。在實際工程分析項目中，整體模型分析往往會忽略一些零部件的過渡圓角、工藝孔、小特征等，這種處理方法不會影響總體模型的總體承載機理及總體分析結果，所以對于總體分析而言不存在問題。但是在有限元分析中，往往會出現一些應力集中區域，如網格太稀疏將不能得到滿意的結果。通常可以采用以下2種辦法：(1)用較細的網格重新劃分該零件，重新計算整體模型，該方法計算耗時較長，有時還存在計算不收斂的情況；(2)切割重點關注區域模型，并利用子模型技術進行計算，該方法計算效率高[1]。文中以某SUV白車身手剎底座上板強度分析及優化設計為例，闡述ABAQUS環境下子模型方法在工程分析中的應用。

1子模型方法

子模型方法又稱切割邊界位移法。切割邊界就是將子模型從整體模型中分割開的邊界。切割邊界在整體模型中的位移解即為子模型計算的邊界條件。子模型技術基于圣維南原理，即如果實際載荷被等效載荷代替以后，應力和應變只在載荷施加位置附近有變化，如果關注部位遠離子模型的切割邊界，則子模型就可以得到較精確的結果[2]。子模型方法的分析步驟主要包括以下幾步:

(1)總體模型分析。劃分相對較稀疏的網格搭建總體模型，計算總體模型有限元結果。

(2)創建子模型。將重點關注部位從總體模型切割出來，對其劃分更精細的網格，且可更關注部位材料、微觀結構、增加局部預緊力等，在子模型切割邊界上建立節點組，并確保切割邊界遠離關注部位。

(3)子模型求解計算。根據總體模型的位移結果對子模型切割邊界上的節點位移進行插值計算，將切割邊界位移解作為子模型邊界條件進行求解計算。

2白車身有限元分析總體模型建立

白車身是由大量復雜曲面鈑金件組合起來的薄殼結構，通常采用殼單元來進行網格劃分，單元基本尺寸不能過小，否則模型單元數量太多，計算效率太低。然而，網格尺寸對計算精度和效率也有很大的影響，通常劃分網格尺寸越小，計算的精度就會越高，但相對花費的計算時間也會越長，所以在確定網格大小時需要對這2個因素進行權衡考慮。某SUV白車身模型如圖1所示。

3白車身總體模型靜強度計算

白車身強度采用慣性釋放法進行分析計算，載荷采用ADAMS軟件根據滿載質量分解的載荷。通過經典工況的靜強度分析，手剎底座上板的強度在顛簸工況下應力云圖如圖2所示，最大應力為369 MPa，接近其材料屈服強度370 MPa，存在風險。

由于手剎底座上板的網格比較粗糙，實際應力可能比圖中顯示應力還要大。擬通過更改材料或修改結構的方式進行優化，與此同時還要細化網格。如果通過整體模型重新計算，計算效率太低，不滿足多種優化方案反復驗證的要求，因此采用子模型技術進行分析。

4子模型方法應用

4.1子模型的建立

在白車身模型中，截取如圖3所示的手剎底座上板區域作為子模型，并存儲切割邊界。

子模型網格數量8 697個，節點9 508個，其中切割邊界一定要遠離重點關注部位。在圖3所示的子模型中，可以針對手剎底座上板進行結構優化、材料變更、厚度修改等方面的優化設計。

4.2子模型求解和結果驗證

將子模型切割出以后，沒有對網格進行任何處理，直接導入ABAQUS環境下，通過總體模型的計算結果對子模型切割邊界進行位移插值計算，以此作為子模型計算的邊界條件，最后提交子模型進行求解，計算結果如圖4所示。最大應力位置與整體模型計算結果幾乎相同，由此可以確定子模型計算方法的正確性。

4.3網格細化重新進行子模型計算

將手剎底座上板以基本尺寸2～3 mm進行網格劃分，得到如圖5所示的子模型，網格數量12 623個，節點13 405個。

依據第4.2節中描述的方法對細化網格后的子模型重新進行計算，計算結果如圖6所示。手剎支座上板的最大應力為388.4 MPa，超過其材料的屈服強度370 MPa，不滿足要求。

4.4優化設計階段

由于手剎底座上板不滿足強度要求，通過修改開口尺寸、倒角尺寸、增加翻邊等方案，最后通過子模型方法計算優化方案。應力結果如圖7所示，最大應力降到了290.1 MPa，低于其材料屈服強度370 MPa，滿足強度要求。

4.5子模型方法計算效率優勢

將總體模型、子模型方法計算時間進行統計，對比結果如表1所示。

從計算耗時的角度來說，子模型的計算效率是不言而喻的，因此在機械結構局部優化設計階段建議采用子模型技術對多種方案進行驗證，可以大大提高工作效率。

5結論

子模型技術是一種通用性的有限元技術，可以在工程中的各個領域應用。文中以白車身手剎底座上板為研究對象，從工程計算角度介紹了子模型技術在白車身強度分析中的應用。討論了子模型技術的基本原理及使用方法，并對子模型計算的準確性進行了驗證。利用子模型技術進行局部優化設計時，能夠快速地針對優化方案進行快速求解計算，大大提高了工作效率，具有快速、準確、靈活的特點。

參考文獻:

【1】周宇,萬朝燕，謝素明.基于子模型的鐵路車輛結構強度精細計算[J].鐵道機車車輛，2009,29(1)：9-10.

【2】李幸人,張江田,楊俊杰.子模型技術在機車車體強度計算中的應用[J].鐵道機車車輛,2013(6):39-41.

Application of Submodel in Strength Analysis of Body in White

SONG Dong1,2,BAI Xuejuan1,2,WANG Jun1,2,FENG Changkai1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automobile Engineering Technology & Research Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:Submodel;Body in white;Strength;FEM analysis

Abstract:The application of submodel in strength analysis of body in white was presented. Through strength analysis and optimized design of the plate under parking brake, the basic principle and using method of the submodel were discussed. It is shown that the technology of submodel has many advantages, such as precision, convenience, rapidness, and so on.

收稿日期：2016-01-20

作者簡介：宋東(1979—)，男，工程師，研究方向為整車強度及疲勞耐久分析。E-mail：xtusd@126.com。

中圖分類號:U462.2+1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)05-047-03