基于Nastran高級仿真的車門有限元分析

左小勇

摘 要：本文基于Nastran仿真模塊對車門及其附件進(jìn)行了有限元分析，得出柔性沖壓件車門在不受外力情況下的應(yīng)力應(yīng)變，以便優(yōu)化車門公差分配。

關(guān)鍵詞：有限元分析；Nastran高級仿真；公差分配優(yōu)化

汽車制造裝配質(zhì)量較大的影響著車輛外觀和整車質(zhì)量，公差分配設(shè)計(jì)是在初期時(shí)規(guī)定零件的尺寸、公差的要求。能夠影響沖壓模具、焊臺的精度，是制造誤差原因的上游，因此公差分配優(yōu)化在汽車設(shè)計(jì)時(shí)至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外研究者在公差分配優(yōu)化研究上，主要是對剛性體，而對柔性件如車身等研究少見。即便有，一般也是將其理想化為剛性體，進(jìn)而進(jìn)行研究。但這一處理，無法滿足汽車設(shè)計(jì)中，對公差分配的高要求。

車門及其側(cè)圍、鉸鏈等由鋼板沖壓制造，需要考慮此類柔性沖壓鈑金件變形情況下的公差分配優(yōu)化，本文基于Nastran仿真模塊對車門及其附件在三維公差分配優(yōu)化之前考慮零件的變形情況，對模型進(jìn)行有限元分析。得出柔性沖壓件車門在不受外力情況下的應(yīng)力應(yīng)變，以便優(yōu)化車門公差分配。

1 有限元分析

有限元分析，是一種將工程實(shí)際問題有限元化的現(xiàn)代工程分析計(jì)算方法。其基本思想是復(fù)雜問題簡單化，用有限的未知量去逼近無限的真實(shí)系統(tǒng)，在模擬部件受力、應(yīng)變時(shí)，是一種很有效的數(shù)值分析方法。

2 基于Nastran的高級仿真

要對車門做有限元分析，得到車門及其側(cè)圍，包括車門鉸鏈?zhǔn)苤叵碌淖冃危疚氖褂肬G6.0的高級模塊進(jìn)行仿真計(jì)算分析。在仿真時(shí)，先對模型進(jìn)行網(wǎng)格處理，然后定義約束，施加應(yīng)力。使用Nastran求解，得到車門及其附件在不受外力，僅有自身重力情況下的應(yīng)力應(yīng)變。步驟如圖2所示。

3 車門的有限元仿真

車門及其鉸鏈?zhǔn)芰ψ冃螌囬T外觀和制造質(zhì)量都有影響。本部分通過有限元分析，得出了車門及其附件在不受外力，僅受自身中立情況下的應(yīng)力應(yīng)變。

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

模型的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量不能過多，否則一方面網(wǎng)格劃分繁瑣，另外會較大增加計(jì)算量和時(shí)間，還可能引起內(nèi)存溢出。對車門的有限元分析，可以把不影響整體結(jié)構(gòu)的孔和小的圓角簡化掉，這樣既減少了網(wǎng)格數(shù)量，又降低了網(wǎng)格劃分難度。對車門扣手和風(fēng)窗孔，可以用自由曲面補(bǔ)平；安裝孔、槽等可以忽略。處理之后的模型如圖3所示。

在UG中選擇Nastran模塊，進(jìn)行高級仿真有限元分析。

3.2 定義材料屬性

對車門內(nèi)外板材料屬性進(jìn)行定義：材料類型，特性設(shè)為“各向同性”；材料質(zhì)量密度7.85；楊氏模量設(shè)為20940000kPa，泊松比設(shè)為0.288，屈服強(qiáng)度138795kPa，抗拉強(qiáng)度為275790kpa物理屬性如圖4所示。

3.3 網(wǎng)格單元檢査

對車門內(nèi)外板網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格檢查，檢查結(jié)果如表1所示。失敗的單元，需重新劃分失敗單元周圍網(wǎng)格，直至全合格。

3.5 解算方案

在成功劃分網(wǎng)格后，進(jìn)行解算。使用NX Nastran求解器，因?yàn)橹恍枰治鲕囬T及其附件受重力影響下的公差分配，所以采用單約束結(jié)構(gòu)分析，使用迭代求解，選最大作業(yè)時(shí)間。

3.6 定義仿真對象類型、約束

可以采用面與面粘合的方式，讓內(nèi)外板網(wǎng)格連接，以此讓車門內(nèi)外板的網(wǎng)格之間，讓力和位移能夠傳遞。粘合后模型如圖5所示。上鉸鏈?zhǔn)┘拥募s束如圖6所示。施加給模型對應(yīng)的載荷。對側(cè)圍、鉸鏈等附件對車門的影響，定義壓力如圖7①，而車門自身受重力的影響，定義載荷如圖7②。

3.7 模型設(shè)置檢查

為確保正確求解模型，對模型設(shè)置檢查后，進(jìn)行解算。如表2所示。

4 結(jié)果分析

檢查模型的計(jì)算方案正確后，解算模型，設(shè)置最大求解時(shí)間、求解器位置、迭代求解器、溫度等。軟件可以通過分析工作監(jiān)控模塊、迭代收斂模塊，自動(dòng)進(jìn)行解算，解算結(jié)束，可以得到解算結(jié)果，進(jìn)而獲得車門應(yīng)力應(yīng)變信息。

由圖8可知，最大位移（a）是0.169mm在車門右上角處，最大應(yīng)力（b）是1.64MPa在車門鉸鏈安裝面周圍。選取典型節(jié)點(diǎn)（表3），位于車門邊緣節(jié)點(diǎn)的位移是0.105-0.121mm。

車門是通過鉸鏈安裝的，而門鎖僅起到鎖止作用，對車門垂直方向的位移不能進(jìn)行限制，所以當(dāng)車門受力時(shí)，其后沿變形量最大。車門受鉸鏈約束力作用，因此鉸鏈在車門上的安裝面的周圍應(yīng)變最大。以上有限元分析結(jié)果符合實(shí)際車門應(yīng)力應(yīng)變情況。

車門縫公差分配一般分布在0.7-1.3mm，由上述分析結(jié)果可知，車門在受自身重力，無外力作用下的變形就為0.18mm。合理的公差設(shè)計(jì)對汽車制造質(zhì)量有重要意義，根據(jù)AUDIT評審（汽車質(zhì)量客觀評價(jià)法）得出，在對車門公差分配設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮車門及其附件，在不受外力僅受自身重力情況下的變形，以滿足汽車尺寸工程對零件公差的設(shè)計(jì)的控制，保證后續(xù)建模的進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zhengshu Shen. Tolerance Analysis with EDS/Vis VSA[J]，Journal of Computing and Information Science in Engineering，2003，3，95-98.

[2]刑魯超.基于逆向工程的車門設(shè)計(jì)技術(shù)[D].山東理工大學(xué)，2012.

[3]Song Gao，Xiaoyong Zuo. Surface Extension in Smoothing of Class A Surface for auto-body[J].Advanced Materials Research，2010，362（4）：2767-277.