白車身疲勞仿真開發(fā)中的CAE關(guān)鍵技術(shù)研究

閆鵬飛

(一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司 天津300462)

0 引 言

家用轎車是目前人們出行必不可少的交通工具，一款新車型從開始研發(fā)到上市，一般需要 3～5年。不同的企業(yè)其研發(fā)周期與過程，往往存在一些相似之處。基本都是經(jīng)過：前期構(gòu)想、AS檢討、SE檢討、CV確認、號試監(jiān)察、下線出廠階段[1]。CAE仿真技術(shù)的應用，能夠使車輛在研發(fā)初期先行檢討構(gòu)想的可行性，從而可在車輛試制、下線出廠前就進行相應的對策改善，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量與研發(fā)周期。

汽車是由許多零部件以及總成結(jié)構(gòu)組成的，為了確保其質(zhì)量的可靠性，各個總成應有足夠的強度和耐久可靠性，同時，伴隨著總成部品向共有化方向發(fā)展，了解其可靠性能，在進行車輛開發(fā)的過程中，顯得尤為重要[2]。

本文以一汽豐田某插電式混合動力汽車的白車身研發(fā)過程中 CAE仿真分析為例，探討白車身研發(fā)過程中影響其疲勞性能的 CAE關(guān)鍵技術(shù)因素，從而提高 CAE仿真分析精度，為車輛研發(fā)提供新的思路與改善途徑。

1 白車身有限元模型制作

1.1 有限單元法

線性范圍(微小變形的彈性問題)內(nèi)的有限元法理論概述中，有限單元法是將結(jié)構(gòu)體分割為有限個小區(qū)域稱之為單元，分布在各個單元邊界的點稱之為節(jié)點，用節(jié)點坐標值來定義單元，通過定義各個節(jié)點的坐標值與自由度，相鄰的單元就通過這些節(jié)點結(jié)合起來了[3]，如圖1所示。

在殼單元模型上進行網(wǎng)格劃分，在 CAE前處理軟件中將會顯示出節(jié)點以及節(jié)點構(gòu)成的單元體，如圖 2所示。將以上單元體中的節(jié)點坐標進行標記，通過計算受力狀態(tài)下，各個節(jié)點坐標的變化，來進行模型的應力狀態(tài)、變形狀態(tài)的解析，即有限元法CAE解析[4]，如圖3所示。

圖1 幾何結(jié)構(gòu)體示意圖Fig.1 Geometric structure

圖2 劃分網(wǎng)格后離散體示意圖Fig.2 Discrete volume

圖3 殼單元網(wǎng)格模型圖Fig.3 Shell element

1.2 白車身焊點有限元模型

1.2.1 疲勞強度焊點

本模型前處理在 ANSA軟件中進行，網(wǎng)格劃分標準為企業(yè)標準。焊點一般采用固定單元作為連接，焊點直徑與焊核大小保持一致，在模型制作時，以前采用 8個點進行模擬，現(xiàn)在為了提高精度，通常做成8個點或更多的 RBE2單元進行連接，焊點周邊有8個四邊形網(wǎng)格單元作為評價單元，如圖4所示。

圖4 焊點模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of welding spot

對于評價單元的坐標系方向，按照半徑方向為X方向來定義，評價單元和評價單元周邊單元之間的角度在 5°以上的話就需要修正。注意在焊點連接仿真時，以上焊點模型做成后，其周邊不可以出現(xiàn)三角形網(wǎng)格單元，一般不用如下焊點進行疲勞強度評價，如圖5所示。

1.2.2 惡路耐久強度焊點

當進行惡路耐久分析仿真時，由于道路譜的復雜性與疲勞損傷具有累積性，采用 FEMFAT可識別焊點模型進行仿真分析評價，需要對焊核及周邊的材料進行二次定義。焊核材料的楊氏模量是其周邊材料的40倍，以周邊一圈1.5mm的四邊形網(wǎng)格單元作為評價單元，如圖6所示。

第四，幫助宗教界進行自辦自傳宗教。吳耀宗先生在1956年的一個講話中指出：“教會最基本的使命是傳揚福音，引人歸主，這就是中國教會自傳的工作。”可以說，幫助宗教界實現(xiàn)自治、自養(yǎng)，最終目的都是為了實現(xiàn)教會的自傳。1953年，中共河南省委宗教處召開了基督教教會上層分子及教徒代表座談會，表明人民政府尊重宗教信仰的態(tài)度。1955年，中共河南省委在年度的宗教工作計劃中再次指出：對正當?shù)淖诮袒顒尤缃烫脙?nèi)公開傳教、做禮拜、過節(jié)日、舉行宗教儀式，采取依法保護的辦法。同時，協(xié)助教會作一些重要的宗教活動。

對于 FEMFAT焊點，采用此種模擬方法的焊點進行惡路耐久仿真分析時，根據(jù)白車身仿真結(jié)果和該車型上市前的惡路耐久試驗，以及上市后的市場反饋，可知其仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較高，其模型也與真實的焊點模型高度一致。

圖5 一般強度焊點CAE模型圖Fig.5 CAE model diagram of general strength welding spot

圖6 惡路耐久強度焊點CAE模型圖Fig.6 CAE model diagram of durability strength welding spot

1.3 白車身螺栓模型

螺栓模型需要根據(jù)實際螺栓墊片的直徑大小進行制作，螺栓 Washer外一圈是評價單元，評價單元外圈不能出現(xiàn)三角形網(wǎng)格。現(xiàn)介紹一種直接做出評價單元外圈無三角形網(wǎng)格的方法：在做 Washer時，可以多做一圈，最外圈的 Washer和單元整體的網(wǎng)格尺寸保持一致即可，如圖7所示。

螺栓有內(nèi)外兩圈，內(nèi)圈為墊圈模擬單元，外圈為評價單元。中心點與第一圈為 6個方向固定約束(RBE2)，與第二圈為 3個方向固定約束(RBE2)。對于3層鈑金的螺栓連接，孔的大小即鈑金上實際孔的大小。最內(nèi)和最外層的墊片模擬單元直徑分別為墊片和螺母的直徑，中間層的墊片模擬單元直徑根據(jù)比例關(guān)系算出即可。

采用該方法模擬的螺栓，根據(jù)白車身仿真結(jié)果和該車型上市前的惡路耐久試驗以及上市后的市場反饋，其仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較高，也與真實的螺栓保持高度一致性。

圖7 螺栓連接模型圖Fig.7 Bolt connection model diagram

2 白車身CAE分析

基于白車身的 CAE仿真分析中，常見的分析有疲勞強度分析(靜強度分析評價為最基本的研究，在此不作贅述)、惡路耐久強度分析、振動耐久強度分析，都是為了提前評價白車身的設(shè)計參數(shù)能否滿足性能開發(fā)目標的要求。而白車身結(jié)構(gòu)中最容易出現(xiàn)危險設(shè)計的地方莫過于連接處，如焊點、螺栓的布局是否合理，能否正確合理引導力的傳遞；其次就是部品倒角、結(jié)構(gòu)截面系數(shù)設(shè)計是否合理、能否滿足其功能要求。

2.1 白車身疲勞強度分析仿真

根據(jù)該車型的基于原形車的變更點，主要是增加了后部電池包，對電池包的搭載設(shè)計了與地板連接的支架。為了確定該插電式混合動力轎車上市后的可靠性問題，進行了仿真分析，入力條件為在北京通縣試驗場進行的路譜采集數(shù)據(jù)，基于電池包的整車疲勞強度分析，得到如圖8結(jié)果。

因為施加力的部位主要在電池包附近，所以其后部車身受力情況較為明顯，正視圖如圖9所示。

通過對后部電池包受力圖進行放大可以清楚地看到，主要是設(shè)計的支架分擔了電池包的入力，見圖10中框出位置，符合真實情況，并且雖然應力較大，但可滿足性能開發(fā)目標要求，后續(xù)在耐久試驗中，也沒有發(fā)現(xiàn)支架開裂或者車身其他地方開裂的情況出現(xiàn)，達到了預期效果。

圖8 白車身疲勞強度分析結(jié)果軸視圖Fig.8 Axle view of fatigue strength analysis results for body-in-white

圖9 白車身疲勞強度分析結(jié)果俯視圖Fig.9 Top view of fatigue strength analysis results for body-in-white

圖10 電池包支架區(qū)域應力分布圖Fig.10 Stress distribution diagram of battery package support area

2.2 白車身惡路耐久強度分析仿真

將試驗場中采集得到的路譜數(shù)據(jù)進行二次處理，形成載荷文件，并在FEMFAT中進行惡路再現(xiàn)的過程就是白車身的惡路耐久分析，把我們搭建的模型導入FEMFAT軟件，如圖11所示。

圖11 白車身惡路耐久分析模型圖Fig.11 Analysis model diagram of bad road durability of body-in-white

設(shè)置載荷文件，該白車身模型一共 20個入力點，每個入力點有6個通道，因此共有120個應力循環(huán)結(jié)果進行損傷累計。經(jīng)過計算，其惡路耐久分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 白車身惡路耐久仿真結(jié)果圖Fig.12 Simulation results of bad road durability of bodyin-white

根據(jù)惡路耐久分析結(jié)果，結(jié)合該車型后續(xù)的耐久試驗，以及上市后的表現(xiàn)，均未發(fā)現(xiàn)可靠性方面的性能出現(xiàn)問題，與開發(fā)目標保持高度一致，再次驗證了制作的CAE模型的可靠性。

3 結(jié)論及展望

通過對焊點、螺栓模型的做成方法說明，可以在白車身疲勞強度、惡路耐久仿真分析時快速植入，提高建模仿真分析的效率與精度。

通過對白車身模型的強度耐久仿真分析方法說明，結(jié)合該白車身模型的后期耐久試驗對比以及目前市場上的反饋，表明該分析方法可靠，為以后新車型開發(fā)提供了高精度的仿真分析評價方法。

下一步可以將客車等載重較大的車身模型作為研究課題，進一步驗證分析評價方法的可靠性。