前保中支架剛度有限元仿真方法

羅帥，彭楊，張磊，周翰

(上汽通用汽車有限公司尺寸工程科，上海 201206)

0 引言

有限元仿真方法在汽車行業有著廣泛的應用[1-4]，在設計過程中會對一系列安全相關的整車性能進行有限元仿真，整車前部受重力狀態的仿真是眾多類型仿真中的一種。出于行人保護等安全性方面的考慮[5-6]，整車前部的整體剛度不能過高，以盡可能減少碰撞對行人造成的傷害；出于對安裝和運輸變形對匹配狀態的影響以及整車前部匹配穩健性的考慮[7]，又希望零件的剛度可以盡可能的高，確保整車的尺寸要求，在受到一定作用力時不至于發生過大的變形。因此，前保中支架的剛度需要滿足一定的范圍。

整車級別的仿真[8-9]有以下幾個特點：(1)建模耗時長。建立一個整車模型可能需要一個上百人的團隊一個星期的時間； (2)難度較大。需要對均勻壁厚的沖壓件以及存在大量加強筋的塑料件進行網格建模，對相應的焊點和連接進行定位和設置; (3)使用范圍有限。由于時間的限制，整車網格建模需鎖定一版數模后開始，當數模發生較大變化，則需要對網格數模進行相應的更新后才能應用。

同時，出于整車級別的考慮，在意的是整車性能和整車匹配表現，很難細化到單個零部件，有必要在整車性能仿真的基礎上，開發對于關鍵零部件的仿真方法[10]。前保中支架對前保蒙皮的下沉與否有著直接影響。前保蒙皮安裝在前保中支架之后，一旦出現一定程度的下沉，將會導致與前蓋及大燈等區域的間隙和平整度超差。

針對以上問題，本文作者對前保中支架的剛度仿真進行研究，是在整車性能仿真基礎上，開發一種前保中支架剛度仿真和評價方法，用于評估前保中支架剛度穩健性。

1 方案設計

1.1 模型建立

圖1為前保中支架網格模型。

圖1 前保中支架網格模型

鑒于前保中支架結構的各處剛度的差異，可以簡化為各打緊點支撐了整個前保，前保中支架各個打緊點的剛度影響著這個前保的匹配狀態。基于過往的項目經驗，針對多個項目的前保中支架進行了建模。

材料本身的彈性模量、泊松比和厚度都對材料的剛度有著或大或小的影響，而約束面積的大小也對剛度存在一定的影響，說明了在建模中約束面積影響著仿真結果的準確性。因此在建模中，需要注意以下幾點：

(1)正確選擇前保中支架結構的組成部件。由于材料厚度的3次方與材料剛度呈正比關系，為了兼顧準確性和效率，在建模時，將前保中支架本身與白車身相連接的其他部件并入模型中，形成考慮了前保中支架支撐件剛性的仿真模型。

(2)選擇精確的材料參數。由于在剛度仿真中，結構承受的應力遠小于屈服強度，所以在仿真中需要考慮的材料參數為彈性模量、泊松比、密度和厚度，應選擇盡可能精確的材料參數。

(3)準確的設置連接屬性。約束面積影響著結構的剛度。因此，不論是在建立約束時選擇的約束面積，還是在建立螺栓連接時選擇的接觸面積，或者焊接時選擇的焊接面，嚴格遵照數模中的實際面積進行。

1.2 仿真方案

前保中支架的約束和載荷設置的合理性，影響著仿真的準確性。前保中支架一般是通過焊接或者螺栓連接在白車身上，而相較于前保中支架，白車身的剛度要大得多，因此在建模時，將這些連接部位設置為全約束，即6個自由度全部約束。前保蒙皮一般通過4～8個打緊點固定在前保支架上，選擇評價打緊點剛度的方法，如果單個打緊點剛度足夠大，完全可以滿足整體剛度要求，同時還能承受運輸變形和人工操作時產生的壓力，如果某個打緊點區域剛度偏小，即該處偏軟，有可能導致前保下沉。

因此，仿真時的約束為前保中支架與白車身的焊接點，約束面積為焊點處的接觸面積，約束方向為6個自由度。

仿真時的載荷為垂直于打緊點的固定力(此處根據項目經驗設置為40 N，每個工況有且僅有1個打緊點施加，計算完后通過固定力與打緊點的比值得到該打緊點的剛度。

1.3 臨界值設定

前保中支架的剛度會影響行人保護試驗和整車前部的匹配狀態，這兩者決定其剛度的上下限，文中針對其對整車前部匹配狀態的影響，通過試驗和仿真探索前保中支架打緊點剛度的下限，以此來判定新項目前保中支架剛度設計的有效性。

在歷史項目中，選取了兩個存在問題的原設計和優化后的設計，按照上述建模方式和仿真設置，進行了仿真，4種狀態的模型如下，項目A有5個打緊點，項目B有4個打緊點，如圖2所示。

圖2 兩個項目的前保中支架結構

根據實際的項目表現，A項目原有設計和B項目原有設計均無法滿足匹配要求，A項目優化設計和B項目優化設計滿足匹配要求，選擇前保中支架上前保的打緊位置進行剛度計算，由表1可知，當所有位置的最小剛度小于37 N/mm時，存在零件偏軟導致匹配區域超差的風險。

表1 A/B項目前保中支架剛度仿真結果 N/mm

2 試驗結果與分析

針對C項目的前保中支架按照上述約束狀態進行仿真，其結構如圖3所示，圖中1—7為前保在中支架上的打緊點位置，也是計算剛度的位置。

圖3 C項目前保中支架結構及約束位置、載荷位置

表2為C項目的前保中支架剛度仿真結果，由表2可知，該模型為左右對稱結構，其所有點的剛度均小于臨近剛度值37 N/mm。判定為存在風險設計。

表2 C項目的前保中支架剛度仿真結果

在樣車試制中，為了排除前保零件本身尺寸影響，選擇了中支架模擬塊作為對照組，測量圖4所示位置1—7前保的下沉量。結果見表3，由表3可知，采用中支架零件時，前保出現了下沉，最大下沉0.9 mm，無法滿足DTS(Dimension Technical Statement)尺寸技術規范要求(變化量小于0.5 mm)，與仿真結果相符。

圖4 C項目樣車實際狀態測量位置

表3 C項目樣車實際狀態測量結果 mm

為了驗證模型有效性，在多款車型上進行了驗證，結果見表4，其中，由于不同項目的打緊點數量不同，故方針計算剛度的位置數量隨之變化。實際匹配狀態中，OK表示前保匹配狀態滿足要求，NOK表示前保下沉量大于0.5 mm，匹配狀態不滿足要求，可以發現，I項目各位置仿真得到的剛度最小值為31 N/mm，小于37 N/mm的臨界剛度值，實際匹配狀態超差，仿真判定與實際結果相符。

3 結論

文中提出了一種前保中支架剛度仿真的方法，可以有效地評估前保中支架剛度對前保匹配狀態的影響。主要結論如下：

(1)前保中支架的模型需根據設計的數模狀態建立，將前保中支架本體和其支撐件考慮在內；前保中支架模型的約束需按照其與白車身的焊接或螺接位置確定，接觸面積與數模保持一致。

(2)按照要求建立的模型計算的打緊點剛度臨界值為37 N/mm，當新設計的打緊點剛度值小于臨界值時，整車前部的匹配狀態存在超出DTS要求的風險。

(3)由于需要建模的零件從整個前部的數十個零件縮減到幾個零件，大幅度縮短了建模的時間；由于省去了塑料件的不均勻壁厚的建模，可操作性有了很大的提升，減小了建模本身造成的誤差；在時間和操作性上的優勢，可以在新項目開展時迅速進行仿真，并對改進設計快速迭代、方便使用、靈活高效。