基于偽接觸法的某機蓋撐桿穩定性分析

鄭 俊

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

前言

作為汽車重要覆蓋件的機蓋需要與機蓋撐桿進行相應地匹配[1]。在試驗工況下，機蓋與撐桿相互作用，需要滿足在允許變形但不失功能條件下設定的精致工藝和結構強度要求，且避免發生屈曲變形[2]，以免造成機蓋和車身機構的損壞，甚至危及人身安全。針對該問題，本文基于試驗方法與試驗數據采用偽接觸法進行機蓋撐桿的穩定性分析，在研發概念設計階段，進行先行數值研究分析驗證。

1 撐桿屈曲分析

基于撐桿的工作狀態，對邊界進行相應地處理，進行前屈曲分析。前屈曲分析用來評估“硬”結構的臨界載荷，可以公式（1）計算得到預加載結構所具有的屈曲載荷，用于評估結構的缺陷敏度的研究[3]。

1.1 撐桿模型前處理

網格劃分，對于撐桿和撐桿對應的襯套采用實體六面體進行劃分，為了保證模擬的準確性，需要對撐桿網格劃分有所要求，撐桿（D8 mm）截面為采用N=20對應的網格，高質量的單元可以保證數值仿真的準確度，粗糙的網格單元不但會影響到結構自身強度，而且還會給導致仿真結果的準確度不高。表1為單元網格劃分對撐桿截面積與慣性矩的關系與影響，截面積和慣性矩可以根據公式（3）和公式（4）計算得到。

表1 撐桿截面粗細網格劃分對比

式中，n為正多邊形的邊數；a為正多邊形的邊長；α為正多邊形的中心角。

1.2 材料屬性

撐桿端部與機蓋作用的注塑件的材料參數通過拉伸試驗獲得得其的測試應力應變曲線，然后在換算成其真實的應力應變曲線如圖1，根據拉伸試驗ISO527進行拉伸試驗，試驗速度為50 mm/min，溫度為23 ℃；圖2是介于撐桿與大燈支架之間安裝的橡膠襯套的力與位移的測試曲線。文中分析涉及材料非線性與幾何非線性，表2為分析涉及的材料及其屬性。

圖1 注塑件PA+30%GF的力學拉伸曲線

圖2 橡膠襯套力與位移試驗測試曲線

表2 撐桿穩定性分析涉及的材料及其屬性

1.3 撐桿前后屈曲分析

前屈曲分析是單獨對柔性撐桿結構進行特征值屈曲分析，提取相應的屈曲模態特征值，圖3為撐桿前二階的屈曲模態，在工程應用中，使柔性桿保持微小彎曲失穩的最小壓力是臨界壓力，即第一階的臨界載荷。

根據公式（2）和圖3中一階屈曲的特征值，提取第一階的屈曲載荷F1=5.8543*100=585.43 N。

圖3 柔性撐桿前二階屈曲模態

后屈曲分析是用來評估撐桿在工作狀態下，依據試驗方法，采用試驗載荷，在機蓋前角點施加對應載荷過程中發生后屈曲變形的分析。分析Step2過程中需要開啟risk，根據數值分析發現，在Step2階段，位移與時間的歷程曲線是正相關，并未出現負相關，如圖4所示，說明柔性撐桿未發生后屈曲變形，即柔性撐桿在加載階段未達到第一階臨界載荷，并不失穩。

圖4 工況2下前角點2的位移歷程曲線

2 機蓋剛/強度分析

發動機蓋是汽車重要外觀件，其與翼子板、前大燈、前保及前格柵的間隙面差匹配直接關聯感知質量[4]。利用CAE分析手段，從精致工藝方面入手，設定機蓋卸載后的變形剛度要求。機蓋撐桿穩定分析，不僅要針對撐桿自身進行屈曲分析，還要針對與撐桿相互作用的機蓋內板進行強度分析[5]。考察撐桿與機蓋之間的匹配性，關鍵在于研究撐桿處于在工作狀態惡劣工況下的穩定性[6]。從精致工藝出發，考察機蓋的剛度，從結構功能出發，考察機蓋的強度，試驗工況下需要滿足允許變形但不失功能作用。文中仿真的工況設定是基于試驗要求確定，如圖5所示，在機蓋的左右前角點處施加-Z方向的載荷。

圖5 機蓋前角點P1施加載荷試驗圖

2.1 邊界條件處理

截取車身模型，將機蓋處于打開位置，車身的截取端進行全約束，機蓋與車身是通過鉸鏈連接，兩者之間可以相對轉動。工況1與工況2的載荷分別作用于前角點P1與P2，載荷大小為175 N、300 N。表3為工況1、2下模型計算分析步。

表3 工況下仿真分析步

2.2 偽接觸處理

撐桿安裝在大燈支架上面，兩者之間通過橡膠材料相互接觸作用，采用偽接觸方法對該接觸狀態進行數值模擬，可以不需要將橡膠襯套建模出來，結合試驗測試數據，利用耦合單元和連接器單元組合使用，從而達到接觸的效果。偽接觸處理方法：橡膠材料的力學性能力與位移的試驗測試曲線如圖2，撐桿-橡膠襯套-大燈支架之間的狀態通過彈簧（Spr- ing）和連接器（connector）進行模擬。將橡膠襯套的力與位移曲線賦予到彈簧的屬性（JointSpring）中，連接器采用Slot+Cardan組合，在局部坐標系下保持轉動自由度和X/Y兩個方向的平動自由度；撐桿的剛性耦合單元（KINCOUP）的主節點與大燈支架剛性耦合單元的主節點重合，兩個主節點之間建立彈簧單元（Spring）和連接單元（CONN3D2），耦合單元和偽接觸處理如圖6所示。

圖6 局部坐標下耦合單元與偽接觸處理

2.3 分析數據

機蓋撐桿的穩定性不僅要保證柔性撐桿自身不失穩，還需要保證精致工藝和強度方面的要求，從而滿足撐桿與機蓋及車身之間地匹配。通過工程設計要求設定前角點Z方向上永久扭轉變形△UZ_Twist和Y方向側向永久變形△UY的目標值來確保精致工藝，通過等效塑性應變要求來確保使用功能和結構強度。其中，變形剛度計算依公式（5）和（6）。機蓋剛強度分析結果見表4匯總。模型剛度與強度分析的數值云圖見圖7—圖9。

表4 模型剛度與強度分析結果數據匯總

圖7 工況1下前角點重力場與卸載剛度

圖8 工況2下前角點重力場與卸載剛度

圖9 兩種工況下機蓋內板最大等效應變云圖

3 結論

本文基于Hypermesh與Abaqus有限元分析軟件，對撐桿進行前后屈曲分析，提取相應地特征值，觀察撐桿在工況下是否發生后屈曲現象。基于試驗方法，對模型進行精細化建模，數值分析工況與試驗方法一致，采用偽接觸的方法，考察整個機蓋在撐桿工作狀態下兩種工況作用下撐桿穩定性分析：

（1）柔性撐桿本身在載荷作用下，撐桿未發生后屈曲，即撐桿未達到第一臨界失穩。

（2）機蓋左右前角點Z方向的扭轉變形位移最大為0.087 mm和Y方向側向的最大永久變形為0.016 mm；剛度都在精致工藝的要求范圍內。

（3）機蓋及車身結構等效塑性應變最大為0.3%，結構允許變形但不發生明顯的結構失效和功能失效的前提下，等效塑性應變滿足規定要求。

（4）滿足穩定性要求的撐桿與機蓋及車身結構得到相 應地匹配，便于研發進行下一階段。