劉勺華，房 亞,路紀(jì)雷，陳 龍

(1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車(chē)輛工程系，江蘇 常州 213164；2.南京徐工汽車(chē)技術(shù)中心，江蘇 南京 210012； 3.江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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汽車(chē)后防護(hù)裝置有限元強(qiáng)度分析研究

劉勺華1，房 亞1,路紀(jì)雷2，陳 龍3

(1.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車(chē)輛工程系，江蘇 常州 213164；2.南京徐工汽車(chē)技術(shù)中心，江蘇 南京 210012； 3.江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

根據(jù)國(guó)家法規(guī)GB11567.2—2001，針對(duì)國(guó)內(nèi)重型車(chē)輛常用后防護(hù)裝置的強(qiáng)度設(shè)計(jì)靜態(tài)加載試驗(yàn)，利用CATIA軟件建立其后防護(hù)裝置三維模型，通過(guò)專(zhuān)業(yè)有限元軟件HyperMesh及ANSYS對(duì)該裝置進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，采用不同加載方式對(duì)后防護(hù)裝置的靜強(qiáng)度對(duì)比分析,提出了新的后防護(hù)裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和提高被動(dòng)碰撞時(shí)乘員安全保護(hù)作用具有實(shí)際工程指導(dǎo)意義。

車(chē)輛工程；后防護(hù)裝置；有限元；強(qiáng)度分析

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，汽車(chē)保有量呈現(xiàn)指數(shù)形式的增長(zhǎng)。汽車(chē)走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，成為居民出行的首選。但在汽車(chē)數(shù)量急劇增長(zhǎng)的同時(shí)，人們也逐漸認(rèn)識(shí)到汽車(chē)所帶來(lái)的負(fù)面影響，我國(guó)每年因交通事故死亡的人數(shù)逐年上升，汽車(chē)安全問(wèn)題成為無(wú)法規(guī)避的現(xiàn)實(shí)。汽車(chē)的后下部防護(hù)是汽車(chē)被動(dòng)安全的一個(gè)重要指標(biāo)，它是指專(zhuān)門(mén)的后下部防護(hù)裝置或者依靠自身的外形與特性能夠具有后下部防護(hù)裝置功能的車(chē)輛的車(chē)體、車(chē)架部件或其他部件。通常是有橫梁組成的安裝或連接在車(chē)架邊梁或車(chē)輛其他結(jié)構(gòu)上。GB11567.2—2001《汽車(chē)和掛車(chē)后下部防護(hù)要求》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《要求》)對(duì)汽車(chē)的后防護(hù)距離地面的高度及強(qiáng)度做了強(qiáng)制性要求[1-2]。

筆者以國(guó)內(nèi)重型車(chē)輛常用的后防護(hù)裝置為研究對(duì)象，借助CAE分析手段對(duì)該裝置進(jìn)行分析、改進(jìn)，使其強(qiáng)度達(dá)到法規(guī)要求。通過(guò)多種結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比分析，提出了能夠滿(mǎn)足國(guó)家法規(guī)要求的較佳設(shè)計(jì)方案，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了重要參考依據(jù)。強(qiáng)度分析結(jié)果表明，利用CAE軟件進(jìn)行汽車(chē)碰撞研究可以改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高汽車(chē)的被動(dòng)安全性能，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 靜態(tài)加載試驗(yàn)

《要求》針對(duì)后防護(hù)裝置的強(qiáng)度設(shè)計(jì)了一個(gè)靜態(tài)加載試驗(yàn)。

1.1 車(chē)輛試驗(yàn)條件

1)車(chē)輛應(yīng)處于空載狀態(tài)，固定在水平、平坦、剛性、平滑的平面上。

2)前輪處于直線(xiàn)行駛位置。

3)輪胎應(yīng)充氣到車(chē)輛制造商所推薦的壓力。

4)為了達(dá)到加載方式(兩點(diǎn)加載100 kN，三點(diǎn)加載25 kN)所規(guī)定的試驗(yàn)力，應(yīng)按照車(chē)輛制造商指定的方法制動(dòng)車(chē)輛。

5)裝備有液壓氣動(dòng)、液壓或氣壓懸架或根據(jù)負(fù)載自動(dòng)平衡的裝置的車(chē)輛應(yīng)處于車(chē)輛制造商規(guī)定的正常運(yùn)行狀態(tài)下。

1.2 試驗(yàn)程序

1.2.1 加載點(diǎn)的位置

在后下部防護(hù)裝置橫梁結(jié)構(gòu)的中心平面上截取5個(gè)載荷作用點(diǎn)，編號(hào)從1～5，如圖1。5個(gè)載荷作用點(diǎn)位于同一水平面上，并且其離地面的高度為：對(duì)于后下部防護(hù)裝置的狀態(tài)可以調(diào)節(jié)的車(chē)輛，加載點(diǎn)的中心距離地面的高度不能超過(guò)500 mm；對(duì)于后下部防護(hù)裝置的狀態(tài)不能調(diào)節(jié)的車(chē)輛，加載點(diǎn)的中心距離地面的高度不能超過(guò)600 mm。

圖1 加載點(diǎn)位置示意Fig.1 Load point location

1.2.2 加載方式

加載試驗(yàn)有兩點(diǎn)加載和三點(diǎn)加載之分，兩點(diǎn)加載時(shí)在橫梁中間點(diǎn)往外各350～500 mm之間的兩點(diǎn)(即點(diǎn)2和點(diǎn)4)加載荷大小為100 kN靜態(tài)力；三點(diǎn)加載時(shí)以載荷大小為25 kN的靜態(tài)力持續(xù)作用于圖1中左側(cè)作用點(diǎn)(點(diǎn)1)或右側(cè)作用點(diǎn)(點(diǎn)5)上，然后持續(xù)作用在車(chē)輛縱向中心平面上的加載點(diǎn)(點(diǎn)3)。

2 后防護(hù)裝置有限元模型的建立

筆者所討論的后防護(hù)裝置分析流程為：在CATIA中建立后防護(hù)裝置的3D模型，將其導(dǎo)入到專(zhuān)業(yè)前處理軟件HyperMesh中進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分、部件連接等工作，最后將有限元模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行計(jì)算[3-4]。

2.1 3D裝配模型的建立

如圖2為常用后防護(hù)裝置CATIA裝配模型。它由左右支撐總成、左右加強(qiáng)板、槽型橫梁組成。左右支撐總成通過(guò)鉚釘鉚接在車(chē)架縱梁上、左右加強(qiáng)板與槽型橫梁以及加強(qiáng)板與左右支撐總成均通過(guò)螺栓連接。

圖2 后防護(hù)裝置裝配模型Fig.2 Rear defend device assembly model

2.2 網(wǎng)格的劃分

將三維實(shí)體模型導(dǎo)入有限元前處理軟件HyperMesh中。由于該結(jié)構(gòu)厚度遠(yuǎn)小于其他方向的尺寸，為縮小計(jì)算規(guī)模，決定采用殼單元進(jìn)行分析。對(duì)各個(gè)部件抽取中面后劃分2D網(wǎng)格。

2.3 有限元模型的連接方法

在對(duì)每個(gè)零件劃分網(wǎng)格之后，按照實(shí)際裝配情況對(duì)有限元模型進(jìn)行連接。軟件HyperMesh提供了多種連接方式，如螺栓連接、焊接等。螺栓連接是通過(guò)剛性單元與彈性梁?jiǎn)卧慕M合完成的，連接示意如圖3。值得注意的是，采用這種方法后，孔邊緣的節(jié)點(diǎn)自由度完全被限制，與實(shí)際變形情況不符，因此計(jì)算后此處應(yīng)力不予評(píng)價(jià)。根據(jù)圣維南原理，去除孔周邊單元后其他單元的應(yīng)力值是可信的。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格剖分，連接處理后可以得到完整的后防護(hù)裝置有限元模型，如圖4。

圖3 螺栓連接示意Fig.3 Bolt connection diagram

圖4 后防護(hù)裝置有限元模型Fig.4 Rear defend device finite element model figure

此總成共有9個(gè)零部件，模型全部采用殼單元，單元數(shù)135 954。前處理完后，要按法規(guī)要求施加約束及載荷，對(duì)于兩點(diǎn)加載方式，有限元模擬的處理方式是：左右支架與車(chē)輛螺栓連接孔固定，限制全部6個(gè)自由度，在點(diǎn)2和點(diǎn)4加載板上各施加100 kN的靜態(tài)力；對(duì)于三點(diǎn)加載方式，先后將25kN的靜態(tài)載荷加載到點(diǎn)1、點(diǎn)5、點(diǎn)3加載板上。因點(diǎn)1與點(diǎn)5對(duì)稱(chēng)，因此對(duì)于三點(diǎn)加載方式，筆者只討論加載點(diǎn)1和點(diǎn)3時(shí)的受力情況。加載板是一塊長(zhǎng)130 mm、高140 mm、厚度為10 mm的厚平板。

3 強(qiáng)度分析及改進(jìn)

將前處理好的有限元模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行求解計(jì)算。得到圖5的兩點(diǎn)加載方式及三點(diǎn)加載方式中加載點(diǎn)1、點(diǎn)3加載板下的后防護(hù)裝置應(yīng)力云圖[5-7]。

圖5 加載時(shí)原結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.5 Original structure of loading stress

由圖5可以看出，在三種加載方式下，該后防護(hù)裝置的最大應(yīng)力值分別達(dá)到647，550，238 MPa。而此結(jié)構(gòu)的材料屈服強(qiáng)度為355 MPa，前兩種加載方式下已超過(guò)最大屈服強(qiáng)度，此結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生永久變形，不利于行車(chē)安全。因此，采取一定措施加強(qiáng)此結(jié)構(gòu)變得非常迫切。

根據(jù)材料力學(xué)原理，要改善應(yīng)力較大區(qū)域的應(yīng)力值有兩個(gè)基本方法：①在不能改變外部受力的情況下增大應(yīng)力值較大區(qū)域的截面尺寸；②通過(guò)添加支撐或連接等方式減小傳遞到材料薄弱區(qū)的外力；③減少結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)材料不連續(xù)的概率，過(guò)渡區(qū)要光滑平順，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中甚至是奇異現(xiàn)象。

考慮成本問(wèn)題，對(duì)該裝置進(jìn)行改進(jìn)的條件是不重新開(kāi)模，即維持原結(jié)構(gòu)部件的外形，只是通過(guò)增加截面尺寸，在變形較大區(qū)域添加肋板的方法進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)原結(jié)構(gòu)三種加載方式下應(yīng)力云圖，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算，決定采用如下措施以減小該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值[8-9]：

1)在離地高度允許的前提下將槽型橫梁上移25 mm。

2)槽型橫梁加厚1 mm，并且在彎角處焊接幾個(gè)厚度為3 mm的加強(qiáng)筋(圖6)。

圖6 加強(qiáng)筋位置示意Fig.6 Stiffener location

修改模型后新裝置三種加載方式下應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。從圖7可以看到，改進(jìn)后整個(gè)裝置的最大應(yīng)力值均有不同幅度的降低，具體改進(jìn)幅度見(jiàn)表1。

圖7 加載時(shí)改進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.7 Improvement of loading structural stress

加載方式改進(jìn)前/MPa改進(jìn)后/MPa改善程度/%兩點(diǎn)加載64734047.41號(hào)板加載55028049.13號(hào)板加載23820016.0

5 結(jié) 論

筆者利用CATIA建立起重型車(chē)輛后防護(hù)裝置的三維模型，并利用HyperMesh建立了該裝置的有限元模型，按照相關(guān)法規(guī)要求進(jìn)行了三種加載方式下后防護(hù)裝置的靜強(qiáng)度計(jì)算。由于此后防護(hù)裝置達(dá)不到法規(guī)所規(guī)定的強(qiáng)度要求，因此針對(duì)應(yīng)力較大區(qū)域提出了改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)后的裝置進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)比改進(jìn)前該裝置的最大應(yīng)力，改進(jìn)后的裝置應(yīng)力大大降低，滿(mǎn)足了法規(guī)的要求。

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Finite Element Strength Analysis of Automotive Rear Defend Device

Liu Shaohua1, Fang Ya1, Lu Jilei2, Chen Long3

(1. School of Automobile Engineering, Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, Jiangsu, China; 2. Nanjing Automobile Manufacturing Co. Ltd. Xugong, Nanjing 210012, Jiangsu, China; 3. School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

Based on the national statute GB11567.2—2001, the static loading test was designed based on the strength of a prevalent rear defend device. CATIA software was used to create a 3D model of the automotive rear defend device. Through the HyperMesh and ANSYS software the strength of this device was calculated. The comparative analysis of static strength was done with different loading methods. Thus a new improved design of defend device was proposed, which has practical engineering significance for enhancing the structural design and of the protective effect of passive collision occupant safety.

vehicle engineering;rear defend device; finite element; strength analysis

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.29

2013-03-26；

2013-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50905078)

劉勺華(1982—)，男，山東臨沂人，講師，碩士，主要從事車(chē)輛動(dòng)態(tài)性能模擬與控制方面的研究。E-mail：yantailiushaohua@163.com 。

TP391.9

A

1674-0696(2015)02-137-04