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        基于Hypermesh有限元分析的外飾塑件輕量化設(shè)計(jì)

        2016-05-30 10:48:04潘杰花
        企業(yè)科技與發(fā)展 2016年4期
        關(guān)鍵詞:塑件輕量化有限元

        (上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司,廣西 柳州 545007)

        【摘 要】文章提出基于Hypermesh有限元分析的外飾塑件輕量化設(shè)計(jì)方法,以某企業(yè)前蒙皮進(jìn)氣格柵為例,提出基于感知質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和有限元分析的輕量化流程,通過(guò)剛度有限元分析和感知質(zhì)量評(píng)估,確定優(yōu)化方案,并對(duì)輕量化后的前蒙皮進(jìn)氣格柵進(jìn)行各項(xiàng)性能的評(píng)估,在保證輕量化后力學(xué)性能和感知質(zhì)量不降低的前提下,減重效果顯著,同時(shí)節(jié)約了成本。該方法應(yīng)用于某企業(yè)汽車(chē)生產(chǎn),驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

        【關(guān)鍵詞】Hypermesh;有限元;塑件;輕量化

        【中圖分類(lèi)號(hào)】U463.83 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688(2016)04-0025-05

        0 引言

        隨著人們生活水平的不斷提高,汽車(chē)在人們的生活和工作中扮演著舉足輕重的作用。汽車(chē)保有量與日俱增,帶來(lái)了能源短缺、環(huán)境污染等一系列日益突出的問(wèn)題,節(jié)能、環(huán)保已成為世界汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域面臨的兩大棘手問(wèn)題。而汽車(chē)輕量化已經(jīng)成為各國(guó)推進(jìn)汽車(chē)行業(yè)節(jié)能減排的主要手段之一,對(duì)于車(chē)身鈑金件的輕量化研究有很多,應(yīng)用CAE等分析工具也是常采用的手段。例如,劉金釗等人以一款低速電動(dòng)乘用車(chē)為研究對(duì)象,提出了基于一維搜索的車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)方法,對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。對(duì)于塑件而言,大部分學(xué)者和企業(yè)都關(guān)注原材料[2],對(duì)于塑料零件結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)研究不多。而外觀塑料零件除了擔(dān)負(fù)起相應(yīng)的功能之外,還要求外觀感知質(zhì)量要好。目前,外觀塑件的輕量化研究不多,采用有限元分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)外觀塑料零件輕量化設(shè)計(jì)的研究更是鮮見(jiàn)。

        本文以某汽車(chē)企業(yè)某款轎車(chē)前蒙皮進(jìn)氣格柵為例,采用Hypermesh有限元分析,對(duì)前蒙皮進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)在不同工況下進(jìn)行剛度分析,找出滿(mǎn)足感知、剛度及輕量化要求的平衡點(diǎn),實(shí)現(xiàn)前蒙皮進(jìn)氣格柵的輕量化設(shè)計(jì),研究外觀塑料零部件輕量化。

        1 有限元分析理論

        前蒙皮進(jìn)氣格柵處于前蒙皮總成正中部位置,在車(chē)輛受到外部碰撞時(shí),前蒙皮進(jìn)氣格柵要有彈性變形以保護(hù)后部零件不受撞壞的能力。同時(shí),前蒙皮進(jìn)氣格柵是網(wǎng)格狀,客戶(hù)在看車(chē)時(shí),都喜歡下意識(shí)地用手拉網(wǎng)格,如果網(wǎng)格剛度弱,就會(huì)讓客戶(hù)感覺(jué)缺少安全感,滿(mǎn)意度下降。無(wú)論是功能方面還是感知質(zhì)量方面,都要求前蒙皮進(jìn)氣格柵有足夠的剛度。

        運(yùn)用有限元法進(jìn)行例如前蒙皮進(jìn)氣格柵等塑件剛度問(wèn)題的分析求解時(shí),可將零件看成彈性體,計(jì)算出功和能[3]。在載荷作用下,彈性體體內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài),可分成6個(gè)應(yīng)力分量表示,應(yīng)力分量及其正方向如圖1所示。

        1.1 應(yīng)變與位移的關(guān)系——幾何方程

        1.1.1 單向應(yīng)變狀態(tài)

        (1)

        1.1.2 雙向應(yīng)變狀態(tài)

        (2)

        1.1.3 三向應(yīng)變狀態(tài)

        (3)

        1.2 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系——物理方程

        1.2.1 單向應(yīng)力狀態(tài)

        σx=Eεx(4)

        1.2.2 雙向應(yīng)力狀態(tài)

        (5)

        (6)

        (7)

        1.2.3 三向應(yīng)力狀態(tài)

        (8)

        (9)

        (10)

        (11)

        (12)

        (13)

        1.3 虛功原理

        分析系統(tǒng)中,虛功原理要求接受分析的零部件結(jié)構(gòu)在施加約束和承受內(nèi)外力的作用下處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)[3],虛功原理如公式(14)所示:

        Wext=Wint(14)

        在計(jì)算分析前期處理時(shí),施加約束能夠允許結(jié)構(gòu)有微小的變形位移,外力方向沒(méi)有變化,結(jié)構(gòu)依然處于平衡狀態(tài),這個(gè)變形位移我們稱(chēng)之為虛位移。

        2 基于感知質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和有限元分析的輕量化流程圖

        前蒙皮進(jìn)氣格柵為滿(mǎn)足散熱器和重量器等空電零件進(jìn)氣量需求,都要有開(kāi)孔,但是同時(shí)又不能外露太多后部零件。因此,在滿(mǎn)足剛度和輕量化需求的同時(shí),要滿(mǎn)足后部零件外露靜態(tài)感知質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

        靜態(tài)感知質(zhì)量是指在車(chē)輛未啟動(dòng)狀態(tài)下,客戶(hù)能感知(包含看、聽(tīng)、摸、聞)到的質(zhì)量,是給客戶(hù)最大程度的愉悅質(zhì)量。它用于評(píng)價(jià)車(chē)輛是否滿(mǎn)足制造質(zhì)量要求。

        某汽車(chē)企業(yè)車(chē)輛前部感知質(zhì)量評(píng)審視野標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。

        感知質(zhì)量評(píng)審視野要求:人在離車(chē)頭最外端2 m處面對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象站立,以5%女性站立眼球高度、95%男性站立眼球高度來(lái)評(píng)價(jià)眼球高度,女性取1 420 mm,男性取1 820 mm。

        對(duì)于格柵網(wǎng)格類(lèi)造型進(jìn)氣格柵后部零件外露感知標(biāo)準(zhǔn),從設(shè)計(jì)角度來(lái)看更為嚴(yán)格,除滿(mǎn)足在感知質(zhì)量評(píng)審視野范圍內(nèi)的美觀要求外,還要滿(mǎn)足以下標(biāo)準(zhǔn):以網(wǎng)格最低點(diǎn)做平行于地面(整車(chē)坐標(biāo)X軸)的直線,命名X線,OA線是與X線有30°夾角的線,在X線和OA線之間的區(qū)域(紅斜線)為格柵后面可見(jiàn)區(qū)域,OA線以下為不可見(jiàn)(如圖3所示)。網(wǎng)格后部零件感知評(píng)價(jià)要求下端網(wǎng)格翻邊邊界在OA線以上。

        本文提出外觀塑料零件輕量化簡(jiǎn)要思路如圖4所示,首先利用有限元分析確定目標(biāo)零部件,建立尺寸優(yōu)化函數(shù)計(jì)算零部件剛度,然后依據(jù)約束條件和感知質(zhì)量評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)估。

        3 實(shí)例應(yīng)用研究

        3.1 幾何模型建立

        采用軟件UG9.0完成前蒙皮進(jìn)氣格柵的幾何建模工作。前蒙皮進(jìn)氣格柵整體外觀如圖5所示,由造型A面得出的數(shù)據(jù),前蒙皮進(jìn)氣格柵網(wǎng)格X向的厚度約20 mm(如圖6所示)。網(wǎng)格X向的深度較深,進(jìn)氣格柵比較厚實(shí),強(qiáng)度高度均好,客戶(hù)感知較高;但是,前蒙皮進(jìn)氣格柵網(wǎng)格X向深度深帶來(lái)的是重量大的后果,因此要在滿(mǎn)足感知的和剛度的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)更改。

        根據(jù)靜態(tài)感知質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行數(shù)據(jù)上的評(píng)估發(fā)現(xiàn),前蒙皮進(jìn)氣格柵6根網(wǎng)格中,X向深度最小為13.5 mm、最大為15.6 mm,即可滿(mǎn)足外觀感知要求(如圖7所示)。因此,設(shè)計(jì)者選取網(wǎng)格深度20 mm、15 mm、10 mm進(jìn)行剛度分析。

        3.2 基于Hypermesh的有限元模擬分析及結(jié)果

        前蒙皮進(jìn)氣格柵作為前蒙皮總成的一個(gè)子集零件,要與前蒙皮總成作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。采用Hypermesh為有限元前處理器,求解器為nastran。將不同網(wǎng)格深度的前蒙皮進(jìn)氣格柵網(wǎng)格的3D幾何模型導(dǎo)入分析軟件,前蒙皮進(jìn)氣格柵的具體尺寸為941 mm×160 mm×96 mm,前蒙皮總成與前蒙皮進(jìn)氣格柵材料屬性見(jiàn)表1,定義單元類(lèi)型。分析模型包括前保、格柵、部分前車(chē)架,霧燈總成用質(zhì)量點(diǎn)模擬。同時(shí),將前蒙皮進(jìn)氣格柵與前蒙皮總成連接面進(jìn)行全約束(如圖8所示)。

        根據(jù)汽車(chē)行駛時(shí)前蒙皮進(jìn)氣格柵受力實(shí)際情況和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),前蒙皮進(jìn)氣格柵剛度目標(biāo)>20 N/mm,剛度分析設(shè)置加載點(diǎn)4個(gè)點(diǎn)。本次分析分別在圖9所示的4個(gè)點(diǎn)施力,加載沿表面法線向下的100 N力(如圖10所示),加載面積為4 cm2。

        根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和前蒙皮進(jìn)氣格柵在實(shí)際車(chē)輛使用中的受力情況,分析設(shè)置3種工況,各種工況見(jiàn)表2。通過(guò)計(jì)算,得到不同X向網(wǎng)格深度、不同工況結(jié)果見(jiàn)表3。

        計(jì)算出3個(gè)方案4個(gè)受力點(diǎn)在不同工況下的剛度分析結(jié)果(見(jiàn)表4)。

        從剛度分析結(jié)果可以得出結(jié)論:方案1和方案2均滿(mǎn)足剛度要求,方案1最優(yōu),方案2次之,方案3不滿(mǎn)足要求。

        同時(shí),根據(jù)網(wǎng)格感知質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估不同方案后部零件可見(jiàn)性,結(jié)果如圖11所示??梢钥闯觯桨?和方案2的各級(jí)網(wǎng)格下端翻邊邊界在OA線以上,而方案3的各級(jí)網(wǎng)格下端翻邊邊界在OA線以下,不符合感知質(zhì)量要求。

        3.3 優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)

        根據(jù)上述分析結(jié)果,輕量化設(shè)計(jì)采用方案2。目標(biāo)車(chē)型優(yōu)化前后的前蒙皮進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度和感知質(zhì)量評(píng)估對(duì)比見(jiàn)表5。

        前蒙皮進(jìn)氣格柵最小剛度滿(mǎn)足要求,后部零件可見(jiàn)性評(píng)估也滿(mǎn)足感知要求,而前蒙皮進(jìn)氣格柵質(zhì)量下降28.91%,滿(mǎn)足了輕量化的設(shè)計(jì)要求。

        4 結(jié)論

        本文以目標(biāo)車(chē)型前蒙皮進(jìn)氣格柵為應(yīng)用對(duì)象,研究基于Hypermesh有限元分析的外飾塑件輕量化技術(shù),提出基于感知質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和有限元分析的輕量化流程;對(duì)原車(chē)前蒙皮進(jìn)氣格柵感知?jiǎng)偠群透兄|(zhì)量情況進(jìn)行研究,提出輕量化方案,并對(duì)輕量化后前蒙皮進(jìn)氣格柵質(zhì)量、剛度進(jìn)行評(píng)估,在保證輕量化后力學(xué)性能和感知質(zhì)量不降低的前提下,減重效果顯著,同時(shí)節(jié)約了成本。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [1]劉金釗,焦學(xué)健.基于一維搜索的車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2015,4(53):28-32.

        [2]王穎,王寧,陳占春,等.提高汽車(chē)塑料件強(qiáng)度的方法[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2015,2(253):50-52.

        [3]馮博.基于Hypermesh的某輕型客車(chē)中滑門(mén)剛度分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2013,4(51):2-5.

        [責(zé)任編輯:鐘聲賢]

        【作者簡(jiǎn)介】潘杰花,女,廣西賀州人,碩士,上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司工程師。

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