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        淺談塑料離合踏板臂使用Tetrahedron有限元網(wǎng)格的后處理

        2019-09-10 07:22:44謝文輝
        現(xiàn)代鹽化工 2019年3期
        關(guān)鍵詞:后處理踏板云圖

        謝文輝

        摘? ?要:汽車輕量化為節(jié)能減排作出了巨大貢獻(xiàn),而“以塑代鋼”是輕量化中很常用的途徑。有限元分析作為“以塑代鋼”中一個非常重要的評估工具,約束其分析準(zhǔn)確性的因素除了材料參數(shù)的定義、有限元分析模型的建立之外,還有有限單元網(wǎng)格的選擇。對于壁厚不均勻的塑料離合踏板臂,使用Tetrahedron網(wǎng)格類型進(jìn)行有限元分析,后處理時最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力以及此網(wǎng)格單元的最大積分點(diǎn)應(yīng)力也會有差異。結(jié)果顯示,網(wǎng)格密度、積分點(diǎn)數(shù)量的變化對積分點(diǎn)應(yīng)力的變化相對更小。

        關(guān)鍵詞:塑料離合踏板臂;Tetrahedron網(wǎng)格;節(jié)點(diǎn)應(yīng)力;積分點(diǎn)應(yīng)力

        1? ? 概述

        在汽車輕量化中,塑料離合踏板臂是“以塑代鋼”非常典型的案例,在部分合資原始設(shè)備制造商(Original Equipment Manufacture,OEM)中得到了平臺化的應(yīng)用,而以吉利、長城等為代表的自主品牌,也在積極導(dǎo)入。對于整個踏板模塊而言,其發(fā)展軌跡為全金屬方案—混合型方案—全塑料方案。

        離合踏板臂從金屬換成塑料方案后,由于其高分子材料本質(zhì),以及注塑成型缺陷的影響,以下幾點(diǎn)技術(shù)要求需要特別關(guān)注:滿足人機(jī)工程學(xué)(翹曲變形)、確保滿足長期工況(強(qiáng)度)、確保滿足長期使用穩(wěn)定性(疲勞耐久)、高低溫環(huán)境下正常使用(高低溫循環(huán))、良好的耐腐蝕性。

        在滿足空間要求的前提下進(jìn)行踏板臂縱向強(qiáng)度實驗項評估時,有限元軟件里面除了材料參數(shù)定義、有限元模型的建立對仿真結(jié)果有很大影響之外,如何選擇網(wǎng)格類型、如何利用后處理進(jìn)行評估也是非常重要的。本文使用了Tetrahedron網(wǎng)格分析,探究后處理結(jié)果中節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和積分點(diǎn)應(yīng)力的區(qū)別,為CAE工程師提供參考。

        2? ? 產(chǎn)品描述

        2.1? 結(jié)構(gòu)描述

        圖1為一個離合踏板模塊實例,主要零件包括塑料離合踏板臂與組成離合踏板支架的鈑金件,以及連接兩者的螺栓、踏板臂的復(fù)位彈簧[1]。

        塑料離合踏板臂為注塑成型生產(chǎn)零件,而零件壁厚是不均勻設(shè)計的。假如在Moldflow中進(jìn)行模流分析其密度,可以看到:芯層厚度高的區(qū)域注塑結(jié)束后密度較低,現(xiàn)實體現(xiàn)為芯層有縮孔缺陷。為降低注塑成型缺陷對零件性能的影響,注塑過程需要保證“產(chǎn)品密度高”,注塑工藝上體現(xiàn)為高背壓、高保壓壓力和長保壓時間等,利用優(yōu)化的注塑成型工藝來避免產(chǎn)品因注塑成型缺陷而導(dǎo)致性能不足。

        2.2? 工況描述

        為確保滿足長期使用工況,OEM會通過踏板臂縱向強(qiáng)度實驗來評估其強(qiáng)度。每個OEM根據(jù)其平臺設(shè)計指標(biāo)的不同,設(shè)定的載荷大小也不一樣。對此案例討論的離合踏板模塊,加載位置選定踏板臂表面幾何中心、垂直于踏板臂表面加載。踏板模塊主要靠踏板支架底座與BIW進(jìn)行連接,踏板臂通過限位桿限制踏板臂的運(yùn)動角度、彈簧進(jìn)行復(fù)位[2]。

        在此實驗條件下,在載荷達(dá)到2 000 N時,踏板臂會在圖1所示位置發(fā)生斷裂失效。

        3? ? 有限元仿真

        3.1? 網(wǎng)格選擇

        有限元仿真的網(wǎng)格選擇,很大程度上受到零件結(jié)構(gòu)的影響。由于塑料踏板臂整體壁厚不均勻,同時考慮到網(wǎng)格生成的可能性以及仿真時間成本,選擇如圖2所示的Tetrahedron網(wǎng)格[3],采用C3D4以及C3D10M兩種積分點(diǎn)形式作為對比。

        網(wǎng)格密度則選擇使用單元尺寸為1.5 mm、2.3 mm和3.0 mm來進(jìn)行對比。結(jié)合積分點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)格密度兩個變量,進(jìn)行6組有限元仿真分析。

        3.2? 建模說明

        參考離合踏板臂實際實驗情況,對離合踏板臂表面施加2 000 N載荷,而踏板支架底座與BIW連接處需約束6自由度,如圖3所示;另外,需保證踏板臂模型已轉(zhuǎn)動到其實際工作的極限角度,且限位槽處約束Z方向的自由度。以上工作全在Abaqus中進(jìn)行。

        材料使用40份玻纖增強(qiáng)的PA66,輸入其在平衡時態(tài)時測定的真實Stress-Strain曲線;組成踏板臂支架的其余鈑金零件可以使用標(biāo)準(zhǔn)的金屬材料進(jìn)行定義,如彈性模量2.10e+11 N/m2、泊松比0.30、密度7.85e+3 kg/m3。

        保證材料、邊界條件完成之后,使用Static,General的求解器,離合踏板模塊零件之間使用0.3摩擦系數(shù)進(jìn)行接觸對的建立后,進(jìn)行仿真分析[4]。

        3.3? 結(jié)果處理

        如圖3所示,無論用哪一種網(wǎng)格類型、網(wǎng)格密度,產(chǎn)品應(yīng)力最大點(diǎn)位置與現(xiàn)實斷裂位置相符合,不同的地方在于應(yīng)力值的大小。

        眾所周知,Mises應(yīng)力在云圖顯示結(jié)果為最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。在這里選取一個云圖結(jié)果中Mises應(yīng)力最大的網(wǎng)格進(jìn)行Probe values查詢,可以發(fā)現(xiàn),云圖上所顯示結(jié)果其實為節(jié)點(diǎn)應(yīng)力,而用Probe values去查詢的結(jié)果為積分點(diǎn)應(yīng)力。一般來說,有多少個積分點(diǎn),就會有多少個積分點(diǎn)應(yīng)力,最大的結(jié)果可以稱為最大積分點(diǎn)應(yīng)力。

        這時,查詢上述6個模型的云圖結(jié)果斷裂(最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力)位置網(wǎng)格的積分點(diǎn)應(yīng)力,從表1可以發(fā)現(xiàn),最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力是隨著積分點(diǎn)數(shù)量的增加而大幅度增加,但隨著網(wǎng)格密度的增加卻沒呈現(xiàn)出明顯變化規(guī)律;最大積分點(diǎn)應(yīng)力隨著積分點(diǎn)數(shù)量的增加沒有呈現(xiàn)出明顯變化規(guī)律,而隨著網(wǎng)格密度的增加,最大積分點(diǎn)應(yīng)力也沒呈現(xiàn)出明顯變化規(guī)律。

        4? ? 結(jié)語

        此案例討論的塑料離合踏板臂,由于采用不均勻壁厚進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,考慮到網(wǎng)格劃分的難度以及成本,選擇Tetrahedron進(jìn)行網(wǎng)格劃分可以大大節(jié)約設(shè)計開發(fā)成本。但在結(jié)果后處理時,CAE工程師可能會對該如何評判Mises應(yīng)力結(jié)果產(chǎn)生疑惑。

        通過此案例可以得知:(1)Mises應(yīng)力結(jié)果在云圖上顯示,默認(rèn)為節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值,而最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值的變化與網(wǎng)格積分點(diǎn)數(shù)目成明顯的正比關(guān)系,而隨著網(wǎng)格密度的增加卻沒有很大的變化。(2)對最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力單元進(jìn)行查詢,最大積分點(diǎn)應(yīng)力值與網(wǎng)格劃分密度、網(wǎng)格積分點(diǎn)數(shù)目都沒有明顯的關(guān)聯(lián)。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1]徐石安,江發(fā)潮.離合器設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

        [2]黃從奎,楊允輝,喻少高.扭轉(zhuǎn)彈簧在助力式離合踏板中的應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù),2015(12):108-111.

        [3]HIBBITT,KARLSSON,SORENSEN,et al.ABAQUS/standard user’s manual version 6.14[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

        [4]馬? ?成,汪? ?江,李光明.離合踏板力優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2015,53(4):71-73.

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