謝文輝

摘? ?要：汽車輕量化為節(jié)能減排作出了巨大貢獻，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)格類型進行有限元分析，后處理時最大節(jié)點應力以及此網(wǎng)格單元的最大積分點應力也會有差異。結果顯示，網(wǎng)格密度、積分點數(shù)量的變化對積分點應力的變化相對更小。

關鍵詞：塑料離合踏板臂;Tetrahedron網(wǎng)格;節(jié)點應力;積分點應力

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，在部分合資原始設備制造商（Original Equipment Manufacture，OEM）中得到了平臺化的應用，而以吉利、長城等為代表的自主品牌，也在積極導入。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，以及注塑成型缺陷的影響，以下幾點技術要求需要特別關注：滿足人機工程學（翹曲變形）、確保滿足長期工況（強度）、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行踏板臂縱向強度實驗項評估時，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，探究后處理結果中節(jié)點應力和積分點應力的區(qū)別，為CAE工程師提供參考。

2? ? 產品描述

2.1? 結構描述

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、踏板臂的復位彈簧[1]。

塑料離合踏板臂為注塑成型生產零件，而零件壁厚是不均勻設計的。假如在Moldflow中進行模流分析其密度，可以看到：芯層厚度高的區(qū)域注塑結束后密度較低，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品因注塑成型缺陷而導致性能不足。

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度實驗來評估其強度。每個OEM根據(jù)其平臺設計指標的不同，設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進行連接，踏板臂通過限位桿限制踏板臂的運動角度、彈簧進行復位[2]。

在此實驗條件下，在載荷達到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構的影響。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來進行對比。結合積分點數(shù)量和網(wǎng)格密度兩個變量，進行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中進行。

材料使用40份玻纖增強的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準的金屬材料進行定義，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)進行接觸對的建立后，進行仿真分析[4]。

3.3? 結果處理

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

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

這時，查詢上述6個模型的云圖結果斷裂（最大節(jié)點應力）位置網(wǎng)格的積分點應力，從表1可以發(fā)現(xiàn)，最大節(jié)點應力是隨著積分點數(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;最大積分點應力隨著積分點數(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，最大積分點應力也沒呈現(xiàn)出明顯變化規(guī)律。

4? ? 結語

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

通過此案例可以得知：（1）Mises應力結果在云圖上顯示，默認為節(jié)點應力值，而最大節(jié)點應力值的變化與網(wǎng)格積分點數(shù)目成明顯的正比關系，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)點應力單元進行查詢，最大積分點應力值與網(wǎng)格劃分密度、網(wǎng)格積分點數(shù)目都沒有明顯的關聯(lián)。

[參考文獻]

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

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

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

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