汽車車身件強度失效問題的解決方案【轉發(fā)】

2018-04-14  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

車身部件強度分析是CAE技術在汽車工程中應用最廣泛的一塊,但是一旦發(fā)生強度失效問題,如何解決就成了一個十分棘手的事情。本文以某發(fā)動機懸置支架為例,在理論分析的基礎上,主要基于Altair HyperWorks軟件,給出了一系列的解決方案。最終,將其最大應力控制在合理的范圍內。

汽車結構強度是保證汽車安全性、可靠性的重要指標,因此汽車結構強度分析也是CAE技術在汽車工程中應用最廣泛的方面。通過靜力分析可以得到結構的應力、位移分布情況,通過這些分布情況可以判斷結構在工作載荷作用下是否安全、可靠,結構的哪些部位會產生應力集中,哪些部位強度不夠,以便對結構進行改進設計。本文將從CAE仿真應用角度結合理論分析和工程實踐,給出解決車身強度問題的方法和思路。

1強度分析理論

車身構件強度失效的主要形式是出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,即出現(xiàn)塑性變形。相應的強度條件為:

那么,要評價車身某個部件是否失效,只要確定危險點的應力狀態(tài)σmax、該工況的安全系數(shù)n和材料的屈服極限σs即可。顯然,后兩項是可以通過手冊和經驗給出的,唯一需要確定的就是σmax。對于以鋼為主要材料的車身部件,采用材料力學中的形狀改變比能的強度理論能較全面且真實的評價復雜應力狀態(tài)下部件是否失效[1]。該理論假設無論什么應力狀態(tài),只要形狀改變必能uf達到與材料性質有關的某一極限值,材料就發(fā)生屈服。其計算結果與幾種塑性材料,如鋼、銅、鋁等薄管試驗資料相當吻合。適用于車身件的強度分析,其數(shù)學表達為:

2車身強度失效分析實例

下面我們將以某款轎車發(fā)動機右側懸置支架作為分析對象,在HyperMesh建立車身前部有限元分析模型(圖1)。該模型中包含節(jié)點211,068個,單元220,366個,其中焊點單元使用CWELD進行模擬。

圖1 分析對象建模

計算工況的確定:主要考察該支架在汽車上跳、制動和轉向時能否承受發(fā)動機的負荷,相關的量值已通過多體動力學軟件計算得出(表1)。

表1 分析工況

將其反力作為輸入,添加到發(fā)動機懸置的三個支撐點,使用Radioss/Linear求解后,我們選用上文提到的形狀改變比能法查看構件的σmax,分別為237.1MPa(Bump Up工況,圖2)、71.2MPa(Braking工況)和36.8MPa(Cornering工況)。由于所分析工況均為疲勞工況,按照經驗設定安全系數(shù)n=1.75,進一步求出材料的許用應力[σ]=120MPa。使用公式(1),對比后發(fā)現(xiàn)Bump Up工況下的應力值嚴重超標。下面我們將針對該工況進行討論,探索強度失效問題的一些解決方案。

圖2 HyperView查看Bump Up工況應力云圖

3車身強度失效解決方案

要想徹底解決強度問題,就應該從強度評價準則入手,找尋突破口。公式(1)給出了一些思路,要么提高材料許用應力,要么降低構件的最大應力,進一步可以推廣出以下三種解決方案:

1) 提高材料的屈服極限σs,進而提高許用應力。

2) 降低安全系數(shù)n,同樣為了提高許用應力。

3) 降低構件的σmax。

方案1

顯然,這是最簡單也是最有效的方法。使用高強度的鋼材,不僅能提高構件強度,同時也是解決輕量化問題的一個有效途徑。為了適應汽車輕量化的要求[2],迎接其他輕質汽車材料的挑戰(zhàn),90年代起,世界各著名鋼廠聯(lián)合開展了超輕鋼汽車車身項目(ULSAB),其樣車車身應用高強度和超高強度鋼板比例大于90%,其中又有50%采用激光拼焊鋼板,并配以液壓成型技術,車身結構比同類車型的平均水平減重25%,車身抗扭和抗彎剛度分別提高80%和52%。由此可見,高強度材料的引入將起到事半功倍的效果。

具體到我們這個例子,如果支架采用DP500這種先進高強度鋼板(AHSS),其許用應力[σ]為400MPa,強度失效會順利解決。但是,采用高強度鋼要受利潤空間、工藝加工條件等其他因素制約,因此還需綜合考慮。

方案2

安全系數(shù)法所涉及的是汽車可靠性方面的研究。傳統(tǒng)的安全系數(shù)法借助經典材料力學公式來計算機械零件的應力值,進而求出該材料的安全系數(shù)值。其特點是將載荷、應力、尺寸等因素視為常量,安全系數(shù)的大小根據(jù)以往設計經驗確定。目前,這種方法仍較廣泛地應用于機械產品設計中。但是由于其未考慮截面上應力分布的不均勻性、截面變化處的應力集中、表面粗糙度的影響、加工的殘余應力以及零件尺寸大小等因素,設計者只能選擇一個加大的安全系數(shù)來保證設計的可靠性。顯然,確定一個更加合理、有效的安全系數(shù)作為強度分析指標,將對優(yōu)化設計和減重分析起到重要作用。

目前,有關的研究正在開展,出現(xiàn)了諸如基于概率事件的可靠性分析法和綜合分析法。前者將應力分布、強度分布、標準差等設計參數(shù)作為隨機變量予以考慮,從而比較真實地反映了工程實際,使產品設計更經濟、更安全、更可靠;但由于此方法是基于大量統(tǒng)計樣本的基礎上,因此其真正推廣還有待時日。

綜合分析法是將制造工藝的影響——冷塑硬化、殘余應力等——引入到結構分析中去,提高結構分析精度,于是就可以使用相對較低的安全系數(shù)值進行評價,該方法的瓶頸在于能否對工藝過程進行準確仿真。鑒于上述方法還處于研究階段,本文中選取的安全系數(shù)還是基于傳統(tǒng)方法,考慮此支架所受疲勞載荷,根據(jù)經驗選擇了相對保守的數(shù)值。

方案3

這里的降低部件最大應力σmax是一個很復雜的工作。我們知道車身構件所受外力不是某個規(guī)則方向的,而往往是任意方向(如本例中Cornering工況,F與X軸成86.1°,Y軸成61.1°,Z軸成29.2°),這就決定了構件在此外力下的變形形式為組合型。所以,要改善其應力狀況,也就是要合理引導變形,經過長期工作實踐,筆者總結出了以下幾種方法:

基礎篇 改變料厚

改變料厚的實質是增加構件自身剛度,增強抗變形能力,進而達到改善應力狀況的目的。為了研究厚度對結構性能的貢獻,我們做了一個簡化模型加以說明(見圖3)。

相應的計算結果都列在表2中,通過對比,我們可以發(fā)現(xiàn):厚度增加對結構強度有一定貢獻,尤其對厚度方向貢獻最大。再回到本例中的懸置支架,如果將其厚度由2.0mm增加到3.5mm,強度問題就可以解決(圖4)。但采用此方法應注意協(xié)調空間結構、重量限制等要求,不能顧此失彼。

表2 厚度對強度影響

進階篇 改變連接關系

對于車身構件來說,連接關系的變更意味著力的傳遞路徑被改變了,進而影響了構件受外載后的變形姿態(tài)。工程中最常見的應用,就是當某焊點周圍存在高應力時,我們會在符合工藝要求的前提下在其附近適當添加焊點,以期分解外力,改善構件受力條件。本例中為了改善圖2圓圈所示位置高應力,去除折彎處的一個焊點(圖5所示位置),釋放該處約束,改善支架變形狀態(tài)。最終得出的最大應力為191.9MPa,比最初結果降低了19%,效果顯著。

高級篇 改變結構形式

之所以將其稱為高級篇,是因為結構形式的變更除滿足強度需求外,還受設計、工藝等要求的制約,實為理論與實踐緊密結合、多學科綜合交叉互動的復雜過程。大量的工程經驗是其的必要法門。當然,萬事萬物皆有其法,從根源上講,其精髓歸結起來就是四個字“見招拆招”。如本文中的支架,其左側加載點距離邊界較近,進而導致邊界處受拉產生較大應力,通過與設計部門溝通,將邊界位置圓角適當加大,強度問題有所改善。另外,對于某些薄弱位置,我們還可以采用局部加強的方案,如局部采用加筋改善剛度,局部用加強件等(見圖6),均可在一定程度緩解強度失效問題。當然,如前面所述,結構的改變涉及很多方面,要有法有度,這樣才能真正解決工程問題。最終結果對比詳見表3,在以上各種方法的綜合作用下,支架強度問題得以順利解決,目前實車驗證未產生問題。

圖6 (從左至右、從上到下)修改圓角示意,添加加強筋示意,局部加強件示意,最終應力云圖

表3 結果對比

4結語

“CAE Lead Design”一直是CAE人的夢想,但真正要做到主導設計還有許多工作要做。當今的中國在CAE領域雖然起步較晚,但起點卻比國外同行高很多,就汽車工程而言,以Altair HyperWorks為平臺,結合其它CAE軟件,可以涵蓋了結構、安全、流場、噪聲、加工制造、耐久性、動力學等多個領域。相信只要所有的CAE工程師都能不斷積累,不停開拓,“CAE Lead Design” 是指日可待的!

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