1. 引言

日益激烈的市場競爭已使各汽車公司越來越清楚地意識到：能比別人更快地推出優(yōu)秀的新產(chǎn)品，就能占領(lǐng)更多的市場。為此，有限元仿真分析作為能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的得力工具，被越來越頻繁地引入了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。

由于汽車在批量生產(chǎn)以后改進(jìn)設(shè)計(jì)的成本顯著地高于汽車在研發(fā)初期改進(jìn)設(shè)計(jì)的成本，所以，應(yīng)該從汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就開始用有限元仿真分析進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的隱患，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使有關(guān)部門可以只對一種較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試制和試驗(yàn)，減少試制、試驗(yàn)費(fèi)用，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，使新產(chǎn)品早日投入市場，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。

本文借助 Abaqus 軟件，運(yùn)用有限元仿真分析的方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就對某車型的蓄電池支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，預(yù)測結(jié)構(gòu)的性能，并根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖 1 某車型的蓄電池支架結(jié)構(gòu)圖

2. 有限元分析

2.1 分析模型

本次分析僅截取最關(guān)注的蓄電池支架進(jìn)行建模，支架采用 SHELL 單元模擬，單元數(shù)量14926，節(jié)點(diǎn)數(shù)量 16499，考慮支架的材料非線性，在蓄電池與壓板、支架之間分別建立接觸。有限元模型如下圖所示：

圖 2 有限元分析模型

2.2 分析數(shù)據(jù)

蓄電池的質(zhì)量為 17 Kg螺栓預(yù)緊力計(jì)算公式：

M=P*K*d*0.001

M 為擰緊力矩，P 螺栓預(yù)緊力，K 為擰緊扭矩系數(shù)，K=0.284，d 為螺紋直徑

螺栓擰緊力矩 M=7 N*M，螺栓直徑 d=6 mm,

通過以上公式可以計(jì)算出本次分析所用螺栓預(yù)緊力 P=4108 N。

2.3 邊界條件

約束蓄電池支架與縱梁連接位置 6 個方向自由度。在考慮蓄電池的安裝螺栓預(yù)緊力的基礎(chǔ)上，以重力場方式施加載荷。

3. 分析結(jié)果

圖 3 分析結(jié)果云圖

分析計(jì)算得到支架上最大應(yīng)力為 160 MPa，出現(xiàn)在吊耳兩側(cè)，超過了材料的屈服強(qiáng)度，發(fā)生了塑性變形。

結(jié)合以上的計(jì)算結(jié)果，經(jīng)分析得到支架變形的原因：吊耳處截面突變造成剛度不連續(xù)，吊耳剛度弱，且吊耳兩側(cè)沒有圓角，折彎處應(yīng)力集中，最后導(dǎo)致支架強(qiáng)度不足。

4. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

4.1 優(yōu)化方案

針對結(jié)構(gòu)存在的不足，我們提出以下優(yōu)化方案：延長加強(qiáng)筋及增大吊耳的寬度來提高吊耳的局部剛度，并在吊耳兩側(cè)增加了圓角，避免此處應(yīng)力集中。

圖 4 優(yōu)化方案圖

4.2 優(yōu)化方案分析結(jié)果

圖 5 優(yōu)化方案分析結(jié)果云圖

優(yōu)化方案的最大應(yīng)力為 144 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，且最大應(yīng)力點(diǎn)的位置也避開了吊耳兩側(cè)，此方案可以滿足強(qiáng)度要求。

5. 結(jié)論

本文利用 Abaqus 強(qiáng)大的材料非線性、接觸及預(yù)緊力等分析能力，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就對蓄電池支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，并針對結(jié)構(gòu)不足，提出了改善方案，提高產(chǎn)品了質(zhì)量，縮短了研發(fā)期。

資料來源：達(dá)索官方