0 引言

在當(dāng)今的汽車工業(yè)中，國內(nèi)外各大整車制造企業(yè)越來越重視汽車在極限工況下因疏忽各部件的運(yùn)動(dòng)位移而導(dǎo)致汽車零部件相互干涉的問題。按照傳統(tǒng)的方法，汽車企業(yè)對(duì)于新車型運(yùn)動(dòng)干涉的評(píng)估都是利用實(shí)車在臺(tái)架或各道路試車場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，該方式雖然是最直接且最準(zhǔn)確的，但測(cè)試時(shí)間十分冗長(zhǎng)且耗費(fèi)人力與物力，即使發(fā)現(xiàn)了問題，再去優(yōu)化設(shè)計(jì)，勢(shì)必會(huì)延長(zhǎng)車型的開發(fā)周期，增加經(jīng)濟(jì)成本，從而削弱產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

 

針對(duì)上述問題，運(yùn)用基于有限元理論的數(shù)值分析方法即可以在物理樣車試制前對(duì)零部件的運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，減少部件干涉風(fēng)險(xiǎn)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。Abaqus 以其強(qiáng)大的非線性模擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度CAE 分析中。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展， Abaqus 已是虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境中最主要的核心產(chǎn)品，為用戶提供功能全面、多學(xué)科集成的虛擬產(chǎn)品解決方案，成為在各個(gè)領(lǐng)域用戶群最多、應(yīng)用最為廣泛的有限元分析軟件。

 

1 Abaqus 靜力分析基礎(chǔ)理論

Abaqus 求解器支持多學(xué)科及其高性能分析，包括靜力、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、屈曲、振動(dòng)、靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等，本文僅調(diào)用 Abaqus 進(jìn)行靜力計(jì)算，前后處理運(yùn)用 Abaqus/CAE 相關(guān)模塊。Abaqus靜力分析基礎(chǔ)理論可以概括成以下幾點(diǎn)：

 

1）離散化

連續(xù)體離散化是有限元分析的前提和基礎(chǔ)，所謂離散化，則是將求解對(duì)象劃分為有限的微小塊體（單元），這些單元通過節(jié)點(diǎn)相互連接，載荷通過這些節(jié)點(diǎn)在相鄰單元間相互傳遞。

 

2）位移函數(shù)

在分析過程中，求解對(duì)象的位移、應(yīng)變、應(yīng)力通過節(jié)點(diǎn)位移來描述，一般假定單元位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單函數(shù)，位移函數(shù)如下：

 

 

 

4）節(jié)點(diǎn)載荷計(jì)算

在彈性體結(jié)構(gòu)被離散后，假定各向載荷是通過節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到與其相鄰的單元。但對(duì)于連續(xù)體，各向載荷是從單元的公共邊界傳遞到相鄰單元，于是可以根據(jù)虛功等效原理[2]，將作用在單元上的各向載荷等效移植到節(jié)點(diǎn)上去，從而，可以快速地完成節(jié)點(diǎn)載荷計(jì)算。

 

5）結(jié)構(gòu)平衡方程的建立

力學(xué)特性方程建立后，通過組裝可以導(dǎo)出總剛度矩陣和總載荷矩陣。在工程實(shí)踐中，運(yùn)用引入單元節(jié)點(diǎn)自由度和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)自由度的轉(zhuǎn)換矩陣[Tr]，即：

 

 

 

 

6）方程求解

通過調(diào)用 Abaqus 求解上述整體平衡方程，得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移，再利用節(jié)點(diǎn)位移可以導(dǎo)出單元的應(yīng)力、應(yīng)變，最后對(duì)輸出的結(jié)果文件用Abaqus/CAE 進(jìn)行后處理。

 

2 有限元位移分析

2.1 分析目的

考察蓄電池在汽車行駛的極限工況下，其運(yùn)動(dòng)位移是否造成蓄電池與托盤之間的干涉。該車型的蓄電池質(zhì)量為 18.2Kg，其質(zhì)心坐標(biāo)為（1305.924，-409.003，859.366），裝配后，蓄電池與托盤之間的最小間隙為 2mm，方向?yàn)檎囎鴺?biāo)系下的 X 向。如圖 1 所示。

 

 

圖 1 蓄電池與托盤的裝配間隙

 

2.2 有限元模型建立

運(yùn)用 ABAQUS CAE 前處理軟件對(duì) 3D 數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何清理與網(wǎng)格劃分，模型單元總數(shù)為 1389302個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 1360224 個(gè)，有限元單元類型信息如圖 2 所示。同時(shí)，借助 ABAQUS 強(qiáng)大的材料非線性功能，對(duì)各部件添加密度、彈性模量、泊松比、應(yīng)力應(yīng)變等數(shù)據(jù)。

 

 

圖 2 蓄電池總成網(wǎng)格

 

蓄電池借助托盤與卡夾在螺母螺栓預(yù)緊力的作用下通過接觸固定，根據(jù)實(shí)際情況，分別建立TIE/CONTACT 如下接觸，同時(shí)，在螺栓中定義預(yù)緊截面并施加預(yù)緊力 4685N。

 

 

 

2.3 工況設(shè)定

蓄電池在車輛制動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)彎、跳動(dòng)等極限工況下由于慣性力的作用而發(fā)生較大的運(yùn)動(dòng)位移，若在上述四種工況下，其最大位移小于 2.1 中的最小間隙，則蓄電池不能與托盤發(fā)生磕碰而導(dǎo)致干涉。在具體模擬分析中，四種工況形成獨(dú)立的四個(gè)*.inp 文件，但工況基本一致，只是修改各個(gè)方向的加速度而已。

 

載荷工況 1 約束托盤、托盤支架與車身接附點(diǎn)的所有自由度，施加預(yù)緊力矩。

 

 

 

載荷工況 2 繼承上一工況的邊界條件，并約束預(yù)緊參考點(diǎn)的 X 向平動(dòng)，同時(shí)單獨(dú)施加車輛在制動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)彎、跳動(dòng)的加速度，由于該方法為公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，本文的*.inp 中的加速度僅用 abrake/acc / acurve /ajump 表示。

 

 

 

2.4 分析結(jié)果

蓄電池極限工況下的位移如下表所示。在四種極限工況下，蓄電池最大位移為 1.5mm，小于目標(biāo)值 2mm，則在車輛行駛的極限工況下，蓄電池與托盤未能發(fā)生磕碰而導(dǎo)致相互干涉。

 

表1.蓄電池位移分析結(jié)果

 

 

通過上述工況的分析，蓄電池運(yùn)動(dòng)最大位移發(fā)生在轉(zhuǎn)彎工況，其 X 向最大位移出現(xiàn)在加速工況，位移云圖如圖 3 所示。

 

 

圖 3 蓄電池位移云圖

 

3 路試驗(yàn)證

在對(duì)蓄電池總成位移分析后，確定蓄電池與托盤之間不會(huì)發(fā)生磕碰干涉，從而保證蓄電池的安全性能。在后續(xù)的的物理樣車中，將該蓄電池總成搭載于某車型中進(jìn)行海南試驗(yàn)場(chǎng) 2 萬公里壞路與五指山 3 千公里山路試驗(yàn)，試驗(yàn)反饋該蓄電池與托盤未發(fā)生干涉，產(chǎn)品性能滿足要求，如圖 4 所示。

 

 

圖 4 蓄電池總成試驗(yàn)狀況

 

4 結(jié)束語

汽車零部件磕碰干涉是疲勞破壞的常見形式，在工程設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用有限元分析方法對(duì)開發(fā)車型進(jìn)行極限工況下的運(yùn)動(dòng)位移分析，于試制樣車前，挖掘潛在風(fēng)險(xiǎn)并結(jié)合工藝可行性，提前優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除風(fēng)險(xiǎn)。Abaqus 以其強(qiáng)大的非線性模擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè) CAE 結(jié)構(gòu)分析中，運(yùn)用Abaqus 求解器可以快速地對(duì)汽車零部件進(jìn)行位移分析。從而大幅度縮短樣件試制-路試試驗(yàn)的循環(huán)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

 

資料來源：達(dá)索官方