HyperWorks有限元軟件在汽車(chē)天窗頂蓋的剛度分析與應(yīng)用

 1、背景

 汽車(chē)頂蓋開(kāi)天窗后，局部剛度會(huì)降低，當(dāng)剛度不足時(shí)，在高速行駛，會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)及噪音，影響汽車(chē)的使用性能，嚴(yán)重的情況下天窗會(huì)掉下。汽車(chē)頂蓋的局部抗凹性能是反映頂蓋剛度性能的重要特性，因此其抗凹性能分析越來(lái)越受到設(shè)計(jì)部門(mén)的重視。

 HyperMesh是一個(gè)高性能的有限元前、后處理器，擁有全面的CAD和CAE求解器接口、強(qiáng)大的幾何清理和網(wǎng)格劃分功能，能夠高效地建立各種復(fù)雜模型的有限元和有限差分模型。汽車(chē)外板的抗凹性能是反映外板使用性能的重要特性，有限元科技小編應(yīng)用HyperMesh前后處理軟件，分析某車(chē)帶天窗頂蓋的剛度?？紤]了材料、幾何及邊界的復(fù)雜非線性，模擬天窗的夾緊，對(duì)某車(chē)型開(kāi)天窗后的頂蓋的抗凹性能進(jìn)行了模擬分析。通過(guò)對(duì)頂蓋的抗凹性分析及評(píng)價(jià)，為設(shè)計(jì)工程師提供了重要的參考價(jià)值。

 深圳市有限元科技有限公司是HyperMesh軟件的一級(jí)代理商，并代理國(guó)外其他多款cae軟件，有限元科技是以工程仿真軟件開(kāi)發(fā)為核心，集cae咨詢、cae培訓(xùn)、cae軟件研發(fā)與銷(xiāo)售為一體的高科技企業(yè)。公司秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式cae整體解決方案，目前已為全國(guó)超過(guò)500家企業(yè)提供cae分析服務(wù)。如需購(gòu)買(mǎi)軟件或咨詢服務(wù)等請(qǐng)聯(lián)系在線客服，QQ：2039363860或4006046636。

 2、分析模型

 2.1有限元模型的截取

頂蓋的有限元模型截取自白車(chē)身。在模型截取過(guò)程中既要使截取后的頂蓋模型計(jì)算后與實(shí)物保持一致，又要使有限元模型盡量簡(jiǎn)單。鑒于以上考慮，將白車(chē)身及頂蓋總成的CATIA模型導(dǎo)入HyperMesh，并進(jìn)行幾何清理m.tyrp.net，在HperMesh軟件中截取白車(chē)身的有限元模型，模型網(wǎng)格的基本尺寸采用5mm×5mm建模，共有154640個(gè)單元。最后的模型如下圖1所示。

 2.2材料與屬性

 本次分析涉及7種材料，由于要考慮頂蓋的塑性變形，除了給出材料的彈性模量和泊松比外還給出了材料發(fā)生塑性變形后的塑性應(yīng)變和應(yīng)力的曲線。

 3、邊界條件

 頂蓋的抗凹剛度性能分析要考慮幾何非線性、材料非線性及接觸非線性。在分析中，采用解析剛體模擬剛性壓頭，在薄弱區(qū)域建立剛性面與頂蓋之間接觸關(guān)系。120N載荷施加在剛性面上，載荷方向沿著考察點(diǎn)曲面的法向。天窗用剛性體模擬，天窗的質(zhì)量以集中質(zhì)量加在天窗的質(zhì)心處。約束A/B/C柱截面的DOF123，邊界條件如圖2所示。

 分析分為兩個(gè)載荷步：

 第一步：天窗自重下，頂蓋的變形；

 第二步：施加位移載荷，在選取分析考察點(diǎn)建立垂直于外板的局部坐標(biāo)系，在剛性面參考點(diǎn)沿局部坐標(biāo)系Z軸施加120N載荷。

 4、計(jì)算結(jié)果及分析

 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量頂蓋剛度最弱的區(qū)域作為抗凹點(diǎn)的分析位置，具體選擇在下圖所示天窗右下角，與天窗邊緣的距離為50mm 處，從HyperView后處理軟件查看計(jì)算結(jié)果，得到在天窗自重下及120N載荷下的變形如下圖3/4所示。計(jì)算、分析值與實(shí)驗(yàn)值比較接近。

 此時(shí)開(kāi)天窗后的頂蓋的抗凹性較弱，變形較大，不能接受，需要進(jìn)行局部加強(qiáng)優(yōu)化。

 5、結(jié)構(gòu)改進(jìn)

 為了解決現(xiàn)有車(chē)型頂蓋剛度m.tyrp.net不足問(wèn)題，在不增加零件模具的情況下，通過(guò)在天窗附近區(qū)域粘貼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)片，來(lái)加強(qiáng)頂蓋的剛度。工程上提出了3種粘貼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)片的方案：

 方案一：在天窗四周貼加強(qiáng)片，如圖5所示；

 方案二：在天窗四周部分區(qū)域貼加強(qiáng)片，如圖6所示；

 方案三：在天窗后部一個(gè)區(qū)域貼加強(qiáng)片，如圖7所示；

 分析結(jié)果如下圖所示：

 從上面的分析結(jié)果可知，方案1與方案3對(duì)安裝天窗后的頂蓋剛度不足問(wèn)題有了很大的改善，方案3的改善效果與方案1相差不大，且方案3所貼的加強(qiáng)片較少，成本降低達(dá)2/3。綜合考慮可知方案3最優(yōu)。

 6、總結(jié)

 本文利用HyperMesh強(qiáng)大的畫(huà)網(wǎng)格功能及HyperView強(qiáng)大的后處理功能，很方便進(jìn)行建模與后處理結(jié)果提取分析。對(duì)某車(chē)型開(kāi)天窗后的頂蓋進(jìn)行了抗凹性分析，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)較一致。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)頂蓋的整體剛度性能做了評(píng)價(jià)，并提出了優(yōu)化方案，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)證明優(yōu)化改進(jìn)后的頂蓋剛度性能得到了明顯的改善。

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