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基于HyperMesh的车架强度分析

2018-12-15韩璐 江有余 罗召召

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本文针对复杂模型,以重卡车架为例探讨了利用Altair公司的HyperMesh软件建立车架有限元模型及求解计算的方法。

0 引言

    汽车是人们出行、货物运输必不可少的交通工具。伴随着汽车工业的发展,汽车功能的多样化,对汽车的质量也提出了更高的要求。车架作为承载汽车所有零部件的“骨架”,其可靠性对整车的安全起着至关重要的作用。在对汽车结构进行分析时,首推的方法就是有限元法,有限元法较实验方法可以节约大量的人力物力财力,被各大整车设计企业广泛使用。

    本文以某重卡车架为分析对象,探讨了利用Altair公司的HyperMesh软件建立该车架有限元模型以及求解计算的操作方法。由于车架上连接件非常多,连接关系复杂多样,驾驶室、车桥、发动机等连接件自重较大,会对车架整体刚度和强度产生较大影响,因此在整车模型建立过程中零部件数量庞大,连接关系繁多,模型错综复杂,极易出错。

1 CAD模型的导入

    本文以某重型卡车为例,在实际的建模过程中,并不需要将整车数模全部导入到HyperMesh软件中,只需要选择与车架和主要连接支架即可。HyperMesh提供了丰富的软件接口,支持各类主流的三维CAD作图软件,无需进行格式转换就可以直接导入到软件中使用,避免了模型几何数据的缺失。打开HyperMesh软件,将整车的三维CAD模型导入至软件中即可,如图1所示。

HyperMesh导入CAD模型界面

图1 HyperMesh导入CAD模型界面

2 有限元模型的建立

    2.1 整车模型的管理

    一个整车模型,包括车架总成、驾驶室总成、动力总成、传动系统、附件总成、进排气系统、转向系统、电器系统等多个子系统或总成,而每个子系统又包含了数百种零件。如果不对模型进行分组管理,必然会导致模型混乱、发现错误以后不能及时找到、甚至网格划分漏掉部分零部件等问题,为后期模型检查带来极大地不便。

    HyperMesh软件为用户提供了可视化的模型树界面,如图2所示,可以方便的对模型进行分组、排列、标记等操作。在对整车数模进行有限元建模时,可以将零部件按照不同的总成和子系统,划分为不同的组(Assembly),并将不同的零部件用不同的颜色加以区分,以方便快速的找到所需要的零部件,如图3所示。

HyperMesh的模型树

图2 HyperMesh的模型树

不同颜色标记的Assembly

图3 不同颜色标记的Assembly

    在HyperMesh软件中,对其他的边界条件、界面形状、材料、属性也可以用不同的颜色加以区分,并且可以自由的切换到按材料、属性等颜色查看模型,方便快速定位到所需的零部件,这为建模及后期的检查提供了极大的便利。

    2.2 几何清理

    对于车架等采用冲压工艺制作的钣金件,因为其结构在长度和宽度方向远大于厚度方向,因此可以简化为二维平面单元进行处理,在计算时只需要给其赋予厚度属性即可,大大减少了网格划分的工作量。

    以纵梁为例,根据设计参数可以知道,纵梁整体由厚度为8mm的钢板冲压而成,因此可以对其进行中面抽取操作。在HyperMesh软件中,简单的中面抽取操作可以由主菜单栏Geom中的midsurface命令来完成,图4为经过中面抽取后的纵梁部分。对于车身其他钣金件,也用同样的方法进行中面抽取。

纵梁部分中面抽取结果

图4 纵梁部分中面抽取结果

    由于三维CAD软件在作图时会根据几何体的拓扑结构,生成一些与建模无关的顶点、线和面,在导入模型并完成中面抽取操作之后,需要对模型进行几何清理,以简化建模,减轻工作量。在HyperMesh软件中,这一操作可由Gemo菜单栏的相应命令来实现。

    2.3 网格划分

    对于模型中已经抽取中面的壳单元,通过2D菜单栏下的automesh命令即可快速实现网格的划分,如图5所示。在本文的整车模型中,对于2D单元采用网格尺寸为10mm,单元类型以四边形单元为主,混合极少数三角形单元的网格策略进行划分。在划分的过程中,肯定会生成许多不合格的网格,通过check elements和quality index命令可以对网格质量进行检查,一般主要检查网格的连续性、重复网格、雅克比、翘曲度、最小角度等方面,确保生成质量合格的网格,以提高计算精度,图6为网格质量检查合格的网格。

HyperMesh中automesh命令面板

图5 HyperMesh中automesh命令面板

网格质量检查合格的网格

图6 网格质量检查合格的网格

    整车模型中除了钣金件以外,还有各种连接在车架上的悬挂支架,这些支架通常都是铸造而成的,它们在几何结构上并不具有相同的厚度,无法进行中面抽取操作,其几何结构也比较复杂,因此需要用到3D网格划分。对于本文中的整车模型,因其结构的复杂性,3D网格选择四面体单元进行划分,并采用局部细化的方式,以保证计算结果的准确性。图7为局部细化的3D网格,对于3D网格,同样需要检查其连续性、最大最小角度,雅克比、重复性,以保证计算准确。

局部细化的3D网格

图7 局部细化的3D网格

    在分析车架强度的时候,并不需要将螺栓、铆钉、销轴、焊缝等连接零件画出来,如图8所示,利用HyperMesh中CBAR、bolt、spot和seam单元可以很好的模拟这些连接关系。

HyperMesh中1D连接单元的简化

图8 HyperMesh中1D连接单元的简化

    除了以上连接关系之外,在分析车架的时候,同样不需要将驾驶室、发动机等零部件画出来。只要找到其质心,用质量点conm2单元模拟其质量就可以了。图9为简化后的驾驶室模型,可以看出简化模型大大提高了网格划分的效率。

简化后的驾驶室模型

图9 简化后的驾驶室模型

    2.4 边界条件设置

    对整车模型网格划分好以后,需要对其进行材料属性的赋予。HyperMesh提供了丰富的材料属性卡片,可以模拟各种线性、非线性、各向异性、热材料等多种材料的建模,非常方便用户选用材料。表1为模型中部分结构的材料参数,本文的计算主要针对整车模型的强度,因此采用一般的线性材料,将其参数输入到HyperMesh中即可完成材料属性的赋予。

表1 整车部分零部件材料属性

整车部分零部件材料属性

    在对模型赋予材料之后,需要创建边界条件。为了模拟真实的受力情况,对整车轮胎底部施加固定约束,整车所有零部件施加Z向一倍重力,模拟整车正常状态下真实受力情况。对整车模型施加完载荷之后,创建相应的工况卡片就可以提交求解了。

3 结果分析

    本文利用OptiStruct软件对整车数模进行求解,OptiStruct软件是Altair公司的一款功能强大的结构优化软件,被很广泛的运用于汽车行业的各个领域。将FEM文件导入OptiStruct求解器进行计算,得到整车模型静止状态下的位移及应力计算结果,并利用HyperView对结果进行后处理。由于本次分析只考虑纵梁的强度,故在利用HyperView进行后处理是选择只显示纵梁的位移及应力,得到纵梁的位移云图如图10所示,应力云图如图11所示。

纵梁位移云图

图10 纵梁位移云图

纵梁应力云图

图11 纵梁应力云图

    从位移云图可以看出,空载状态下,纵梁变形最大处位于纵梁前端(驾驶室)处,最大位移为23mm;从应力云图可以看出,空载状态下,纵梁最大应力发生在纵梁中段下表面处,其最大应力为39.2MPa,小于其材料的屈服强度500MPa,故认为此纵梁在空载状态下是满足使用要求的。

4 总结

    (1)HyperMesh软件是一款功能强大的有限元分析软件,在对整车等复杂而庞大的模型进行建模分析时,利用HyperMesh进行前处理可以有效的减少网格划分的工作量,提高网格划分的质量,便于对有限元模型进行管理。

    (2)利用Altair公司的HyperMesh、OptiStruct和HyperView软件,快速便捷的完成了对整车有限元模型的搭建和求解,大大提高了工作效率;经过计算认为纵梁的最大应力远小于材料的屈服强度,满足使用要求。

责任编辑:程玥
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