论文-基于Abaqus和屈曲理论对机罩撑杆屈曲分析及降成本应用

基于Abaqus和屈曲理论对机罩撑杆屈曲分析及降成本应用摘要：本文基于屈曲的基本理论运用Abaqus对发动机机罩遗忘撑杆工况中的屈曲情况进行分析，并通过对影响发动机机罩屈曲的三个主要因素；边界条件、撑杆材料、撑杆结构的研究，考查了不同的边界条件、撑杆材料性能、撑杆结构对屈曲的影响情况，获得了各个因素对机罩屈曲的影响权重。依据该结果并结合实际项目工程状态、约束情况，在某车型降成本分析中提出更改机罩撑杆安装固定点边界刚度的方法（即边界结构材料的替换），在保证机罩关闭屈服力在目标控制要求范围内，降低了零件的制造成本，取得了较好的经济效益。关键词：屈曲机罩撑杆边界条件材料结构HoodSupportRodBulkingAnalysisandCostReductionApplicationofsomevehicleBasedonAbaqusandBulkingTheoryTAbstract:BulkingtheoryandAbaquswereusedtoanalyzethebulkingofhoodsupportrodundertheloadcaesofHoodForgetRod,thenthethreemainfactors:Boundarycondition,Material,Structure,thateffectbulkingofhoodsupportrodwerestudied.Atlastaconclusionthathowmuchweightthesefactorseffecthoodrodbulkingwasmade.Accordingtothisconclusion,agoodmethodthatreducecostbyreplacingboundarymaterialwasputforwardandthencarriedoutonC4LVehicleCostReductionProject.Bythismethod,bulkingforcewascontrolundertargetrequirementandthecostofmanufacturewascutteddown,sogoodeconomicbenefitswereachieved.Keywords:Abaqus,Bulking,Hoodsupportrod,Boundarycondition,Material,Structure引言 当对汽车的发动机机舱进行检查时，需要用机罩撑杆支撑大而重的机罩，如果此时发生撑杆屈曲将会威胁人们的生命安全，另外在关闭机罩时，顾客容易忘记撑杆的支撑，直接用力关闭机罩。如果顾客用力过大，撑杆未发生屈曲变形，则容易产生对机罩结构的损坏。因此在设计机罩子系统性能时，往往会要求在客户遗忘撑杆并关闭机罩时，机罩撑杆先产生屈曲来保证机罩结构不产生损伤，使得售后的维护费用降至最低。屈曲的理论：发动机盖的支撑杆可以看作一段固定，一段铰支的细长杆。受压时，当压力值逐渐增加但小于某一极限值，撑杆一直处于直线平衡状态；当压力达到一定的极限后，撑杆的直线平衡不稳定，变为曲线平衡，即屈曲发生。屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，屈曲分析包括线性屈曲分析和非线性屈曲分析。线性屈曲分析研究的是理想压杆的理论临界压力；非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分析，弹塑性失稳分析和非线性失稳分析和非线性后屈曲分析，研究结构或构件的平衡状态是否稳定，其与结构形式、构件材料以及构件刚度、强度等密切相关。机罩遗忘撑杆工况机罩遗忘撑杆工况的介绍机罩的遗忘撑杆工况，主要是考虑机罩打开被撑杆撑住时，顾客遗忘撑杆的支撑，直接用力关闭机罩的情况。因为机罩结构的成本远高于撑杆的成本，因此该工况主要是检查撑杆的屈曲性能，利用撑杆的屈曲发生先于机罩内板的塑形变形，从而起到优先保护机罩结构的作用。物理实验图1所示某车型的遗忘撑杆试验现场，该实验在整车上完成。车身通过刚性支撑与地面连接，轮胎离地。机罩开启在撑杆支撑的位置，沿着机罩关闭的方向，在机罩锁扣上施加从10到200N的力，此力代替在机罩前部沿机罩关闭方向施加的10到20daN的力。在锁钩中心位置加载力，撑杆发生屈曲，实验停止，记录发生屈曲的力。图1机罩遗忘撑杆的物理实验机罩遗忘撑杆的仿真建模网格模型的建立本文以某车型为例，进行仿真建模。为了减小模型、提高计算效率，模型中仅包含了机罩子系统以及相关联的车身环境件，并对距离机罩子系统较远的车身环境件进行部分截除。各部分建模质量的好坏会影响计算过程中结构的刚度与力的传递路径，进而影响仿真精度。建模中对网格尺寸、单元翘曲度、长宽比、最大及最小内角、三角形单元比例都有严格的要求。模型中，共320112个单元，322003个节点，三角形单元占单元总数的3.6%，模型中的单元类型包括板壳单元和刚性单元等。材料和属性在该模型中，撑杆、撑杆下端的支撑支架、与支架相关连的车身件，机罩的内外板等的材料均考虑了其非线性阶段的材料性能特性，以满足计算要求，提高计算的精度。边界条件位移边界条件：约束车身截断处的平动自由度，撑杆的上端通过塑料支架固定在机罩的内板上，可以绕塑料支架的轴心转动，所以，撑杆的上端连接处建立局部坐标系，释放轴向的转动自由度。由于撑杆的下端结构比较特殊，在撑杆受到下压的力时，不能平动或者转动，所以撑杆的下端与车身的连接约束1~6自由度。并且通过多个车型的对标经验，此约束方式有较高的对标精度。载荷边界条件：第一步：对机罩施加重力；第二步，在锁钩中心处施加200N的力；计算结果利用ABAQUS进行求解计算，获取撑杆发生屈曲时，锁钩处所施加的载荷力值的变化情况以及撑杆、机罩的应力、应变情况等。本文重点将撑杆屈曲时的加载力，作为计算结果的评价指标，并且通过与多个车型的对标，验证了该建模分析方法具有较好的对标精度。各因素对撑杆屈曲的影响情况边界条件对撑杆屈曲的影响本文通过改变边界条件，用不同的边界条件的计算方案，对比计算结果评价边界条件对撑杆屈曲的影响。这里主要是考虑撑杆下端与车身上的撑杆支架的连接方式这一边界条件，对撑杆的屈曲的影响情况。在某车型中，撑杆下端与车身的连接采用的是撑杆下端带有塑料套筒，套筒与车身连接，如下图2所示，这种连接方式比较紧固，在仿真建模时，一般直接用刚性单元Rigid约束自由度1~6将撑杆与车身连接。在有些车型中，则是利用撑杆下端的弯钩与车身连接，如图3所示，这种连接方式，撑杆的下端与撑杆的支架之间，容易摩擦晃动。在仿真时建模，一般用撑杆下端抓取刚性单元，撑杆支架上抓取刚性单元，两个刚性单元间连接约束1~3自由度。图2某车型撑杆下端的支撑图3另一车型撑杆下端的支撑为评价这两种支撑的方式对撑杆屈曲的影响，保证较好的对比性，在某车型的仿真模型的基础上，直接更改为后面一种连接方式，进行计算。这里某车型的连接方式为方案1，更改之后的连接方式，为方案2。对比两个方案的ABAQUS计算结果如下表1所示：模型方案1方案2撑杆屈曲时所施加的力（N）81.6100表1不同边界条件方案的计算结果由表中的计算结果可以看出，此边界条件的改变，导致撑杆屈曲时承受的力有22.5%的变化，说明撑杆的下端的固定方式，对撑杆的屈曲，有比较大的影响。因此，在进行撑杆的设计时，为了满足撑杆的屈曲要求，可以利用不同的边界刚度条件来实现。撑杆的材料对撑杆屈曲的影响为验证撑杆的材料，对撑杆屈曲的影响情况。同样在某车型原有的仿真模型上更改了撑杆的材料，再利用上述建模方法，分别进行计算，考查撑杆材料对屈曲的影响情况。共选取了四种材料分别建立模型计算，ABAQUS计算结果统计如下：撑杆的材料ESE335DE275DE220BH材料的屈服极限（MPa）133304325340撑杆屈曲时所施加的力（N）43.279.281.688.8表2不同材料方案的计算结果为了区分不同材料的差异，引入了材料的屈服极限作为一个参考，分析不同材料方案的计算结果。对比ES与E335D的计算结果发现，随着材料的屈服极限的增加，屈曲所需力的也会有大幅的增加。所以，撑杆的材料，对撑杆的屈曲施加力的影响，也是一个较为敏感的因素。撑杆的结构对撑杆屈曲的影响考虑到撑杆结构也是影响撑杆屈曲的一个因素，为分析其对撑杆的屈曲性能的影响，本文对原车的撑杆结构进行了局部的修改，分别对原模型撑杆的下端、撑杆的中部进行了小幅的弯折，具体的修改情况如下图4所示：图4原模型以及修改之后的模型三个模型的ABAQUS计算结果如下表3：模型原模型撑杆的下端弯折模型撑杆的中部弯折模型撑杆屈曲时所施加的力（N）81.676.870表3不同撑杆结构方案的计算结果通过对比三个模型的计算结果可知，撑杆中部的小幅弯折使得撑杆屈曲所施加的力减小14%，撑杆的下端弯折使得撑杆屈曲所施加的力减小5%，说明通过增加折弯，改变撑杆的结构的方式，可以减小撑杆屈曲所施加的力，并且，在中部增加弯折的方式对改变撑杆屈曲所施加的力比下端增加弯折的方式效果更为明显。所以，改变撑杆的结构，也是实现改变撑杆屈服力的有效途径。应用结合上述研究在某车型降成本方案的提出考虑到某车型机罩的遗忘撑杆工况中，撑杆屈曲所施加的力值大，还有较大的设计余量，再结合上述分析，提出了更改机罩撑杆安装固定点边界刚度（即对边界结构材料的替换）的降成本方法。替换材料的边界结构件如下图5所示：图5替换材料的结构件以及其车身中的位置将该结构件的材料由原来的成本较高、材料力学特性比较刚硬的材料，替换为成本较低、材料力学特性的刚硬程度相对低得材料。某车型降成本方案的验证以及收益通过仿真建模计算，对结构件替换材料之后的机罩遗忘撑杆工况进行建模计算，对比ABAQUS计算结果如下表4：模型原模型替换材料之后的模型撑杆屈曲时所施加的力（N）81.675表4不同撑杆结构方案的计算结果与原模型相比，撑杆屈曲时所施加的力值有所下降，但是，仍然满足机罩遗忘撑杆工况的性能要求。同时，还对该结构材料的更改可能影响到的其他工况的性能，进行了一一校核，均满足性能要求。因此，该降成本方案在某车型中，进行了实施。由于只是对该结构件的材料进行等效替换，不涉及结构模具的更改，因此，该降成本方案，在降低材料成本的同时，也比较容易实施，有效地降低了零件的制造成本，经济效