ABAQUS汽車車門振動分析

1 概述

    計算機輔助工程(CAE)作為一種新興的分析手段,很好地支持和輔助了汽車的開發(fā),越來越受到重視。車門作為車身結構的重要組成部件,其性能直接影響著車身結構性能的好壞。對于車門這一類的活動件,除進行通常意義下剛度、強度、模態(tài)和疲勞耐久性等工況的分析外,動態(tài)分析也是必不可少的。本文采用ABAQUS/Standard的振型疊加法,進行車門關閉工況的瞬時動態(tài)分析,監(jiān)控可能產生的呼吸效應,優(yōu)化車門結構,提高車門的結構性能,減少噪聲、異響甚至鈑金件干涉等問題。

2 車門晃動的動態(tài)分析

    2.1 ABAQUS 的動態(tài)分析

    ABAQUS 中的動態(tài)分析包括兩大類基本方法: 振型疊加法(modal superposition procedure) ,用于求解線性動態(tài)問題;直接解法(direct- solution dynamic analysis procedure) ,主要用于求解非線性動態(tài)問題。振型疊加法用于線性動態(tài)分析,使用ABAQUS/Standard 來完成,其相應的分析步類型為線性攝動分析步(linear perturbation step)。振型疊加法的基礎是結構的各階特征模態(tài)(eigenmode),因此在建模時要首先定義一個頻率提取分析步(frequencyextraction), 從而得到結構的振型(mode shape)和固有頻率(natural frequency),然后才能定義振型疊加法的各種分析步。瞬時模態(tài)動態(tài)分析(transient modal dynamic analysis) 計算線性問題在時域(time domain)上的動態(tài)響應。只有具備了以下特點的問題才適合進行瞬時模態(tài)動態(tài)分析:1)系統(tǒng)是線性的(線性材料特性,無接觸行為,不考慮幾何非線性);2)響應只受相對較少的頻率支配;3)載荷的主要頻率主要在所提取的頻率范圍之內,以確保對載荷的描述足夠精確;4)特征模態(tài)應該能精確地描述任何突然加載所產生的初始加速度;5)系統(tǒng)的阻尼不能過大。

    2.2 車門動態(tài)分析模型的建立

    車門系統(tǒng)主要包括車門鈑金件總成, 鉸鏈系統(tǒng), 玻璃及玻璃升降器系統(tǒng)和和內飾等。采用Altair 公司的Hypermesh 進行前處理,主要包括幾何清理,網格處理和分析加載。整個車門主要由薄壁沖壓件組成, 因此采用殼單元進行結構離散, 主體為平面四邊形單元, 輔助少量的三角形單元;車門鉸鏈采用實體單元,鉸鏈之間采用梁單元連接,釋放其旋轉方向的自由度;焊點和膠采用實體單元;內飾及玻璃升降器等傳導機構采用質量單元的方式均布在其與車門的連接處, 而不進行幾何模擬。玻璃處于最下位置,有限元分析模型如圖1 所示。本車門分析模型包括的單元總數(shù)為52415,節(jié)點數(shù)為55231。
 

圖1 車門有限元分析模型

    為減少模型的規(guī)模和提高計算效率,僅考慮車門安裝在臺架上,分析模型中約束上下鉸鏈;門鎖機構考慮足夠剛性,約束其自由度123。根據(jù)瞬時關門能量和車門關于鉸鏈旋轉軸的轉動慣量,由公式
   
   
    計算出車門的旋轉速度。ABAQUS/Standard 中通過添加關鍵詞*initial conditions, type=rotating velocity 實現(xiàn)。
   
    分析步的關鍵詞如下:
    **Step1
    *STEP, PERTURBATION
    *FREQUENCY, EIGENSOLVER = LANCZOS
    **Step2
    *STEP, PERTURBATION
    *MODAL DYNAMIC
    *MODAL Damping, MODAL=DIRECT

    第一步,頻率提取,注意在頻率提取分析中提取了足夠數(shù)量的模態(tài),以保證在主要運動方向上的有效質量超過模型中可運動質量的90%;第二步,瞬時模態(tài)動態(tài)分析,根據(jù)頻率提取分析中得到的最高階頻率,計算出其相應的周期,瞬時模態(tài)動態(tài)分析步中的時間增量要小于此周期值;定義直接模態(tài)阻尼,即與每階模態(tài)相關的臨界阻尼比,其典型的取值范圍是1%~10%。

    2.3 車門動態(tài)分析的結果

    建立好模型后在IBM 服務器上求解,計算時間大概10 分鐘左右,分析結果如下圖所示
 

圖2 車門內板橫向位移峰值云圖

    結果表明,在電機安裝點附近位移最大,根據(jù)變形云圖及動畫,優(yōu)化車門內板局部特征,提高其局部剛度,如圖3 所示。優(yōu)化前后峰值節(jié)點位移響應曲線如圖4 所示,優(yōu)化后車門內板的響應位移降低了18.4%,滿足了相關設計要求值。另外,優(yōu)化后車門振動衰減周期也有明顯的降低。
 

圖3 車門內板局部優(yōu)化前后特征對比

圖4 優(yōu)化前后車門內板瞬時動態(tài)響應的位移-時間曲線

3 結論及工作展望

    Nastran 的瞬態(tài)響應分析(SOL112) 中的TIC 卡片只能應用于線速度和全局坐標系, ABAQUS 不存在類似問題而更為方便,運用ABAQUS/Standard 的振型疊加法較好地實現(xiàn)了車門的瞬時動態(tài)響應分析,反映了關門瞬間車門的變形情況。通過對車門的局部特征進行優(yōu)化,提高了車門的局部剛度,有利于其動態(tài)響應的改善,減少噪聲、異響甚至鈑金件干涉等問題。今后,為了進一步提高模型的分析精度,可以將內飾和車身模型考慮進來。另外,通過ABAQUS/Explicit 可以進行非線性動態(tài)分析,考慮門鎖機構及密封條的影響。

4 參考文獻

    [1] ABAQUS 6.9 Documentation
    [2]石亦平,周玉蓉. ABAQUS 有限元分析實例祥解. 機械工業(yè)出版社, 2006, 280~302.