ABAQUS汽车车门振动分析

1 概述

    计算机辅助工程(CAE)作为一种新兴的分析手段,很好地支持和辅助了汽车的开发,越来越受到重视。车门作为车身结构的重要组成部件,其性能直接影响着车身结构性能的好坏。对于车门这一类的活动件,除进行通常意义下刚度、强度、模态和疲劳耐久性等工况的分析外,动态分析也是必不可少的。本文采用ABAQUS/Standard的振型叠加法,进行车门关闭工况的瞬时动态分析,监控可能产生的呼吸效应,优化车门结构,提高车门的结构性能,减少噪声、异响甚至钣金件干涉等问题。

2 车门晃动的动态分析

    2.1 ABAQUS 的动态分析

    ABAQUS 中的动态分析包括两大类基本方法: 振型叠加法(modal superposition procedure) ,用于求解线性动态问题;直接解法(direct- solution dynamic analysis procedure) ,主要用于求解非线性动态问题。振型叠加法用于线性动态分析,使用ABAQUS/Standard 来完成,其相应的分析步类型为线性摄动分析步(linear perturbation step)。振型叠加法的基础是结构的各阶特征模态(eigenmode),因此在建模时要首先定义一个频率提取分析步(frequencyextraction), 从而得到结构的振型(mode shape)和固有频率(natural frequency),然后才能定义振型叠加法的各种分析步。瞬时模态动态分析(transient modal dynamic analysis) 计算线性问题在时域(time domain)上的动态响应。只有具备了以下特点的问题才适合进行瞬时模态动态分析:1)系统是线性的(线性材料特性,无接触行为,不考虑几何非线性);2)响应只受相对较少的频率支配;3)载荷的主要频率主要在所提取的频率范围之内,以确保对载荷的描述足够精确;4)特征模态应该能精确地描述任何突然加载所产生的初始加速度;5)系统的阻尼不能过大。

    2.2 车门动态分析模型的建立

    车门系统主要包括车门钣金件总成, 铰链系统, 玻璃及玻璃升降器系统和和内饰等。采用Altair 公司的Hypermesh 进行前处理,主要包括几何清理,网格处理和分析加载。整个车门主要由薄壁冲压件组成, 因此采用壳单元进行结构离散, 主体为平面四边形单元, 辅助少量的三角形单元;车门铰链采用实体单元,铰链之间采用梁单元连接,释放其旋转方向的自由度;焊点和胶采用实体单元;内饰及玻璃升降器等传导机构采用质量单元的方式均布在其与车门的连接处, 而不进行几何模拟。玻璃处于最下位置,有限元分析模型如图1 所示。本车门分析模型包括的单元总数为52415,节点数为55231。
 

图1 车门有限元分析模型

    为减少模型的规模和提高计算效率,仅考虑车门安装在台架上,分析模型中约束上下铰链;门锁机构考虑足够刚性,约束其自由度123。根据瞬时关门能量和车门关于铰链旋转轴的转动惯量,由公式
   
   
    计算出车门的旋转速度。ABAQUS/Standard 中通过添加关键词*initial conditions, type=rotating velocity 实现。
   
    分析步的关键词如下:
    **Step1
    *STEP, PERTURBATION
    *FREQUENCY, EIGENSOLVER = LANCZOS
    **Step2
    *STEP, PERTURBATION
    *MODAL DYNAMIC
    *MODAL Damping, MODAL=DIRECT

    第一步,频率提取,注意在频率提取分析中提取了足够数量的模态,以保证在主要运动方向上的有效质量超过模型中可运动质量的90%;第二步,瞬时模态动态分析,根据频率提取分析中得到的最高阶频率,计算出其相应的周期,瞬时模态动态分析步中的时间增量要小于此周期值;定义直接模态阻尼,即与每阶模态相关的临界阻尼比,其典型的取值范围是1%~10%。

    2.3 车门动态分析的结果

    建立好模型后在IBM 服务器上求解,计算时间大概10 分钟左右,分析结果如下图所示
 

图2 车门内板横向位移峰值云图

    结果表明,在电机安装点附近位移最大,根据变形云图及动画,优化车门内板局部特征,提高其局部刚度,如图3 所示。优化前后峰值节点位移响应曲线如图4 所示,优化后车门内板的响应位移降低了18.4%,满足了相关设计要求值。另外,优化后车门振动衰减周期也有明显的降低。
 

图3 车门内板局部优化前后特征对比

图4 优化前后车门内板瞬时动态响应的位移-时间曲线

3 结论及工作展望

    Nastran 的瞬态响应分析(SOL112) 中的TIC 卡片只能应用于线速度和全局坐标系, ABAQUS 不存在类似问题而更为方便,运用ABAQUS/Standard 的振型叠加法较好地实现了车门的瞬时动态响应分析,反映了关门瞬间车门的变形情况。通过对车门的局部特征进行优化,提高了车门的局部刚度,有利于其动态响应的改善,减少噪声、异响甚至钣金件干涉等问题。今后,为了进一步提高模型的分析精度,可以将内饰和车身模型考虑进来。另外,通过ABAQUS/Explicit 可以进行非线性动态分析,考虑门锁机构及密封条的影响。

4 参考文献

    [1] ABAQUS 6.9 Documentation
    [2]石亦平,周玉蓉. ABAQUS 有限元分析实例祥解. 机械工业出版社, 2006, 280~302.