汽车行李箱刚度有限元分析

2013-06-10  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

本文通过 MSC Nastran 求解计算对汽车行李箱盖的刚度进行评估,通过对计算结果的分析,对行李箱盖的力学本质有了许多新的发现,根据这些新的发现,提出相应的改进方案,排解了设计工程师苦于难以提高行李箱刚度的困扰。

作者: 杜登惠 黄庆 来源: e-works
关键字: MSC Nastran 行李箱盖 刚度

1 背景
   
近年来,随着汽车改型换代加快,汽车行李箱盖成为频繁更改且更改较大的部件之一。
   
为了在很短的时间里设计出刚度很好的行李箱,需要在开发阶段用 MSC Nastran 软件对其刚度进行评估,对不满足刚度要求的结构提出有效的改进方案,得到设计工程师的认可后再进行验算,有力地支持设计工程师的设计工作,缩短了产品开发时间,保证项目顺利进行。本文通过对某车型的行李箱盖进行各种刚度计算,来分析不同的改进方案对每种刚度的影响,从而进一步找到行李箱盖的一些力学现象和大幅度提高刚度的设计方向,有效支持设计工程师的设计工作。
   
行李箱盖主要由外板、内板、铰链、铰链加强板,锁加强板组成,外板和内板在外周包边,中间有胶连接,如图 1 所示。
   

为了保证行李箱盖在制造、运输、使用过程中不会有太大的变形和损坏,行李箱盖的设计需要满足一定的刚度值,主要刚度有:侧向刚度,扭转刚度,前端局部刚度,过开刚度,尾部纵向刚度,尾部切向刚度,等等。
   
    2 有限元模型的建立
   
    2.1 网格划分及连接
   
采用边长为 10mm 的壳单元进行网格划分。铰链与内板及加强板处的螺栓连接孔要有两圈 washer。内外板之间的包边共节点,内外板之间的胶连接用一定刚度的弹簧连接。行李箱盖的有限模型如图 2 所示,节点数大约2万。
   

    2.2 材料
   
    计算中所使用的材料参数如下:
   

    所有零件材料均用上述参数。

3 分析与结果
   
对现有设计进行侧向刚度、扭转刚度、前端局部刚度、过开刚度、尾部纵向刚度和尾部切向刚度分析,得出每个刚度的位移,求出刚度值,并对主要工况的应变能图仔细研究。图3、图4、图5分别为过开刚度、扭转刚度、侧向刚度的应变能图。
    

通过对计算结果研究,发现铰链及铰链的布置、铰链加强板的设计和行李箱盖水平面与垂直面相接处的设计对刚度影响很大,下面就这几个方面分别分析。
   
(1)铰链的截面比厚度性价比更高,即增加截面可以在增加较小的质量(质量在某种意义上就代表 cost)上获得较好的刚度。
   
在原始设计的基础上,将铰链的截面从 20mm×20mm 变为 22mm×22mm,将厚度从2.0mm 变为 1.6mm,如图6所示。结果是:铰链的质量下降了 8.9%;侧向刚度上升了 5.1%;扭转刚度上升了 0.3%;过开刚度上升了 2.3%。
   

    (2)铰链与内板及加强板的连接孔间距增加可以提高刚度。
   
在原始设计的基础上,将铰链与内板及加强板的连接孔间距从 60mm 增加到 70mm,如图7所示。结果是:前端局部刚度增加了 10.8%;尾部纵向刚度增加了 2.1%;扭转刚度增加了 1.7%;过开刚度增加了 1.5%。
    

(3)侧向刚度计算的加载点和铰链在车身上的安装点比较,Z向的位置对侧向刚度影响很大。在原始设计的基础上,将计算侧向刚度的加载点Z向抬高 30mm,如图8所示。结果是:侧向刚度提高了 27%。
   

(4)铰链加强板的设计对刚度影响很大。
   
(a) 在原始设计的基础上,将铰链加强板的靠前的加强筋的高度从 2mm 变为 5mm,将加强筋延伸靠近螺栓连接孔,见图 9。结果是:侧向刚度增加了 3.4%;扭转刚度增加了 10.3%;过开刚度增加了 2.8%。
   

(b)在原始设计的基础上,将铰链加强板的一部分材料去掉,见图 10。结果是:侧向刚度下降了 8%;扭转刚度下降了 36.3%;过开刚度下降了 50.0%。
   

(5) 行李箱盖水平面与垂直面相接处的设计对刚度影响很大。
   
在原始设计的基础上,将靠两边的行李箱盖水平面与垂直面相接处的过渡改缓,即圆角半径变大,最高处相差 8mm,如图 11 所示。
   

    结果是:
   
    侧向刚度增加了 3.7%;
    尾部纵向刚度增加了 11.3%;
    扭转刚度增加了 9.5%;
    过开刚度增加了 10.1%。
   
    4 结论
   
利用 MSC Nastran 软件计算可以为设计提高汽车行李箱的刚度提供方向性指导,并且在产品开发阶段取得了很好的成效。(1)铰链的截面做得大一点,为了不增加质量,可以将厚度减小,结果对提高侧向刚度、扭转刚度、过开刚度都有好处;(2)将铰链与内板及加强板的靠前的连接孔向前移,则行李箱盖的前端局部刚度会提高很多;(3)将铰链加强板在Y向做宽,焊点尽量布置远,对行李箱盖的扭转刚度非常有利;(4)将铰链加强板上的加强筋做强,且靠近螺栓连接孔,对行李箱盖的扭转刚度非常有利;(5)如果铰链在车身的安装点与侧向刚度加载点的z向距离减小点,则对李箱盖的侧向刚度提高很大;(6)行李箱盖水平面与垂直面靠两边相接处设计得过渡平缓一点,使得此处的结构厚实一些,对提高行李箱盖的侧向刚度、尾部纵向刚度、扭转刚度、过开刚度都非常有利。

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