BMW研究模拟由关门引起的耐久性影响的方法 - 文章

BMW研究模拟由关门引起的耐久性影响的方法

作者：LMS国际公司

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LMS国际公司同BMW、FH Aachen和MAKROSS合作，已经开发出能进行车门耐久性性能预测的分析过程。这个工程范围包含了使用虚拟仿真预测部件承受猛然关门的能力。它使用模态叠加方法，把有限元分析同耐久性模拟结合起来，把已获的局部应力历程转化成疲劳寿命预测。当做进一步细化和优化时，这种方法能够在制作物理样机之前，对车体和车门部件的耐久性性能提供可靠的深入了解。在将来，这种工作方法能潜在地代替或补充BMW的现用方法，该方法包括对样车进行物理测试。

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严格的车辆碰撞法规、高品质和舒适标准不断提高了在车体和车门设计中的要求。附加的碰撞安全结构和更柔软的橡胶单元的使用增加了关门时部件的载荷。还有为增加乘客的舒适性，修改一些内饰包装，例如增加新的隔声材料，会潜在地影响车门的耐久性和相关联的车体部件。当这些部件没有进行正确的耐久性设计时，车门的频繁使用可能会在开关车门时引起故障。这种情况的出现会产生讨厌的噪声和铁锈，甚至会引起门锁机构的故障。BMW为了避免这些问题并保持其产品极高品质的声誉，对实物样机进行试验，以保证车门和车体部件的耐久性性能设计是充分的。这种试验方法能得到可靠的结果，但是存在很多缺点。需要昂贵的样机进行验证试验，并且评价大量的关门事件需要大量时间。还有当发现耐久性问题时，就需要调整设计，修改样机，重新进行试验，这样增加了车辆开发过程的时间和成本。

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当车门碰撞闭合扣钩时…

BMW的目标是通过虚拟耐久性模拟的方法，探索出能够评价跟用力关门相关的车门及车体部件耐久性的可能性。进行模拟的耐久性试验包括了重复的关门事件，采用了预先确定的三种不同关门速度的混合。有关的模拟和物理试验是在两个不同的设计上进行的。第一种设计较早地在靠近增强点焊处的金属片出现失效。在第二种设计中，再次增强而获得了一个更合适的载荷分布。

当更仔细地研究关门过程时，可以区分出三个阶段。第一，车门接触车体上的橡胶密封圈，橡胶承受了较大的变形。由橡胶吸收的动能转换成热能和弹性能。接着，车门碰撞闭合扣钩并完全停止。在最后阶段，前面存储的弹性能转回给车门，但被挂钩停止。精确获取关门机构各部件之间接触情况随时间的变化，在模拟车门和门框之间的载荷传递是必要的。车身-车门接触由于车门的限位运动和由此产生的车门的模态振动而引起橡胶密封圈不定的变形。

从高级的有限元建模和分析开始

用于模拟用力关门过程的有限元模型由车门、车体框架、橡胶密封圈和锁组成。车体框架部件的基本有限元网格是从以前用于刚度计算的整车模型中得到的。工程师去掉前门的前左端区域以减少单元数目，并修改在锁钩周围关键区域的网格密度。工程师从先前的侧面碰撞模拟中得到一个详细的车门模型。他们可以使用联合单元的方法，来实现车体框架与车门模型之间的连接。生成的模型最终含有大约60,000单元和65,000个节点。在单排实体单元上加一层接触壳单元来模拟橡胶密封圈。为了考虑橡胶的非线性性能，给实体采用一种低密度的泡沫材料模型。通过比较计算数据和从一个简单试验设置得到的实验数据来校正橡胶的材料参数。通过使用实体和壳单元的混合模拟车锁。对滑动接触的表面进行详细建模，以避免接触部件滑过网格边时的峰值载荷。塑料缓冲垫是当作低密度泡沫进行模拟的。包含了预应力弹簧单元，还有一个考虑了门锁机构摩擦的阻尼单元。

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Detailed model of the lock based on a mixture of solid and shell elements.

没有使用节点到节点的梁连接，而是通过刚性蜘蛛网格把梁跟薄片单元连接起来。这种修改简化了梁的布置，特别当需要连接不相似的网格时。刚性蜘蛛网格的使用也改善了整个模型的刚性性能。工程师通过比较模拟和实验结果来验证有限元模型，结果表明二者具有可接受的相关性。很明显，作用在闭合钩上的力是一个很有意义的量。这个验证表明了作用在闭合钩上的力对于闭合钩的横向定位、锁架周围的局部刚度和橡胶的材料特性，具有很高的灵敏度。对以三个不同的闭合速度和两种不同的设计的单个门的碰撞，使用ANSYS LS-DYNA 有限元分析进行了瞬态有限元模拟。在模拟中，使用了模态叠加法解决了车门刚体运动、橡胶封口的大变形和车门的模态振动。在进行的模拟中，使用了整体和瑞利阻尼。

从局部应力到精确的耐久性预测

从有限元分析得到的应力输出作为LMS FALANCS的输入，能可靠地把局部应力历程转化成疲劳寿命预测。由于关门产生的载荷引起车门的模态振动时，不能应用常规的准静态叠加方法。因此，采用模态叠加法，同时激活瞬态分析选项来进行耐久性分析。对于金属片，采用应变寿命方法，而对于点焊工程师则选择改良的Rupp方法。用Neuber近似估计的弹塑性效应的弹性应力历史记录作为基本输入。在生成的弹塑性应力和应变历史记录中，采用雨流计数方法确定闭合滞后循环。使用材料数据和一个合适的损伤参数给每个循环赋一个损伤值。在点焊处的力和力矩的历程从梁中提取，并且使用特殊的解析公式计算出相连金属片之间的径向应力历程。使用逆计算Wohler曲线把这些径向应力记录输入到应力寿命分析中。

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BMW结构分析员Dr. G. Tokar这样评论这个项目的价值，"试验和虚拟结果都表明，修改过的设计提高整个疲劳寿命20倍！由应变寿命方法预测的结果与物理试验的结果比跟由Rupp方法产生的结果符合得更好，证明Rupp方法是很保守的。使用刚性蜘蛛网格而不是简单节点对节点连接，促使点焊梁比实际传递更高的力矩。通过对修改过的点焊模型建立新的逆计算Wohler曲线来部分地调整。这个项目证明非线性有限元分析和疲劳寿命预测的结合是正确的方法。一旦进行进一步的修改和优化，这种虚拟模拟的方法就有潜力高效并可靠地预测车体及车门部件的疲劳寿命，无需等待制造样机进行试验。当这种工作方法集成到主流开发过程中时，能够根据开发品质、耐久性和成本潜在地产生显著收益。"(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/5/2010)


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