HyperWorks有限元軟件在汽車天窗頂蓋的剛度分析與應用
1、背景
汽車頂蓋開天窗后，局部剛度會降低，當剛度不足時，在高速行駛，會產生震動及噪音，影響汽車的使用性能，嚴重的情況下天窗會掉下。汽車頂蓋的局部抗凹性能是反映頂蓋剛度性能的重要特性，因此其抗凹性能分析越來越受到設計部門的重視。
HyperMesh是一個高性能的有限元前、后處理器，擁有全面的CAD和CAE求解器接口、強大的幾何清理和網格劃分功能，能夠高效地建立各種復雜模型的有限元和有限差分模型。汽車外板的抗凹性能是反映外板使用性能的重要特性，有限元科技小編應用HyperMesh前后處理軟件，分析某車帶天窗頂蓋的剛度?？紤]了材料、幾何及邊界的復雜非線性，模擬天窗的夾緊，對某車型開天窗后的頂蓋的抗凹性能進行了模擬分析。通過對頂蓋的抗凹性分析及評價，為設計工程師提供了重要的參考價值。
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2、分析模型
2.1有限元模型的截取
頂蓋的有限元模型截取自白車身。在模型截取過程中既要使截取后的頂蓋模型計算后與實物保持一致，又要使有限元模型盡量簡單。鑒于以上考慮，將白車身及頂蓋總成的CATIA模型導入HyperMesh，并進行幾何清理www.digitalorthodoxy.com，在HperMesh軟件中截取白車身的有限元模型，模型網格的基本尺寸采用5mm×5mm建模，共有154640個單元。最后的模型如下圖1所示。
2.2材料與屬性
本次分析涉及7種材料，由于要考慮頂蓋的塑性變形，除了給出材料的彈性模量和泊松比外還給出了材料發(fā)生塑性變形后的塑性應變和應力的曲線。
3、邊界條件
頂蓋的抗凹剛度性能分析要考慮幾何非線性、材料非線性及接觸非線性。在分析中，采用解析剛體模擬剛性壓頭，在薄弱區(qū)域建立剛性面與頂蓋之間接觸關系。120N載荷施加在剛性面上，載荷方向沿著考察點曲面的法向。天窗用剛性體模擬，天窗的質量以集中質量加在天窗的質心處。約束A/B/C柱截面的DOF123，邊界條件如圖2所示。
分析分為兩個載荷步：
第一步：天窗自重下，頂蓋的變形；
第二步：施加位移載荷，在選取分析考察點建立垂直于外板的局部坐標系，在剛性面參考點沿局部坐標系Z軸施加120N載荷。
4、計算結果及分析
根據實驗測量頂蓋剛度最弱的區(qū)域作為抗凹點的分析位置，具體選擇在下圖所示天窗右下角，與天窗邊緣的距離為50mm 處，從HyperView后處理軟件查看計算結果，得到在天窗自重下及120N載荷下的變形如下圖3/4所示。計算、分析值與實驗值比較接近。
此時開天窗后的頂蓋的抗凹性較弱，變形較大，不能接受，需要進行局部加強優(yōu)化。
5、結構改進
為了解決現有車型頂蓋剛度www.digitalorthodoxy.com不足問題，在不增加零件模具的情況下，通過在天窗附近區(qū)域粘貼結構加強片，來加強頂蓋的剛度。工程上提出了3種粘貼結構加強片的方案：
方案一：在天窗四周貼加強片，如圖5所示；
方案二：在天窗四周部分區(qū)域貼加強片，如圖6所示；
方案三：在天窗后部一個區(qū)域貼加強片，如圖7所示；
分析結果如下圖所示：
從上面的分析結果可知，方案1與方案3對安裝天窗后的頂蓋剛度不足問題有了很大的改善，方案3的改善效果與方案1相差不大，且方案3所貼的加強片較少，成本降低達2/3。綜合考慮可知方案3最優(yōu)。
6、總結
本文利用HyperMesh強大的畫網格功能及HyperView強大的后處理功能，很方便進行建模與后處理結果提取分析。對某車型開天窗后的頂蓋進行了抗凹性分析，分析結果與實驗較一致。根據分析結果對頂蓋的整體剛度性能做了評價，并提出了優(yōu)化方案，經試驗檢測證明優(yōu)化改進后的頂蓋剛度性能得到了明顯的改善。
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