汽车副仪表板扶手总成强度CAE分析方法

技术领域

本发明涉及汽车部件强度分析方法，特别是汽车副仪表板扶手总成强度CAE分析方法。背景技术

汽车副仪表板扶手总成不仅有储物功能，而且还有装饰作用，软质包覆给人一种舒适感。若扶手总成自身强度不足，车辆在行驶过程中容易产生异响，严重影响产品品质；或是扶手总成零部件局部脱出或断裂，扶手开启受阻，甚至无法开启，造成用户抱怨，客户投诉增加，同时还要增加换件成本。

材料模型是CAE分析的基础，材料弹性模量、屈服应力、断裂应力和应变力学参数是通过样条拉伸试验获得的，而获取带有熔接线的拉伸样条需要重新设计注塑模具，一般不会测试具有熔接线的材料强度，目前工程化数据设计阶段进行汽车副仪表板扶手总成强度CAE分析，一般是没有考虑注塑产品熔接线对材料强度的影响。经查阅现有文献，具有熔接线的样件强度约为无熔接线的样件强度的50%。对于功能件强度分析，如果受力区域有熔接线，功能件的强度将会下降一半左右。本发明强度CAE分析中引入不同熔接线汇合角度的材料参数,可大幅提升分析精度，规避总成强度不足以及断裂风险，降低后续设变费用，缩短周期，降低成本，提升产品品质，增强客户愉悦体验感。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车副仪表板扶手总成强度CAE分析方法，以提升汽车副仪表板扶手总成强度分析的精准度。

本发明所述汽车副仪表板扶手总成强度CAE分析方法，包括以下步骤：

步骤1、获取扶手总成各零件材料有熔接线和无熔接线的力学参数，编辑INP材料模型。

步骤2、利用产品工程师提供的汽车副仪表板总成3D数据，对扶手总成关键零件在Moldflow软件中分别进行模流分析，确定零件的熔接线位置及汇合角度。

步骤3、通过软件HyperMesh建模，将3D数据转换成分析用的有限元模型。

步骤4、在Abaqus软件中进行CAE仿真分析。

步骤5、分析结果确认。

步骤6、评估步骤5的分析结果，NO回到步骤3，YES产品结构锁定。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、制作1A哑铃型标准样条：制作熔接线汇合角度θ分别为0°、45°、90°、135°以及无熔接线的样条。

步骤1.2、样条拉伸试验：将1A哑铃型标准样条夹持在拉伸试验机上，设置拉伸速率分别为1mm/min和50mm/min，进行拉伸试验获得材料的应力应变曲线。

步骤1.3、应力应变曲线处理：将试验所得的工程应力应变曲线转化为真实应力应变曲线，计算材料的弹性模量、屈服应力、断裂应力以及塑性应变。

步骤1.4、CAE模拟样条拉伸试验：样条画六面体网格，赋予步骤1.3的材料参数，将样条一端固定，另一端施加力，模拟样条拉伸试验，得到CAE分析应力应变曲线。

步骤1.5、对比样条拉伸CAE分析应力应变曲线和实测的应力应变曲线这两条曲线的重合性，NO回到步骤1.1，YES进行下一步骤。

步骤1.6、将力学性能参数在Hypermesh中编辑保存，导出INP材料模型备用。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、几何模型处理：在CADdoctor中去掉自由边、小圆角和小台阶，导出UDM文件。

步骤2.2、将步骤2.1导出的文件导入至Moldflow中，创建网格模型，分析选择最佳的浇口位置，确定熔接线位置及汇合角度。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、使用建模软件HyperMesh，创建各连接组件的有限元网格，其中扶手基座画四面体网格，金属转轴画六面体网格， 其它零件画中面网格。

步骤3.2、根据步骤2的熔接线位置及汇合角度，利用步骤1所得的材料模型和材料库中的材料模型，将汽车副仪表板总成各零件的材料参数以及不同熔接线汇合角度的材料参数赋予有限元模型中。

步骤3.3、创建连接各有限元网格的1D连接单元。

步骤3.4、扶手总成上施加内部载荷和设置副仪表板总成的边界条件。

步骤3.5、设置输出及分析步。

步骤3.6、保存以上模型，导出INP文件。

所述步骤4包括以下内容：将汽车副仪表板总成有限元模型的INP文件导入仿真分析软件Abaqus运行分析，若结果报错或是不收敛，返回步骤3.1和步骤3.3检查模型，直至得到位移、应力可视化云图。

所述步骤5包括以下内容：在Abaqus Viewer中，打开分析结果ODB文件，分别单独显示扶手外盖板、扶手内盖板、扶手基座和副仪表板下本体四个零件，查看应力云图，确认相应零件最大应力及出现的位置。

所述步骤6包括以下内容：将测量的应力结果对比各零件材料的屈服应力，若大于材料的屈服应力，则进行结构优化，修改模型，返回步骤3，直至分析的应力小于材料的屈服应力；若小于相应材料的屈服应力，则满足要求，产品结构锁定。

本发明具有如下有益效果：

一、对某PP+EPDM_TD20进行拉伸试验，有无熔接线材料强度对比如下: 无熔接线材料的拉伸强度（该材料拉伸强度即为屈服应力）是24.3MPa，汇合角度为45°熔接线材料拉伸强度为12.39MPa，汇合角度为0°熔接线材料拉伸强度为11.6MPa。对于功能件强度分析，如果受力区域有熔接线，功能件的强度将会下降一半左右，本发明CAE分析方法引入熔接线材料强度，可大幅提升汽车副仪表板扶手总成强度分析的精准度。

二、由于获取带有熔接线的拉伸样条需要重新设计模具，一般不会去测试具有熔接线的材料强度，所以常规CAE分析是不会考虑产品熔接线对材料强度的影响。本发明将熔接线材料模型导入至有限元模型中，提高了汽车副仪表板扶手总成强度分析的可靠性，基本上可替代后期扶手总成强度DV试验，降低了试验成本。

三、项目数据设计阶段应用本发明CAE分析方法进行强度分析，能够提前发现扶手总成强度不足问题，在前期解决规避扶手断裂风险，降低后期设变费用和缩短整改周期。

附图说明

图1是本发明所述汽车副仪表板扶手总成CAE分析方法的流程图。

图2是汽车副仪表板总成的爆炸图。

图3是本发明所述的1A哑铃型标准样条的示意图。

图4是本发明涉及的电子万能试验机拉伸试验示意图。

图5是本发明所述材料熔接线汇合角度示意图。

图6是本发明所述材料熔接线扫描断面示意图。

图7是汽车副仪表板扶手总成轴孔配合处节点对应示意图。

图8是汽车副仪表板扶手总成中扶手基座与金属转轴的结构示意图。

图9是汽车副仪表板扶手总成轴孔配合处扶手基座局部网格细化示意图。

图10是汽车副仪表板扶手总成载荷加载示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示的汽车副仪表板总成，模型包括扶手总成1、后排吹风管后段总成2、副仪表板左侧包附件总成3、副仪表板左侧面板总成4、副仪表板前部连接板5、副仪表板下本体骨架6、副仪表板上本体骨架7、副仪表板右侧包附件总成8、副仪表板右侧面板总成9的3D模型，输入数据需包括壁厚、翻边、加强筋及安装定位结构及分布。

CAE分析精度与材料模型、有限元网格模型、内部连接、边界条件以及加载工况有关，为提升分析精度，以上每个因素都需重点关注模拟与实际最接近的状态。具体分析方法如下：

步骤1、获取扶手总成各零件材料有熔接线和无熔接线的力学参数，编辑INP材料模型。

步骤1.1、制作如附图3所示1A哑铃型标准样条10：在注塑模具设计拉伸样条时，布置不同的浇口位置以获得熔接线样条。模具加工完成后，进行注塑工艺调试，获得熔接线汇合角度θ分别为0°、45°、90°、135°以及无熔接线的1A哑铃型标准样条10。

步骤1.2、样条拉伸试验：将1A哑铃型标准样条10夹持在如图4所示的拉伸试验机上，布置引申计于样条标距处，设置拉伸速率分别为1mm/min和50mm/min，进行拉伸试验获得材料的应力应变曲线。

步骤1.3、应力应变曲线处理：根据曲线转变公式，将试验所得的工程应力应变曲线转化为真实应力应变曲线，计算材料的弹性模量、屈服应力、断裂应力以及塑性应变。

步骤1.4、CAE模拟样条拉伸试验：利用Catia软件，依据实测样条尺寸，绘制1A哑铃型标准样条10的3D数据。打开HyperMesh软件，导入样条3D数据，画六面体网格，将步骤1.3的材料参数赋予在样条有限元网格上，将样条一端固定，另一端施加力，模拟样条拉伸试验，得到CAE分析应力应变曲线。

步骤1.5、对比样条拉伸CAE分析应力应变曲线和实测的应力应变曲线这2条曲线的重合性，NO回到步骤1.1，YES进行下一步骤。

步骤1.6、将步骤1.3得到的力学性能参数在Hypermesh中编辑保存，导出INP材料模型备用。

步骤2、利用产品工程师提供的汽车副仪表板总成3D数据，对扶手总成关键零件在Moldflow软件中分别进行模流分析，确定零件的熔接线位置及汇合角度。

熔接线处的材料强度只有材料实际强度的50%左右，甚至更低。当两股或多股熔体在模具型腔中相汇时，每股熔体的温度、压力、粘度等都不相同，熔体间不能有效的混合、缠结，于是在制品上产生了不同汇合角度的熔接痕，如图5所示，塑件表面出现一种线状痕迹，在其断面形成V型槽，如附图6所示。

步骤2.1、几何模型处理：在Catia软件中打开扶手内外盖板、扶手基座14和副仪表板下本体骨架6的3D数据，分别导出igs格式的文件。在CADdoctor导入igs文件，处理自由边、小圆角和小台阶的特征，导出UDM文件。

步骤2.2、将步骤2.1导出的文件导入至Moldflow中，创建网格模型，分析选择最佳的浇口位置，确定熔接线位置及汇合角度。

步骤3、通过软件HyperMesh建模，将3D数据转换成分析用的有限元模型。

步骤3.1、使用建模软件HyperMesh，创建各连接组件的有限元网格，其中扶手基座14画四面体网格，金属转轴15画六面体网格，其它零件画中面网格。

金属转轴15模型单元应为六面体单元，且金属转轴15的节点与扶手基座14孔位置的配合节点应一一对应，如图7所示。

因扶手基座14与金属转轴15配合处悬臂较长，如图8所示，此悬臂受力断裂的可能性大，分析时要考虑此处轴孔配合处的应力分布情况，建模需要注意以下几点：

a、扶手基座14网格尺寸画2mm，轴孔配合处的网格细化，如图9所示，尺寸为1mm。

b、扶手基座14孔与金属转轴15配合处需要建接触连接，扶手基座14与金属转轴15间隙应保证转轴旋转过程中转轴与基座无穿透（单边间隙控制在0.05mm以内），节点相互对应。

步骤3.2、利用步骤1所得的材料模型和材料库中的材料模型，在HyperMesh软件中将汽车副仪表板总成各零件的材料参数赋予有限元模型。对于扶手基座14、扶手内盖板和副仪表板下本体骨架6受力的熔接线区域，根据步骤2得到的熔接线位置和汇合角度，将相应的熔接线材料模型赋在熔接线区域的五排网格上。

步骤3.3、创建连接各有限元网格的1D连接单元：CATIA软件中查看副仪表板总成各零件的安装点位关系，在HyperMesh软件中对各零件的装配关系建立连接。a、安装结构为螺栓/螺钉：1D连接单元约束1～6自由度；b、安装结构为V型卡：1D连接单元约束1～6自由度，其它自身卡根据实际装配情况放开相应自由度。

步骤3.4、扶手总成1上施加内部载荷和设置副仪表板总成的边界条件。

施加载荷：在HyperMesh软件中，扶手外盖板中间区域施加Z向载荷，如图10箭头所示。

设置边界条件：副仪表板安装支架与地板，以及副仪表板总成与CCB连接点固定1～6自由度，副仪表板总成前端与HAVC安装点放开X向平移自由度和Y向旋转自由度，其它方向自由度固定。

步骤3.5、设置输出及分析步。

设置输出：HyperMesh软件中设置节点输出为位移U，单元输出为应力S和塑性应变PE。

设置分析步：HyperMesh软件中选择分析步求解器参数为Static静态分析，勾选内部载荷、边界条件选项以及输出。

步骤3.6、保存以上模型，导出INP分析文件。

步骤4、在Abaqus软件中进行CAE仿真分析。

将汽车副仪表板总成有限元模型的INP文件导入仿真分析软件Abaqus中，运行分析，若分析过程中出现报错或是不收敛，返回步骤3.1和/或步骤3.3检查模型，直至得到位移和应力的可视化云图。

步骤5、分析结果确认。

在Abaqus Viewer中，打开分析结果ODB文件，分别单独显示扶手外盖板、副仪表板下本体骨架6、扶手基座14和扶手内盖板四个零件，查看应力云图，确认相应零件最大应力及出现的位置。

步骤6、将步骤5测量的应力结果对比各零件材料的屈服应力，若大于材料的屈服应力，则进行结构优化，修改模型，返回步骤3.1和/或3.3修改模型，直至分析的应力小于材料的屈服应力；如小于相应材料的屈服应力，则满足要求，产品结构锁定。