基于有限元技术的汽车机构运动仿真

刘莹，鲁永建，杨旭，乔鑫



基于有限元技术的汽车机构运动仿真

刘莹，鲁永建，杨旭，乔鑫

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

应用有限元软件ABAQUS对整车运动机构进行运动仿真，根据实车参数建立合理的转向系统机构，开闭件系统等运动机构并对其进行分析，获得各子系统中部件间的相对位移与应力变化情况，评价其合理性与设计可行性。

ABAQUS；多体运动机构；有限元

1 前言

1.1 概述

有限元法诞生于20 世纪中叶。随着大型有限元通用程序的推广以及计算机硬件技术的飞速发展，有限元技术在 20 世纪60 年代中期开始被广泛应用于汽车分析设计中[3]。其分析过程分为结构离散化、单元特性分析、坐标变换、边界条件处理和结构综合这几个步骤。目前大型有限元软件有ABAQUS、NASTRAN 和ANSYS等。

由于汽车本身结构复杂，所承受的载荷也十分复杂，同时也受到各种路面激励和各种车速条件下惯性力的作用以及各连接构件之间的相互约束作用，因此很难用经典力学方法求解。而有限元法由于其能解决结构形状和边界条件都任意的力学问题的优点，将被得到广泛应用[4]。

20 世纪90 年代以后，机械系统动力学分析与仿真技术已能成熟应用于汽车行业。其中多刚体系统的建模理论已经成熟。但在现代汽车的产品开发阶段，已经不仅仅满足于传统的弹性分析，更需要进行整车非线性系统分析，即整车操纵稳定性和平顺性不能仅以刚体模型进行分析，还要考虑结构的变形效应从传统的多刚体力学分析到考虑结构弹性的应力响应，如悬架系统、车身系统等，使得多柔体系统的建模成了一个研究热点。

从整个汽车CAE的角度来说，汽车多体系统分析软件可完成三项任务：(1)对直接设计的系统进行性能预测；(2)对已有的系统进行性能测试评估；(3)对原有的设计进行改进。分析的范围包括：运动分析、静态分析、准静态分析、动态分析、灵敏度分析等[5]。

1.2 主要研究内容

本文以中华系列某型号轿车为研究对象，利用有限元软件ABAQUS建立转向系统与开闭件系统及整车的运动仿真模型，进行运动机构的有限元分析，具体研究如下：

（1）根据实际的转向系统，建立运动机构模型，实现机构运动的正确传递。

（2）根据实际的开闭件系统，按照气动实验的参数要求，建立前后舱盖与两侧车门的运动机构模型，实现机构运动的正确传递。

（3）研究整车级复杂系统（转向系统、开闭件系统，车轮子系统）的机构运动，通过有限元软件精确地实现复杂机构的运动仿真。

2 运动学仿真的理论基础

有限元分析与多体动力学仿真是拥有相同的系统动力学求解基础。有限元分析使用惯性坐标系下的惯性矩阵能更好地适应小位移分析的需要。而在多体仿真软件中使用的局部坐标系下的局部单元矩阵，能及时有效地描述系统内不同构件的位置几何关系。

在有限元分析中，分析对象划分的网格节点，是相对于对象本身的某一惯性坐标。为了描述方便，一般将惯性坐标固定连在物体的一端，并将坐标的一个轴线与物体的轴线重合。将有限元分析的柔体加入多体系统中，需将柔体作相对的位移，即需将柔体分析的有限元方程乘以转换矩阵，从而实现由局部坐标向整个模型的惯性坐标的转换。

采用拉格朗日方法建立的多体系统动力学，当代入其各项因子后，其简化式如有限元方程：

而有限元模型的通用结构分析方程，一般是在有限元分析对象的局部坐标系下建立的。方程中的变量是相对于局部坐标的坐标元素。为了实现有限元分析方程与多体系统动力学分析方程的统一，可以通过多体理论中坐标转换矩阵B，实现有限元分析方程向多体系统动力学的转换。

c对于形如上式的有限元方程，其惯性坐标下的刚度、阻尼、质量矩阵，是由局部坐标系的响应矩阵乘以局部坐标向惯性坐标的转换矩阵得到的。即上述方程可以表示为：

式中：=BmB，m为静止状态下的单元质量矩阵：C=BcB，c为静止状态下的单元阻尼矩阵，=BmB，k为静止状态下的单元刚度矩阵。同时上述方程的等号右边也可以表示为位移、速度、加速度的函数：

如果假定柔体的变形应力在材料的线性变化范围内，则柔体的总位移便可通过在局部坐标系中的相邻的单元变形叠加得到。应用有限元软件求解多体系统是在多体模型的基础上预先求得柔性体与多体系统的作用点的力、力矩、位移、速度、加速度等边界条件，柔性体以此边界条件求出变形与力、力矩。

2.1 建立转向运动机构模型

应用前处理软件处理CAD实体模型，按照真实的运动传递方式建立系统中各部件间的约束关系。

表1 转向系统模型描述

在约束中含有MPC=15；FASTENER=103；COUPLING=1；EQUATION=1，单元中含有CONNECTOR 51；

利用通用静力学分析步分析，打开大变形nlgeom 选项；车身以刚体形式存在；结构间的运动关系通过connector单元实现。

图1 转向系统模型图

图2 转向系统模型图

在图1中UJOINT和TRANSLATOR为ABA集成类型的铰：JOIN，REVOLUTE为用户自定义组合铰，分别定义相对自由度123，456。模拟同一刚体中不同的铰轴向旋转时,如TRANSLATOR与UJOINT两端尽量引用同轴坐标系。在图2中VJOINT为等速万向节，局部坐标系Z轴由两节点决定，坐落在两节点的坐标系指向相同！CYLINDRICAL=SLOT+REVOLUTE，1轴可以引用材料，模拟阻尼或弹簧行为。

图3 传动比分析图

在图3中利用COUPLING实现管柱的转动与传动轴平动的运动关系，由于万向节(两)对转动的传递有损失，故定义该转动自由度(管柱上端还是下端)的选取，取决于真实的传动比信息。

图4 有限元软件分析图

应用有限元软件ABAQUS进行分析见图4所示。在结果文件中查看转向机构在运动过程中各部件之间的位移与受力情况，详见下图所示。

图5 车轮初始状态位移云图

图6 车轮处于转向角位置位移云图

图5是转向系统中车轮处于初始状态时的位移云图，各部件之间的位移为零。图6是模拟在转向过程中车轮处于某一转向角位置时各部件相对初始位置的位移云图。转向运动是驾驶员作用在方向盘上的力通过转向传动机构传递到转向车轮，从而实现车轮转向[6]。由于转向传动机构的传动比小于1，故在转向过程中方向盘位移量最大其次是转向车轮。

图7 各部件受力情况

图7是转向过程中各部件之间的受力情况，在受力云图中可以直观的查看到转向过程中各部件在任意转向角位置处的受力状况。

图8左侧是车轮处于水平静止状态的位移云图，右侧是左右两车轮在纵向方向运动极限位置处的位移云图，从云图中可以看到车轮的位移变化情况，同时也可以查看各部分的受力和加速度变化情况，从而能够更好的反应出给系统的性能及设计的合理性。

图8 车轮位移云图

图9左右两侧分别是左前轮和右前轮在纵向方向上从初始位置到运动极限位置过程中的某一位置处的位移云图，从云图中可以清晰的看到两种不同的工况所产生的位移情况，并且可以实时监测整个运动过程中的位移变化情况，从而反馈给设计人员更好的辅助设计。提高系统的开发效率及使用性能，寿命等。

图9 位移云图

应用有限元软件求解动力学问题可以对整个运动过程中各部件的位移与受力情况进行实时监控，这样能够更好的辅助设计并且为更加深入的各项分析做好准备。在此模型下输入路试试验中采集的路普，模拟各种路面激励下个部件的受力情况，位移量和加速度等。

2.2 建立开闭件系统模型

根据开闭件间的运动关系应用前处理软件对整车的车门及发动机舱盖行李箱盖建立模型。应用有限元软件ABAQUS中按照开闭件气动实验的参数要求建立有限元模型进行分析。

表2 开闭件系统模型描述

在约束中含有COUPLING=24；EQUATION=2，单元中含有CONNECTOR 24；

利用通用静力学分析步分析，打开大变形nlgeom 选项；车身以刚体形式存在；结构间的运动关系通过connector单元实现，详见图10。

图10 结构间运动关系

在建模过程中需要注意如果铰链同轴旋转,联接的两个部件以刚体形式存在,则一个铰链就可以表达运动关系,如果是柔性体则用COUPLING耦合被连接点。

图11 前门在不同位置时位移云图

在图11中左右两侧分别是前门在两个不同位置时位移云图，在云图中可以直观的观察到车门开启不同的角度时各个部位的位移量，前门的开启角度与开启速度及关闭力都是严格的按照气动实验的要求来设置的。模拟的结果符合实验要求具有较高的精确度。

图12 后门在不同位置时位移云图

在图12中左右两侧分别是后门在两个不同位置时位移云图，在云图中可以直观的观察到车门开启不同的角度时各个部位的位移量。

在图13中左右两侧分别是汽车前后舱盖的开启实验模拟，通过有限元软件对运动学进行模拟仿真可以很清晰的查看在整个运动过程中各部分的位移值、受力值加速度等参数，同时还可以提取各种普曲线为后续的疲劳耐久等分析提供输入条件。这样可以大大的缩短实验周期，节省实验费用并且还可以避免由于环境及人为因素等对实验所造成的影响。

图13 汽车前后舱盖开启实验模拟

2.3 建立整车运动机构模型

整车运动机构模型是把转向系统、开闭件系统有机的组合在一起，BIW和发动机系统，冷却系统等均以刚体形式架构入模型中，模拟汽车在驻车时开门过程，分析在该运动过程中部件的位移变化情况。同时还模拟汽车行驶过程中前车轮的位移情况。

图14 驻车状态开门过程中车门位移情况

在图14的左侧云图是汽车在驻车状态开门的过程中某一位置时车门的位移情况。右侧云图是汽车行驶时对前车轮的位移监测图，随着车轮不断的向前滚动车轮的位移量时刻在发生变化。同时还可以监测车轮在滚动过程中轮胎各部分的受力变化情况，整车向前运动过程中行驶速度和加速度等物理参数。这些模拟为车碰撞模拟提供准备。

3 结论

1）应用有限元软件模拟转向机构运动，可以正确的实现运动仿真，满足工程要求，同时还可以实时监测运动部件的受力情况，位移变化等。仿真结果为系统开发提供重要的参考。

2）应用有限元软件模拟车门和前后舱盖开启与关闭运动，按照气动实验的要求建立仿真模型，可以得到实验关注的各项参数同时还可以获取实验所无法测量的参数，如车门开启过程中的任意角度处车门各处的受力情况，铰链处受力变化等。应用有限元分析机构运动可以大大缩短试验周期，节省开发费用，分析结果对于设计开发人员优化产品设计具有重要参考价值。

3）应用有限元软件对整车运动机构进行运动仿真，可以真实的反应汽车机构在运动极限位置及其过程中车轮和悬架等系统的受力状态，位移情况加速度等。同时为后续的碰撞试验模拟做好前期准备。

[1] ABAQUS /CAE User's Manual.

[2] ABAQUS Analysis User's Manual.

[3] 谭继锦.汽车有限元法[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4] 孙海涛.汽车动力学模型综述[J].中国科技论文在线,2002.

[5] 姚艳.独立悬架刚柔耦合建模及性能仿真研究[D].西北工业大学, 2007,3.

[6] 余志生主编.汽车理论(第4版).北京:机械工业出版社,2006.5.

The simulation of motion mechanism in a car based on the finite element technology

Liu Ying, Lu Yongjian, Yang Xu, Qiao Xin

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Apply the finite element software ABAQUS to simulate the vehicle movement, establish vehicle steering system and closure system model according to the real parameters. Obtain a relative displacement and the stress in the various subsystems. Evaluate the reasonableness and design feasibility.

ABAQUS; Multi-body motion mechanism; Finite Element

B

1671-7988(2019)03-59-05

U462

B

1671-7988(2019)03-59-05

U462

刘莹，就职于华晨汽车工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.017