基于伪接触法的某机盖撑杆稳定性分析

郑 俊

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330001）

前言

作为汽车重要覆盖件的机盖需要与机盖撑杆进行相应地匹配[1]。在试验工况下，机盖与撑杆相互作用，需要满足在允许变形但不失功能条件下设定的精致工艺和结构强度要求，且避免发生屈曲变形[2]，以免造成机盖和车身机构的损坏，甚至危及人身安全。针对该问题，本文基于试验方法与试验数据采用伪接触法进行机盖撑杆的稳定性分析，在研发概念设计阶段，进行先行数值研究分析验证。

1 撑杆屈曲分析

基于撑杆的工作状态，对边界进行相应地处理，进行前屈曲分析。前屈曲分析用来评估“硬”结构的临界载荷，可以公式（1）计算得到预加载结构所具有的屈曲载荷，用于评估结构的缺陷敏度的研究[3]。

1.1 撑杆模型前处理

网格划分，对于撑杆和撑杆对应的衬套采用实体六面体进行划分，为了保证模拟的准确性，需要对撑杆网格划分有所要求，撑杆（D8 mm）截面为采用N=20对应的网格，高质量的单元可以保证数值仿真的准确度，粗糙的网格单元不但会影响到结构自身强度，而且还会给导致仿真结果的准确度不高。表1为单元网格划分对撑杆截面积与惯性矩的关系与影响，截面积和惯性矩可以根据公式（3）和公式（4）计算得到。

表1 撑杆截面粗细网格划分对比

式中，n为正多边形的边数；a为正多边形的边长；α为正多边形的中心角。

1.2 材料属性

撑杆端部与机盖作用的注塑件的材料参数通过拉伸试验获得得其的测试应力应变曲线，然后在换算成其真实的应力应变曲线如图1，根据拉伸试验ISO527进行拉伸试验，试验速度为50 mm/min，温度为23 ℃；图2是介于撑杆与大灯支架之间安装的橡胶衬套的力与位移的测试曲线。文中分析涉及材料非线性与几何非线性，表2为分析涉及的材料及其属性。

图1 注塑件PA+30%GF的力学拉伸曲线

图2 橡胶衬套力与位移试验测试曲线

表2 撑杆稳定性分析涉及的材料及其属性

1.3 撑杆前后屈曲分析

前屈曲分析是单独对柔性撑杆结构进行特征值屈曲分析，提取相应的屈曲模态特征值，图3为撑杆前二阶的屈曲模态，在工程应用中，使柔性杆保持微小弯曲失稳的最小压力是临界压力，即第一阶的临界载荷。

根据公式（2）和图3中一阶屈曲的特征值，提取第一阶的屈曲载荷F1=5.8543*100=585.43 N。

图3 柔性撑杆前二阶屈曲模态

后屈曲分析是用来评估撑杆在工作状态下，依据试验方法，采用试验载荷，在机盖前角点施加对应载荷过程中发生后屈曲变形的分析。分析Step2过程中需要开启risk，根据数值分析发现，在Step2阶段，位移与时间的历程曲线是正相关，并未出现负相关，如图4所示，说明柔性撑杆未发生后屈曲变形，即柔性撑杆在加载阶段未达到第一阶临界载荷，并不失稳。

图4 工况2下前角点2的位移历程曲线

2 机盖刚/强度分析

发动机盖是汽车重要外观件，其与翼子板、前大灯、前保及前格栅的间隙面差匹配直接关联感知质量[4]。利用CAE分析手段，从精致工艺方面入手，设定机盖卸载后的变形刚度要求。机盖撑杆稳定分析，不仅要针对撑杆自身进行屈曲分析，还要针对与撑杆相互作用的机盖内板进行强度分析[5]。考察撑杆与机盖之间的匹配性，关键在于研究撑杆处于在工作状态恶劣工况下的稳定性[6]。从精致工艺出发，考察机盖的刚度，从结构功能出发，考察机盖的强度，试验工况下需要满足允许变形但不失功能作用。文中仿真的工况设定是基于试验要求确定，如图5所示，在机盖的左右前角点处施加-Z方向的载荷。

图5 机盖前角点P1施加载荷试验图

2.1 边界条件处理

截取车身模型，将机盖处于打开位置，车身的截取端进行全约束，机盖与车身是通过铰链连接，两者之间可以相对转动。工况1与工况2的载荷分别作用于前角点P1与P2，载荷大小为175 N、300 N。表3为工况1、2下模型计算分析步。

表3 工况下仿真分析步

2.2 伪接触处理

撑杆安装在大灯支架上面，两者之间通过橡胶材料相互接触作用，采用伪接触方法对该接触状态进行数值模拟，可以不需要将橡胶衬套建模出来，结合试验测试数据，利用耦合单元和连接器单元组合使用，从而达到接触的效果。伪接触处理方法：橡胶材料的力学性能力与位移的试验测试曲线如图2，撑杆-橡胶衬套-大灯支架之间的状态通过弹簧（Spr- ing）和连接器（connector）进行模拟。将橡胶衬套的力与位移曲线赋予到弹簧的属性（JointSpring）中，连接器采用Slot+Cardan组合，在局部坐标系下保持转动自由度和X/Y两个方向的平动自由度；撑杆的刚性耦合单元（KINCOUP）的主节点与大灯支架刚性耦合单元的主节点重合，两个主节点之间建立弹簧单元（Spring）和连接单元（CONN3D2），耦合单元和伪接触处理如图6所示。

图6 局部坐标下耦合单元与伪接触处理

2.3 分析数据

机盖撑杆的稳定性不仅要保证柔性撑杆自身不失稳，还需要保证精致工艺和强度方面的要求，从而满足撑杆与机盖及车身之间地匹配。通过工程设计要求设定前角点Z方向上永久扭转变形△UZ_Twist和Y方向侧向永久变形△UY的目标值来确保精致工艺，通过等效塑性应变要求来确保使用功能和结构强度。其中，变形刚度计算依公式（5）和（6）。机盖刚强度分析结果见表4汇总。模型刚度与强度分析的数值云图见图7—图9。

表4 模型刚度与强度分析结果数据汇总

图7 工况1下前角点重力场与卸载刚度

图8 工况2下前角点重力场与卸载刚度

图9 两种工况下机盖内板最大等效应变云图

3 结论

本文基于Hypermesh与Abaqus有限元分析软件，对撑杆进行前后屈曲分析，提取相应地特征值，观察撑杆在工况下是否发生后屈曲现象。基于试验方法，对模型进行精细化建模，数值分析工况与试验方法一致，采用伪接触的方法，考察整个机盖在撑杆工作状态下两种工况作用下撑杆稳定性分析：

（1）柔性撑杆本身在载荷作用下，撑杆未发生后屈曲，即撑杆未达到第一临界失稳。

（2）机盖左右前角点Z方向的扭转变形位移最大为0.087 mm和Y方向侧向的最大永久变形为0.016 mm；刚度都在精致工艺的要求范围内。

（3）机盖及车身结构等效塑性应变最大为0.3%，结构允许变形但不发生明显的结构失效和功能失效的前提下，等效塑性应变满足规定要求。

（4）满足稳定性要求的撑杆与机盖及车身结构得到相 应地匹配，便于研发进行下一阶段。