《杜小辉_基于HyperWorks的汽车转向管柱静压溃性能分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《杜小辉_基于HyperWorks的汽车转向管柱静压溃性能分析.pdf（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集 基于基于 HyperWorks 的汽车转向管柱静压溃性能分析的汽车转向管柱静压溃性能分析 杜小辉 王则龙 邵俊健杜小辉 王则龙 邵俊健 浙江吉利汽车研究院有限公司 - 1 - Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集 基于基于 HyperWorks 的汽车转向管柱静压溃性能分析的汽车转向管柱静压溃性能分析 Static Compression Performance Analysis of Steering Column Based on HyperWorks 杜小辉 王则龙 邵俊健 (浙江吉利汽车研究院有限公司
2、工程分析部 CAE 科) 摘摘 要要: 分析转向管柱的性能和吸能机理， 按照乘用车转向管柱轴向静态压溃试验的试验 方法，利用 HyperMesh 软件建立吸能式转向结构的分析模型。在此模型基础上进行转向管 柱静压溃仿真分析，计算输出压溃力与位移的关系曲线，并且与试验结果进行对比。 关键词关键词: 转向管柱， 吸能式转向结构， 静压溃，仿真，HyperMesh Abstract: Analysis on the performance and principle of energy absorption of steering column. According to the test meth
3、od for static axial compression of vehicle steering column, by building the impact analysis model of energy-absorbing steering assembly with HyperMesh, analysis on Static Compression, the crush force-displacement curve is calculated and analyzed. Then the analyzing result was compared with the test
4、result. Key words: steering column, energy-absorbing steering assembly, static compression, simulation, HyperMesh 1 概述概述 汽车转向系统连接转向盘和车轮， 用来保持或改变汽车的行驶方向， 是驾驶员操纵汽车 的基本媒介。同时，转向系还关系到汽车的舒适性、操纵性和安全性，是汽车中较关键的一 个子系统。根据交通部的统计资料和对汽车碰撞试验的研究，当汽车发生正面碰撞时，有 46%的驾驶员伤害都是由转向盘、转向管柱和转向器等转向机构造成的1。我国虽然对汽车 的安全性进行了一定程度的研究，
5、 但对被动安全性研究最多的主要集中在安全带、 安全气囊、 吸能保险杆等碰撞安全措施， 以及车身的耐撞性和整车的碰撞试验与仿真等， 而对于安全转 向机构的研究还没有引起足够的重视。 随着数字制造技术和计算机水平的发展，应用 CAE 技术可以减少耗资巨大的传统物理 试验，从而缩短汽车研发周期，降低成本。本文重点研究某车型转向管柱静压溃特性，将 CAE 技术应用于转向管柱的性能分析，减少了从原型到试验评估中制造原型的步骤，为高 精度设计提供依据。 - 2 - Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集 本次分析采用 Altair HyperWorks 软件包和 LSDYNA 求解器
6、，HyperWorks 是由美国 Altair Engineering Inc.公司的主要产品之一，提供了全球领先的、开放的 CAE 工程平台， 目前广泛应用于汽车、航空航天、铁道、电子等领域。HyperWorks 集成了 HyperMesh、 HyperView、 HyperGraph 等一批优秀的工程工具， 可以与所有主流的商业 CAD 系统和 CAE 求解器协同工作。其中 HyperMesh 是世界领先的、功能强大的独立于求解器的有限元网格 划分和模型装配工具，其强大的前处理功能让整车及其子系统有限元模型的建立更加便利。 2 转向管柱吸能机理转向管柱吸能机理 目前有很多类型和结构的吸能式
7、转向管柱， 转向管柱起连接方向盘和转向器， 传递扭矩、 防盗、 被动安全防撞吸能等作用， 为了保证在碰撞压缩的最大设计位移或时间内对驾驶员胸 部产生较小的作用力，主要通过采取材料的弯曲变形、接触摩擦、折断、剪断等几种形式的 组合2。此外，吸能式转向管柱除了能保证规定的轴向压缩变形力外，还要有足够的抗弯曲 强度以提高轴向吸能效果； 吸能部分的上下端应分别连接在车身上强度和刚度有一定差异的 部位，以保证压缩吸能力的传递。 在GB11557-1998 对转向管柱总成有安全性规定， 但是对于怎样具体实现这一标准并没 有具体体现，为了使得转向管柱符合国家安全性标准，对转向管柱本身有压缩行程、转向柱 系统
8、的最小临界压缩力、转向管柱断裂特性3等试验要求，如图 1 所示某车型机械转向管柱 总成。 5 5 3 2 4 1 6 7 1 下支架总成 2变形条 3树脂销 4管柱体 5组合开关支架 6花键轴总成 7调节手柄总成 图 1 机械转向管柱总成 转向轴和管柱均为两段式，与仪表横梁间有个变形支架。变形支架和转向管柱相连（如 图 2），与拉脱块共同作用。当汽车发生正面碰撞时，碰撞冲击传到转向盘，转向盘和安装 气囊吸收冲击能量，冲击载荷超过一定限值，树脂销被剪断，拉脱块能够从支架中脱出，与 车身脱离；转向轴上段和管柱的上段下移（如图 3），管柱内外管接触部分的摩擦阻力吸收 冲击能量。 - 3 - Alta
9、ir 2009 HyperWorks 技术大会论文集 变形支架 拉脱块 图 2 机械转向管柱变形示意图 图 3 机械转向管柱碰撞溃缩示意图 本车型机械转向管柱碰撞压溃过程中的吸能部分主要包括以下三方面： （1） 树脂销被剪断，压溃开始，吸收部分能量； （2） 变形条的变形和部分摩擦吸收能量； （3） 转向管和轴在溃缩过程中的摩擦等吸收能量。 3 有限元模型的建立有限元模型的建立 对本机械转向管柱的有限元模型主要包括对已有几何模型的单元划分、材料模型、接 触截面的定义、结构连接、初始条件和边界条件设定等。 3.1 网格划分网格划分 在保证转向管柱静压溃仿真精度的前提下，应适当简化该套筒式转向系统
10、的仿真模型，突 出研究重点。 抓住模拟计算研究的关键问题， 忽略在模拟中不起关键作用或基本不起作用的 零部件和结构。根据套筒式转向系统的结构和工作原理，对其模型进行了如下简化： （1） 起连接和转向力作用的花键等结构，由于对能量吸收作用较小，因此忽略。 （2） 调节手柄总成部分只起调节管柱转向盘倾角的作用，对此结构简化处理。 在简化模型的假设前提下，对几何模型用 HyperMesh 软件进行离散化，建立有限元 模型，除了拉脱块、树脂销之外，其他零部件均使用了壳单元(shell element) 划分有限元 网格。由于转向管柱中的零部件均较小，故使用较白车身更为细密的网格划分，网格的大 小平均在
11、 46 mm 之间， 变形条由于起关键的变形作用， 所以网格大小为 23 mm 之间。 拉脱块和树脂销定义为六面体八节点的实体单元(solid element)，附于实体单元表面的壳 单元与实体单元共用节点，套筒间摩擦及作用依经验值按照弹簧单元处理。 为了保证模型计算的精度和效率，对单元质量进行了检查。对不符合质量要求的单元 进行了修正，检查标准如表 1 所示。所建的套筒式转向管柱系统的有限元模型（如图 4） 共有节点 6034 个，壳单元 5296 个，实体单元 151 个，三角形单元占整个单元总数的百 分比为 6%。 - 4 - Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集
12、 表 1 单元质量检查标准 单元类型 最小尺寸/mm 翘曲角/（）雅可比 长宽比 三角形单元比例 壳单元 2mm 15 0.7 4 10% 体单元 2mm 15 0.6 4 图 4 转向管柱有限元网格模型 3.2 材料模型及接触定义材料模型及接触定义 在碰撞分析过程中，应用较多的材料模型有弹性材料、弹塑性材料、超弹性材料、泡沫 材料、 复合材料以及刚性材料等。 材料模型的选择必须能准确的反映构件的变形特性和变形 状态。转向管柱一般都是低碳合金钢材料，低速碰撞时，材料模型可不计应变率，高速撞击 时，必须考虑应变率效应的影响，确定好材料模型之后，必须确保材料模型参数的准确性。 HyperMesh
13、提供了多种材料模型，计算过程中主要应用了弹塑性材料模型和刚塑性材料模 型，所用低碳合金钢弹性模量 E=2.1E5 Mpa，泊松比取=0.3，密度=7.9E3kg/m3。在 采用板壳单元来建模时， 取其薄板厚度为各自实际厚度。 进行仿真分析， 需要事先定义接触， 不同的接触需要不同的接触界面模型进行模拟； 不同材料间的接触也需要定义不同的接触参 数。 以下为几个关键区域的材料模型与接触的定义： （1）拉脱块与树脂销： 如图 5 所示，树脂销划分为六面体单元，按照可失效的焊点处理。为了模拟连接方式的 失效，需要建立约束方程的失效准则。只要传递的力不超过失效准则，则维持约束方程。一 旦达到失效准则，
14、则认为发生失效，不再施加约束方程。 - 5 - Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集 （a）初始状态 （b）失效过程 图 5 树脂销模型 （2）变形条： 变形条与槽间接触方式为 CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 接触 类型，材料为 SPCC，单元为壳单元，并且对网格细化，如图 6 所示。 图 6 变形条 （3）上下轴和套筒： 整个转向管柱的接触方式为 CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE 接触类型， 在套筒内定义弹簧阻尼单元， 如图 7 所示， 使用两个节点和离散的材料来定义无质量的弹簧 阻尼单元，这样
15、可以定义复杂的力位移关系，从而更好的模拟套筒内部的变形和摩擦。由 于只能同时定义一个弹簧或阻力选项， 所以如果需要定义弹簧阻尼集合体， 则需要重叠定 义两个单元。 Spring 图 7 上下套筒 3.3 结构连接结构连接 - 6 - Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集 模型中不同结构之间的各种连接必须加以准确描述， 包括实际物理连接方式的焊接、 铆 接、 螺栓连接、 铰接等。 上下轴及上下套筒之间采用 CylJoints 单元模拟， 轴承采用 RevJoints 单元模拟，其余的连接均采用刚性（RIGID）连接，如图 8 所示。 图 8 转向管柱的连接 3.4 初始条
16、件和边界条件初始条件和边界条件 根据乘用车转向管柱轴向静态压溃试验的试验方法，将转向管柱总成按近似实车状态装 夹到压缩机夹具上， 将压力机头部压块平行压到转向管柱轴上， 并保证压力机头部与转向管 柱轴同心， 施加轴向载荷。 压力机的下压行程根据不同转向管柱而定， 一般为 50mm80mm 之间，下压速度为 100mm/min。本文仿真分析转向管柱压溃行程为 50mm，压力机压块设 为刚体模型，下压速度为 1mm/ms，对上支架和下支架分别施加全约束（如图 9 所示） ，输 出压溃力与位移的关系曲线。 （a） 下支架 （b） 上支架 图 9 上下支架的约束 4 计算结果图计算结果图 - 7 - Altair 2009 HyperWorks 技术大会论文集 用 LSDYNA 对通过 HyperMesh 建立的有限元计算文件进行求解，并且由 HyperView 对结果文件进行后处理，如图 10 所示为变形板在静压溃开始和结束状态，图 11 为转向管 柱静压溃过程。 （a） 变形板初始状态
