0 引言

在当今的汽车工业中，国内外各大整车制造企业越来越重视汽车在极限工况下因疏忽各部件的运动位移而导致汽车零部件相互干涉的问题。按照传统的方法，汽车企业对于新车型运动干涉的评估都是利用实车在台架或各道路试车场进行测试，该方式虽然是最直接且最准确的，但测试时间十分冗长且耗费人力与物力，即使发现了问题，再去优化设计，势必会延长车型的开发周期，增加经济成本，从而削弱产品在市场上的竞争力。

 

针对上述问题，运用基于有限元理论的数值分析方法即可以在物理样车试制前对零部件的运动量进行评价，减少部件干涉风险，从而缩短产品开发周期，提高市场竞争力。Abaqus 以其强大的非线性模拟仿真技术广泛应用于汽车行业结构强度CAE 分析中。经过 40 多年的发展， Abaqus 已是虚拟产品开发环境中最主要的核心产品，为用户提供功能全面、多学科集成的虚拟产品解决方案，成为在各个领域用户群最多、应用最为广泛的有限元分析软件。

 

1 Abaqus 静力分析基础理论

Abaqus 求解器支持多学科及其高性能分析，包括静力、动力学、热力学、屈曲、振动、灵敏度分析及优化设计等，本文仅调用 Abaqus 进行静力计算，前后处理运用 Abaqus/CAE 相关?？椤baqus静力分析基础理论可以概括成以下几点：

 

1）离散化

连续体离散化是有限元分析的前提和基础，所谓离散化，则是将求解对象划分为有限的微小块体（单元），这些单元通过节点相互连接，载荷通过这些节点在相邻单元间相互传递。

 

2）位移函数

在分析过程中，求解对象的位移、应变、应力通过节点位移来描述，一般假定单元位移是坐标的某种简单函数，位移函数如下：

 

 

 

4）节点载荷计算

在弹性体结构被离散后，假定各向载荷是通过节点从一个单元传递到与其相邻的单元。但对于连续体，各向载荷是从单元的公共边界传递到相邻单元，于是可以根据虚功等效原理[2]，将作用在单元上的各向载荷等效移植到节点上去，从而，可以快速地完成节点载荷计算。

 

5）结构平衡方程的建立

力学特性方程建立后，通过组装可以导出总刚度矩阵和总载荷矩阵。在工程实践中，运用引入单元节点自由度和结构节点自由度的转换矩阵[Tr]，即：

 

 

 

 

6）方程求解

通过调用 Abaqus 求解上述整体平衡方程，得到各个节点的位移，再利用节点位移可以导出单元的应力、应变，最后对输出的结果文件用Abaqus/CAE 进行后处理。

 

2 有限元位移分析

2.1 分析目的

考察蓄电池在汽车行驶的极限工况下，其运动位移是否造成蓄电池与托盘之间的干涉。该车型的蓄电池质量为 18.2Kg，其质心坐标为（1305.924，-409.003，859.366），装配后，蓄电池与托盘之间的最小间隙为 2mm，方向为整车坐标系下的 X 向。如图 1 所示。

 

 

图 1 蓄电池与托盘的装配间隙

 

2.2 有限元模型建立

运用 ABAQUS CAE 前处理软件对 3D 数据进行几何清理与网格划分，模型单元总数为 1389302个，节点数为 1360224 个，有限元单元类型信息如图 2 所示。同时，借助 ABAQUS 强大的材料非线性功能，对各部件添加密度、弹性模量、泊松比、应力应变等数据。

 

 

图 2 蓄电池总成网格

 

蓄电池借助托盘与卡夹在螺母螺栓预紧力的作用下通过接触固定，根据实际情况，分别建立TIE/CONTACT 如下接触，同时，在螺栓中定义预紧截面并施加预紧力 4685N。

 

 

 

2.3 工况设定

蓄电池在车辆制动、加速、转弯、跳动等极限工况下由于惯性力的作用而发生较大的运动位移，若在上述四种工况下，其最大位移小于 2.1 中的最小间隙，则蓄电池不能与托盘发生磕碰而导致干涉。在具体模拟分析中，四种工况形成独立的四个*.inp 文件，但工况基本一致，只是修改各个方向的加速度而已。

 

载荷工况 1 约束托盘、托盘支架与车身接附点的所有自由度，施加预紧力矩。

 

 

 

载荷工况 2 继承上一工况的边界条件，并约束预紧参考点的 X 向平动，同时单独施加车辆在制动、加速、转弯、跳动的加速度，由于该方法为公司内部标准，本文的*.inp 中的加速度仅用 abrake/acc / acurve /ajump 表示。

 

 

 

2.4 分析结果

蓄电池极限工况下的位移如下表所示。在四种极限工况下，蓄电池最大位移为 1.5mm，小于目标值 2mm，则在车辆行驶的极限工况下，蓄电池与托盘未能发生磕碰而导致相互干涉。

 

表1.蓄电池位移分析结果

 

 

通过上述工况的分析，蓄电池运动最大位移发生在转弯工况，其 X 向最大位移出现在加速工况，位移云图如图 3 所示。

 

 

图 3 蓄电池位移云图

 

3 路试验证

在对蓄电池总成位移分析后，确定蓄电池与托盘之间不会发生磕碰干涉，从而保证蓄电池的安全性能。在后续的的物理样车中，将该蓄电池总成搭载于某车型中进行海南试验场 2 万公里坏路与五指山 3 千公里山路试验，试验反馈该蓄电池与托盘未发生干涉，产品性能满足要求，如图 4 所示。

 

 

图 4 蓄电池总成试验状况

 

4 结束语

汽车零部件磕碰干涉是疲劳破坏的常见形式，在工程设计阶段，运用有限元分析方法对开发车型进行极限工况下的运动位移分析，于试制样车前，挖掘潜在风险并结合工艺可行性，提前优化设计，消除风险。Abaqus 以其强大的非线性模拟仿真技术广泛应用于汽车行业 CAE 结构分析中，运用Abaqus 求解器可以快速地对汽车零部件进行位移分析。从而大幅度缩短样件试制-路试试验的循环周期，节约开发成本。

 

资料来源：达索官方