張靜秋，劉建元

(廣東科技學(xué)院，廣東東莞 523083)

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汽車塑料構(gòu)件開發(fā)中CAE計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性探討

張靜秋，劉建元

(廣東科技學(xué)院，廣東東莞 523083)

CAE 軟件能夠提供從分析部件性能到系統(tǒng)級設(shè)計(jì)所需的全部工具，可用于眾多類型的汽車仿真分析。但CAE技術(shù)原理決定了CAE計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是有其適用范圍和極限的。特別是針對塑料零件的設(shè)計(jì)分析，CAE計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性問題尤其值得關(guān)注。分析了影響CAE計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素。精心選擇了3個(gè)應(yīng)用案例：特征頻率預(yù)測、振動應(yīng)力計(jì)算和疲勞分析，來說明CAE仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性問題。第一個(gè)案例的研究結(jié)果表明：CAE仿真能夠?qū)Y(jié)構(gòu)體整體性能，諸如特征頻率等，進(jìn)行非常準(zhǔn)確的預(yù)測。而第二個(gè)案例證實(shí)：結(jié)構(gòu)體由振動引起的應(yīng)力、應(yīng)變，使用CAE仿真計(jì)算得到的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果卻不吻合。第三個(gè)案例，即使是疲勞預(yù)測這種眾所周知的難題，使用CAE仿真計(jì)算對比結(jié)構(gòu)體A、結(jié)構(gòu)體B(結(jié)構(gòu)體A的改進(jìn))的性能變化，結(jié)果卻很準(zhǔn)確。以上案例說明，在塑料零件設(shè)計(jì)評估中，應(yīng)該更加重視CAE對零件整體性能的仿真結(jié)果，而不是去關(guān)注局部特性。此外，凡是需要預(yù)測局部特性時(shí)，一定要優(yōu)先考慮從A到B的對比。如果必須對由CAE仿真得到的應(yīng)力、應(yīng)變做出說明，則一定要結(jié)合其他的評估手段，以避免對設(shè)計(jì)造成誤導(dǎo)。

汽車；塑料；CAE仿真；準(zhǔn)確性

0　引言

不斷變化的市場前景、消費(fèi)者需求以及新的政策法規(guī)都推動著汽車行業(yè)積極地進(jìn)行創(chuàng)新，以提高燃料效率、改進(jìn)噪聲振動性能并降低材料成本。作為新興技術(shù)的早期采用者，這一行業(yè)期待著能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標(biāo)的仿真解決方案。CAE軟件的解決方案處于這場革命的前沿，尤其是所有大型 OEM 和關(guān)鍵供應(yīng)商已將這些軟件產(chǎn)品運(yùn)用到設(shè)計(jì)和開發(fā)流程之中。為使工程部門能夠更加高效地實(shí)現(xiàn)更高層次的創(chuàng)新，CAE 軟件能夠提供從分析部件性能到系統(tǒng)級設(shè)計(jì)所需的全部工具。

目前CAE軟件可用于眾多類型的汽車仿真，涉及設(shè)計(jì)優(yōu)化、噪聲與振動、聲學(xué)、耐久性與疲勞、碰撞與安全、乘坐與操控、非線性與接觸建模、零部件與組合件結(jié)構(gòu)分析、復(fù)合材料建模、熱特性、機(jī)電一體化、車輛動力學(xué)，以及多學(xué)科分析等眾多領(lǐng)域[1-2]。每一種應(yīng)用都有其自身的特點(diǎn)和規(guī)律，作者僅就CAE技術(shù)在汽車塑料構(gòu)件開發(fā)過程中存在的問題做一些分析。

采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造的部件和產(chǎn)品具有眾多優(yōu)勢——輕質(zhì)、堅(jiān)實(shí)、耐用及耐熱，它們?nèi)〈虽X和鋼等金屬，為許多行業(yè)所認(rèn)可，在汽車行業(yè)更是如此。作為“工程材料”的復(fù)合材料能為產(chǎn)品制造商帶來質(zhì)量及性能等多方面的優(yōu)勢。但相對金屬之類的常規(guī)材料而言，它們在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也存在著諸多難題。分層、引起最終斷裂的微裂以及其他一些在采用金屬進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不會遇到的情況，對于復(fù)合材料而言均非常重要。由于制造工藝昂貴、耗時(shí)，使得實(shí)體模型更加不現(xiàn)實(shí)。CAE軟件在復(fù)合材料方面廣泛的解決能力有助于復(fù)雜復(fù)合材料的分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)[3-5]。

然而，CAE預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性依然受到質(zhì)疑，尤其是當(dāng)計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)師預(yù)期的結(jié)果相悖時(shí)，特別是到了設(shè)計(jì)晚期。CAE計(jì)算結(jié)果建議對設(shè)計(jì)做出修改，這一修改建議應(yīng)否被采納，經(jīng)常引發(fā)爭論。更嚴(yán)重的是，有時(shí)CAE計(jì)算結(jié)果會與試驗(yàn)結(jié)果完全不同。復(fù)合材料的特性會使這一問題更加嚴(yán)重[6]。

1　引發(fā)CAE計(jì)算偏差的根源

設(shè)計(jì)工程師有很多理由懷疑CAE計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。雖然計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)快速發(fā)展，使得今天的CAE模型，較之以往更接近真實(shí)結(jié)構(gòu)，然而，CAE仿真過程中，假設(shè)與簡化依然不可避免。

首先，有限元的網(wǎng)格只是對真實(shí)表面或空間的一種近似，從來不能真正代表真實(shí)的幾何構(gòu)造。例如，一些并不是很重要的幾何特征，像倒角等，經(jīng)常被省略掉。刪除殼模型中的某一表面而造成的間隙，會導(dǎo)致表面連接的近似。此外，在殼模型中，由拔模角引起的殼厚的微小變化，也可能被忽略。

根據(jù)圣維南原理，邊界條件通常被理想化，即應(yīng)力分布假設(shè)，除載荷點(diǎn)外，并不考慮真實(shí)的負(fù)載分布。而由于載荷集中，在結(jié)構(gòu)邊界位置，應(yīng)力通常會達(dá)到峰值，這恰好是塑料零件設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。這也說明，為何在塑料零件結(jié)構(gòu)連接處和載荷點(diǎn)處，通過CAE仿真計(jì)算預(yù)測應(yīng)力尤其困難。此外，不同類型約束的機(jī)構(gòu)建模不當(dāng)，會引發(fā)更多的錯(cuò)誤。對6個(gè)自由度全部被約束的邊界，用螺栓、螺母方式建模是最直接的方法，而預(yù)緊式的鎖扣連接則很難建模。當(dāng)一個(gè)塑料部件由幾個(gè)不同的零件組裝而成時(shí)，對連接部位建模是一件非常有挑戰(zhàn)性的工作。為仿真真實(shí)物理現(xiàn)象，連接位置需要做接觸建模。然而，在CAE中對連接位置進(jìn)行細(xì)致的建模，會消耗大量計(jì)算資源，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致仿真計(jì)算結(jié)果離散。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常使用諸如剛性連接等簡化方法，這種簡化可能也會導(dǎo)致CAE計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。

與傳統(tǒng)金屬材料相比，塑料的應(yīng)力、應(yīng)變特性具有典型的非線性。分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分或填料的細(xì)微變化都會明顯改變材料特性。同時(shí)，塑料特性對溫度和濕度等環(huán)境條件也極為敏感。時(shí)變性，也是所有塑料的另外一種特性。應(yīng)力、應(yīng)變曲線會隨加載時(shí)間的變化而變化，蠕變和放松也具有同樣的現(xiàn)象。所有這些因素，使得CAE工程師很難獲得材料的真實(shí)非線性特性。

此外，加工過程使得塑料特性變得更加復(fù)雜。例如，噴鑄零件內(nèi)部從注塑口到模具末端有密度梯度；熔化的塑料流動過程中，會使聚合物沿流動方向排布,這使得塑料呈各向異性[7]；塑料件焊線位置強(qiáng)度通常會降低，是整個(gè)塑料結(jié)構(gòu)性能的薄弱點(diǎn)。

所有這些因素，都會影響CAE計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。關(guān)于各因素的分析研究，可以檢索到大量文獻(xiàn)。在此作者只討論工業(yè)環(huán)境下，CAE計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

汽車工業(yè)中，學(xué)術(shù)研究項(xiàng)目與設(shè)計(jì)分析的根本區(qū)別，在于CAE模型輸入信息的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。眾所周知，CAE仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期更有價(jià)值，因?yàn)閱栴}發(fā)現(xiàn)得越早，修正耗費(fèi)越少。然而，越是早期，可供計(jì)算使用的準(zhǔn)確信息就越少。

設(shè)計(jì)早期，設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)在CAD中并不完善。有時(shí)，結(jié)構(gòu)間安裝關(guān)系還沒有確定，這直接影響CAE仿真；有時(shí)，材料甚至還沒有確定，而寄希望于CAE仿真結(jié)果能夠幫助確定材料；有時(shí)即使材料已經(jīng)確定，材料供應(yīng)商卻不能提供所需要的材料信息或提供的信息不夠準(zhǔn)確。此外，缺少載荷信息也是導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤一個(gè)重要因素。在載荷定義不足或沒有定義的情況下進(jìn)行CAE分析，這種情況也很常見，尤其是動態(tài)載荷。這里有幾種原因:沒有產(chǎn)品或原型機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的載荷測試；交付時(shí)間受限；加載情況太復(fù)雜，不能定義或測試。缺少準(zhǔn)確的輸入條件，必然會導(dǎo)致CAE預(yù)測不準(zhǔn)。因此，如何在工業(yè)應(yīng)用中解讀CAE計(jì)算結(jié)果，成為CAE分析人員或產(chǎn)品工程師的一項(xiàng)重要工作。

2　CAE分析案例

通過Y ZHANG等所做關(guān)于CAE準(zhǔn)確性的3個(gè)應(yīng)用案例[8]，即特征頻率分析、振動應(yīng)力分析和疲勞分析，來說明CAE仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性和局限性。

2.1塑料零件特征頻率分析

試驗(yàn)裝置：一套轉(zhuǎn)向燈，固定金屬板，激振器。激振器能夠在垂直方向產(chǎn)生5～200 Hz、1g大小的振動。一個(gè)加速度傳感器直接安裝在夾具中心，用來測量激振器傳遞給夾具的加速度值。另外兩個(gè)加速度傳感器安裝在轉(zhuǎn)向燈上部固定點(diǎn)處，分別用來測量橫向和縱向的振動響應(yīng)。特征頻率測試試驗(yàn)臺見圖1。

圖1　特征頻率測試試驗(yàn)臺

測試的頻率-時(shí)間曲線見圖2。響應(yīng)曲線中的峰值表示燈組的共振頻率點(diǎn)。

圖2　振動信號輸入和輸出時(shí)間曲線

圖3用頻率增益指標(biāo)，清晰地顯示出了燈組的第一特征頻率為89 Hz。增益，即給定頻率點(diǎn)輸出頻率幅值與輸入頻率幅值的比值，便于辨別共振點(diǎn)。

圖3　燈具橫向和縱向頻率增益曲線

用CAE軟件建立了燈組的仿真模型，并計(jì)算了燈組的特征頻率。燈殼由聚碳酸酯材料制作，彈性模量2.3 GPa，密度1.11 g/cm3；燈透鏡由丙烯酸材料制作，彈性模量1.7 GPa，密度1.16 g/cm3；測試安裝板由1010鋼制作，彈性模量203 GPa，密度7.86 g/cm3。

模型分析由商業(yè)軟件NASTRAN完成，計(jì)算結(jié)果顯示燈組

第一特征頻率為92 Hz，如圖4所示，與測試結(jié)果相比只有3.4%的偏差。

圖4　用CAE軟件計(jì)算的燈組第一特征頻率

這一案例表明，CAE可以準(zhǔn)確計(jì)算塑料構(gòu)件的第一特征頻率。類似的CAE計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步證明，CAE能夠很準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)構(gòu)整體性能，比如特征頻率、位移、結(jié)構(gòu)剛度等[9]。

2.2振動應(yīng)力計(jì)算

對一款頭燈進(jìn)行了FMVSS108振動測試。使用一個(gè)三向加速度傳感器測量測試基座中央靠近頭燈安裝位置的輸入振動加速度值。一個(gè)應(yīng)變傳感器安裝在頭燈的一個(gè)固定連接處，用來測量應(yīng)變反應(yīng)。試驗(yàn)情況如圖5所示。振動器產(chǎn)生的振動輸入信號如圖6所示，應(yīng)變測試結(jié)果如圖7所示。

使用NASTRAN建模，利用瞬態(tài)方法計(jì)算了應(yīng)變測試部位的應(yīng)力響應(yīng)。頭燈建模如圖5所示。燈殼由聚丙烯材料制作，彈性模量3.5 GPa，密度1.23 g/cm3；燈罩和反光板用聚碳酸酯材料制作，彈性模量2.0 GPa，密度1.22 g/cm3；反光鏡由聚醚酰亞胺材料制作，彈性模量3.0 GPa，密度1.28 g/cm3；試驗(yàn)臺材料為1010鋼。

圖5　頭燈測點(diǎn)和CAE模型

圖6　輸入激振信號

圖7　輸出應(yīng)變信號

由應(yīng)變測試結(jié)果計(jì)算得來的主應(yīng)力和CAE仿真結(jié)果均列于圖8中。

之所以選擇主應(yīng)力來比較，主要為了消除應(yīng)變傳感器安裝位置的影響。結(jié)果很明顯，CAE仿真結(jié)果值偏高(峰值1.1 MPa)，而實(shí)測值只有0.55 MPa，偏差100%。雖然兩者的均方根值很相近，計(jì)算結(jié)果0.16 MPa，測試結(jié)果0.17 MPa。

這一案例清楚地說明，想通過CAE準(zhǔn)確預(yù)測塑料元件應(yīng)力，相當(dāng)困難。因此，在解讀CAE計(jì)算出來的應(yīng)力結(jié)果時(shí)，需要通過其他途徑來補(bǔ)充信息[10]。在開發(fā)塑料零件時(shí)，決策過程應(yīng)該更重視CAE計(jì)算出的結(jié)構(gòu)整體性能信息，而不是局部的應(yīng)力、應(yīng)變信息。只要有可能，應(yīng)該首先建立結(jié)構(gòu)整體性能標(biāo)準(zhǔn)，比如變形限值、最小第一特征頻率等。

圖8　應(yīng)變響應(yīng)的CAE仿真與試驗(yàn)對比

2.3疲勞分析

在一個(gè)支架疲勞振動試驗(yàn)中，當(dāng)振動試驗(yàn)進(jìn)行到8 min時(shí)，連接位置出現(xiàn)破壞。如圖9所示，在T形連接的一個(gè)彎角處出現(xiàn)斷裂。為提高連接處疲勞壽命，T形連接被加厚。那么，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能否通過振動試驗(yàn)?zāi)?？為回答這個(gè)問題，需要進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。

圖9　支架振動破壞

普遍認(rèn)為，準(zhǔn)確計(jì)算疲勞壽命是一件很困難的工作，即使導(dǎo)致疲勞破壞的應(yīng)力被準(zhǔn)確測到[11-13]。何況，在此案例中，彎角處的應(yīng)力值是很難測到的。因此，只能借助CAE計(jì)算，對應(yīng)力水平做出評估，同時(shí)預(yù)測疲勞壽命。可是， CAE計(jì)算應(yīng)力是有局限的，在此采用另一種辦法，即直接對比兩種結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果。

初始安裝結(jié)構(gòu)模型如圖10所示，改進(jìn)結(jié)果如圖11所示。在連接方向施加1 N的載荷，用ABAQUS分別計(jì)算兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)。結(jié)構(gòu)材料為ABS塑料，彈性模量2.4 GPa，密度1.06 g/cm3。計(jì)算結(jié)果顯示，施加載荷后，失效位置的應(yīng)力有所下降，由原來的0.83 MPa降到0.54 MPa。

圖10　原始結(jié)構(gòu)的CAE仿真結(jié)果

圖11　改良結(jié)構(gòu)的CAE仿真結(jié)果

由材料商提供的ABS材料應(yīng)力-壽命曲線如圖12所示。趨勢壽命可通過公式(1)來預(yù)測。

圖12　應(yīng)力-壽命曲線

S=290N-0.226 4

(1)

對于不同的應(yīng)力水平，疲勞壽命可用公式(2)來估算：

(2)

式中：S1和N1分別是改進(jìn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和疲勞壽命；S0和N0分別是初始結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和疲勞壽命。

使用公式(2)，可以預(yù)測新結(jié)構(gòu)能夠持續(xù)54 min。實(shí)際測試結(jié)果65 min，與預(yù)測值很接近。

此案例研究表明：雖然有時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測應(yīng)力和疲勞壽命的絕對值很困難，但是如果CAE技術(shù)使用得當(dāng)，還是能夠高效、準(zhǔn)確地對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評估。這樣說并不表示對所有CAE軟件都首選這種比較分析方法。

3　結(jié)論

汽車工業(yè)已經(jīng)離不開CAE技術(shù)的支持，但CAE技術(shù)在大規(guī)模應(yīng)用的過程中，需要認(rèn)真研究、具體分析對象自身的特點(diǎn)，充分發(fā)揮CAE技術(shù)的優(yōu)勢，同時(shí)克服CAE技術(shù)的不足。

前兩個(gè)案例，展示了CAE方法的優(yōu)勢和弱勢。概括說，CAE能夠準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)整體性能，比如位移、剛度和特征頻率等；而預(yù)測局部參數(shù)，如應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)，卻嚴(yán)重背離實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

幾個(gè)根本原因?qū)е铝薈AE計(jì)算偏差。

(1)應(yīng)力、應(yīng)變由位移微分得來，應(yīng)力、應(yīng)變收斂的速度比位移慢很多。

(2)有限元網(wǎng)格質(zhì)量對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。

(3)材料不統(tǒng)一也是一個(gè)問題，比如由注塑過程引起的密度變化和流動方向，對應(yīng)力、應(yīng)變位置有很大影響，雖然對整體性能也會有影響，但表現(xiàn)出來的已經(jīng)是一個(gè)平均的結(jié)果。

(4)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的微小變化，比如去掉一個(gè)倒角，對結(jié)構(gòu)整體性能，如位移、剛度影響甚微，但眾所周知，尖角處會產(chǎn)生應(yīng)力集中。

第三個(gè)案例表明，雖然有時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測塑料零件局部應(yīng)力、應(yīng)變比較困難，但CAE做A到B比較分析時(shí)，依然是準(zhǔn)確有效的。因此，如果有可能，在做CAE分析時(shí)，做A到B的比較分析是首選。

當(dāng)在沒有早期試驗(yàn)結(jié)果支持的情況下，必須對CAE計(jì)算的應(yīng)力、應(yīng)變做出解釋時(shí)，需要結(jié)合相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對CAE計(jì)算結(jié)果制定一個(gè)安全系數(shù)。

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Study on the Accuracy of CAE Simulation in Automotive Plastic Parts Development

ZHANG Jingqiu, LIU Jianyuan

(Guangdong University of Science & Technology, Dongguan Guangdong 523083,China)

CAE software provides with all the required tools, ranging from analyzing component performance to system level design, and can be used to do so many kinds of automotive simulation research. But the theory of CAE technology leads to that the simulation results are correct only in fitted field. Especially the simulation on the plastic parts performance, which results accuracy should be studied carefully. Main facts, which directly influenced the accuracy of the CAE simulation, were analyzed. Then three carefully selected cases, natural frequency prediction, vibration stress calculation, and fatigue analysis, were studied to illustrate the problem of the accuracy of the CAE simulation results. The first case study demonstrates that CAE is able to achieve great accuracy in predicting structural global properties such as natural frequency. The second case shows that CAE results do not correlate so well for the predictions of local properties such as vibration induced stress or strain response, while the third one indicates that CAE predictions on A to B comparison is always accurate even in the case of fatigue life prediction, that is known as a difficult task. Therefore, the CAE global properly predictions should weigh heavier in plastic component design evaluation than on the local ones. A to B comparison is always preferred whenever the local property prediction is needed, whenever to interpret the CAE stress or strain predictions becomes necessary, extra care has to be exercised to avoid potentially misleading the product design.

Automotive; Plastic; CAE simulation; Accuracy

2016-05-18

張靜秋(1979—),男，博士，主要從事動力機(jī)械建模、仿真及優(yōu)化。E-mail：464420763@qq.com。

U465.4+1

A

1674-1986(2016)08-001-06