CN104899342A - 一种锁止机构的刚柔体混合建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锁止机构的刚柔体混合建模方法及装置，包括：根据锁止机构的3D模型，分离出简化的锁止机构的几何模型，并赋予材料及属性，其中至少一部份赋予刚性属性，另一部份赋予柔性属性；确定所述有限元网格模型中的锁芯的第一旋转轴线和第二旋转轴线，并调整所述锁芯的位置，使其处于未锁止状态；建立所述锁止机构的各部件的运动学连接单元和弹性元件，赋予属性和弹簧刚度，并调整预紧载荷值；定义测试工况，并校核锁止机构的锁止行为，获得所述锁止机构的最终刚柔体混合模型。实施本发明，可以精确模拟锁止机构的锁止行为，通用性高，且有利于开闭件的轻量化设计。

Description

一种锁止机构的刚柔体混合建模方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种锁止机构的刚柔体混合建模方法。

背景技术

在汽车设计阶段，需要对车门、发动机罩、掀背门、扶手箱等带锁止机构的开闭件进行关闭冲击应力分析。因为在这类开闭件上存在大量安装孔与结构减重孔，在大力关闭时会在各构件上产生较大的冲击应力，如果应力过大，则会导致结构件的结构失效。因此对开闭件在大力关闭时的瞬态应力分析成为评价开闭件设计合理与否的重要手段之一。

在现有的对开闭件的大力关闭时的冲击应力分析中，由于锁止机构通常包含一些拉索、导线、电子控制器等机构，如果完全按照实体建立有限元模型难度大且通用性较差。故在现有的技术中，普遍作法是使用一个连接单元简单模拟锁系统的锁止机构，并根据连接单元两端节点的距离定义锁止点，在仿真过程中当该连接单元两端的节点距离达到锁止位移时立即锁死。

发明人发现，在现有的这种应力分析模型中，存在如下的不足之处：

首先，在该模型中，需要定义锁止点，而锁止点的选择不同会导致应力差异较大，故这种模型的准确性差，不利于工程设计；

其次，在锁止点处，开闭件的动能向应变能的转化过快，瞬态应力非常大，与实际情况相差较大，故通常导致对锁止机构的设计出现过设计的情形，且不利于轻量化的设计趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种锁止机构的刚柔体混合建模方法及装置，可以建立实用且简便的模型，精确模拟锁止机构的锁止行为，且通用性高，有利于开闭件的轻量化设计。

为了解决上述技术问题，本发明实施例的一方面提供一种锁止机构的刚柔体混合建模方法，包括步骤：

根据锁止机构的3D模型，分离出简化的锁止机构的几何模型，所述几何模型至少包含锁芯；

将所述分离出来的几何模型建立有限元网格模型，赋予有限元网格模型材料及属性，其中至少一部份赋予刚性属性，至少另一部份赋予柔性属性；

确定所述有限元网格模型中的锁芯的第一旋转轴线和第二旋转轴线，并调整所述锁芯的位置，使其处于未锁止状态；

建立所述锁止机构的各部件的运动学连接单元和弹性元件，赋予属性和弹簧刚度，并调整预紧载荷值；

定义测试工况，校核锁止机构的锁止行为，获得所述锁止机构的最终刚柔体混合模型。

优选地，所述根据锁止机构的3D模型，分离出简化的锁止机构的几何模型的步骤包括：

将所述锁止机构的3D模型导入有限元前处理软件，在所述有限元前处理软件中至少分离出锁扣、锁芯、缓冲块以及锁壳体几何模型，其中，所述锁芯包括主锁芯与副锁芯，所述锁壳体几何模型包含：锁止机构与其他部件的接口位置、限制锁芯转动边界的阻止块、牵引锁扣运动方向的导向部分，以及限定缓冲块的边界。

优选地，所述将所述分离出来的几何模型建立成有限元网格模型，赋予材料及属性的步骤包括：

将所述锁扣、主锁芯、副锁芯及缓冲块划分为实体单元，为所述锁扣、主锁芯、副锁芯附予实体模型属性，为缓冲块赋予超弹性属性；

将所述锁壳体划分为壳单元，赋予刚体属性。

优选地，所述确定所述有限元网格模型中的锁芯的第一旋转轴线和第二旋转轴线，并调整所述锁芯的位置，使其处于未锁止状态的步骤进一步包括：

在所述非线性有限元分析软件中，定义所述锁止机构各部件的接触关系以及接触摩擦系数，所述接触关系包括接触对接触和通用接触。

优选地，所述建立所述锁止机构的各部件的运动学连接单元和弹性元件，赋予属性和弹簧刚度，并调整预紧载荷值的步骤包括：

所述运动学连接单元包含连接主锁芯的第一旋转副、连接副锁芯的第二旋转副、主锁芯的扭转弹簧/拉压弹簧和副锁芯的拉压弹簧/扭转弹簧；

将第一旋转副的主节点和第二旋转副的主节点绑定于锁壳体上，将第一旋转副的副节点和第二旋转副的副节点分别与主锁芯、副锁芯旋转中心点连接，其中，所述第一旋转副的主节点和副节点形成第一旋转轴线，所述第二旋转副的主节点和副节点形成第二旋转轴线；

将所述主锁芯的扭转弹簧与第一旋转副共节点，或者将所述主锁芯的拉压弹簧的主节点与锁壳体相连，副节点连接于主锁芯的其他位置；

将所述副锁芯的拉压弹簧的主节点与锁壳体连接，其副节点连接副锁芯的其他位置，或者将所述副锁芯的扭转弹簧与第二旋转副共节点；

依据弹簧的设计刚度定义扭转弹簧的扭转刚度和拉压弹簧的线刚度，调整预紧刚度值。

优选地，所述定义测试工况，校核锁止机构的锁止行为，获得所述锁止机构的最终刚柔体混合模型的步骤包括：

以闭锁位置锁扣的运动方向的切向为X轴方向，安装端面法向为Z轴方向建立局部坐标系，约束锁扣六个自由度；

在锁壳体刚体参考点附加初始质量，将除锁扣外的所有单元沿X轴方向平移第一距离，仅释放该部分X轴方向平动自由度，使其以一预定的初速度向锁扣运动，并提交有限元求解器计算；

根据所述有限元求解器的计算结果，检查锁止机构是否正常锁死，如锁止机构未正常锁死，则回至建立有限元网格模型的步骤，调整各部件的位置关系、缓冲块位置和刚度、弹性元件的刚度和预紧力，直至锁止机构能够正常锁死。

优选地，所述初始质量为10-30Kg，所述第一距离为80-120mm，所述初速度为1.5m/s。

优选地，所述定义测试工况，校核锁止机构的锁止行为，获得所述锁止机构的最终刚柔体混合模型的步骤进一步包括：

根据所述有限元求解器的计算结果，判断系统总能量是否守恒，伪应变能是否在内能的10%以内。

优选地，进一步包括：

根据所述锁止机构的最终刚柔体混合模型，校核所述锁止机构的解锁载荷。

实施本发明，具有如下的有益效果：

首先，本发明的实施例所提供的方法通过建立锁止机构的刚柔体混合模型，兼顾了便捷性与工程实用性。利用该方法可以保证锁止机构模型工作的准确高效，且通用性高。

其次，利用本发明实施例所提供的方法所建成的锁止机构模型无需定义锁止点，依靠自身接触及弹性元件锁死，能够精确模拟锁止机构的锁止行为。

另外，在锁止过程中，开闭件的速度经过缓冲块及弹性元件的弹性缓冲后速度逐渐衰减，同时锁销的间隙、缓冲块及弹性元件允许锁扣在小范围内来回移动，使开闭件的动能转化为内能时更为平稳，使模拟开闭件大力关闭时，冲击应力更接近于实际情况，使瞬态应力分析时不会出现不合理的应力峰值，计算更精确，有利于开闭件的轻量化设计；

同时，利用本发明实施例所提供的方法所建成的锁止机构模型，可以校核锁止机构的解锁载荷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种锁止机构的刚柔体混合建模方法的实施例的主流程示意图；

图2是本发明一个实施例中从3D模型中分离出来的锁止机构的部份简化模型示意图；

图3是本发明一个实施例中从3D模型中分离出来的锁止机构的锁壳体模型示意图；

图4是本发明一个实施例中锁止机构的简化模型中弹性元件连接示意图；

图5是本发明一个实施例中锁止机构的简化模型中进行锁止动作测试的示意图；

图6是本发明一个实施例中锁止机构的简化模型中处于锁止状态的锁止机构的示意图；

图7是本发明一个实施例中锁止机构的简化模型中在锁止过程中锁止机构的各部件的接触示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，是本发明提供的锁止机构的刚柔体混合建模方法的实施例的主流程示意图；在该实施例中，该方法主要包括如下步骤：

步骤S10： 将锁止机构的3D模型导入有限元前处理软件，在有限元前处理软件中分离出简化的锁止机构的几何模型。

具体地，如图2以及图3所示，在有限元前处理软件中主要分离出锁扣1、主锁芯2、副锁芯3、缓冲块4、锁壳体5的几何模型。其中锁壳体5几何模型必须包含但不限于以下几何：壳体50，锁止机构与其他部件的接口位置几何51、限制主锁芯2转动边界的阻止块52、牵引锁扣1的运动方向的导向部分53，限定缓冲块4的边界54。在上述简化的锁止机构的几何模型中，缓冲块4与边界54相连接，主锁芯2和副锁芯3通过弹性元件和铰链（未示出）连接于壳体50上，当锁止机构工作时（实现锁止），锁扣1沿着导向部份53运动，最终被主锁芯2和副锁芯3锁死。

步骤S12： 根据步骤S10中分离出的简化的几何模型中的各部件的几何建立成有限元网格模型，赋予有限元网格模型材料及属性，其中至少一部份赋予刚性属性，至少另一部份赋予柔性属性。

具体地，将锁扣1、主锁芯2、副锁芯3及缓冲块4划分为实体单元，为锁扣1、主锁芯2、副锁芯3赋予实体模型属性，为缓冲4块赋予超弹性属性；将锁壳体5几何划分为壳单元，赋予刚体属性。

在一些实例中，要求网格尺寸大于2mm，从而有利于提高有限网格模型在后期各步骤中的缩放质量。

步骤S14：确定主锁芯2的第一旋转轴线a1a2和副锁芯3的第二旋转轴线b1b2，并调整主锁芯2的位置，使锁扣1处于未锁止状态。

具体地，如图4所示，首先，需要定义锁止机构各部件的接触关系以及接触摩擦系数，其中，锁止机构的所有可能发生碰撞的部件都存在接触关系。在通用的非线性有限元分析软件中，可供选择的有接触对接触和通用接触，两种方式任选一种；其中，对于接触对接触，需要定义主面和从面，比较适用于接触面非常明显且接触面在计算过程中位置变化不大的模型，计算效率较高。而对于通用接触，软件会自行判断接触面，定义简单，但计算效率稍低。此处采用通用接触优势明显，但也可定义接触对接触，两种接触都定义摩擦系数μ为0.1-0.15。

一并结合图7所示，将主锁芯2绕第一旋转轴线a1a2轴顺时针旋转至如图7所示位置，保证锁扣1沿x向运动时其面KL仅与主锁芯2的面EF发生接触，同时调整副锁芯3位置，使副锁芯3的面HI与主锁芯2的面FG有一定的过盈量（如0.01mm），可以保证初始时刻二者接触良好，这样使锁扣1处于未锁止状态。

步骤S16：建立各部件的运动学连接单元和弹性元件，赋予属性和弹簧刚度，调整预紧载荷值。

具体地，如图4所示，该运动学连接单元包含连接主锁芯2的第一旋转副A、连接副锁芯3的第二旋转副B、主锁芯2的扭转弹簧C和副锁芯3的拉压弹簧D（或拉伸弹簧）。第一旋转副A和第二旋转副B的主节点a1、b1绑定于锁壳体5上，第一旋转副A和第二旋转副B副节点a2、b2分别与主锁芯2、副锁芯3的旋转中心点连接；主锁芯2的扭转弹簧C与旋转副A共节点；副锁芯3的拉压弹簧D的主节点d1与锁壳体5连接，其副节点d2连接副锁芯3，其中，第一旋转副A的主节点a1和副节点a2形成第一旋转轴线a1a2，第二旋转副B的主节点b1和副节点b1形成第二旋转轴线b1b2。依据弹簧的设计刚度定义扭转弹簧C的扭转刚度值和拉压弹簧D的线刚度，调整预紧刚度值。在一个例子中，如图7所示，副锁芯3由铰链旋转副与拉伸弹簧D控制运动与刚度，所用弹簧刚度为5N/mm，初始位置预紧力为50N。主锁芯2由铰链旋转副与扭转弹簧C控制弹性位移，扭转刚度为2.3Nmm/deg，无预紧。

可以理解的是，此处主锁芯2处采用的是扭转弹簧C，副锁芯3处采用的是拉压弹簧D，在其他的实例中，可以是扭转弹簧和拉压弹簧的其他组合方式，例如，比如主锁芯2处和副锁芯3处均采用拉压弹簧，或者主锁芯2处和副锁芯3处均采用扭转弹簧，或者在主锁芯2处采用的是拉压弹簧，在副锁芯3处采用的是扭转弹簧。

需要注意的是，如果各锁芯采用的为扭转弹簧，则该扭转弹簧与相应的旋转副共节点，例如，当主锁芯采用的是扭转弹簧，则该扭转弹簧与第一旋转副共节点，相应地，当副锁芯采用的是扭转弹簧，则该扭转弹簧与第二旋转副共节点；如果各锁芯采用的是拉压弹簧，则其无法与相应的旋转副共节点，则将该拉压弹簧的主节点连接锁壳体，该拉压弹簧的副节点连接相应锁芯的其他位置，例如，当主锁芯采用的是拉压弹簧，则将该拉压弹簧的主节点连接锁壳体，将该拉压弹簧的副节点连接在主锁芯的除第一旋转副节点之外的其他位置（非第一旋转副的节点），相应地，当副锁芯采用的是拉压弹簧，则将该拉压弹簧的主节点连接锁壳体，将该拉压弹簧的副节点连接在副锁芯的除第二旋转副节点之外的其他位置（非第二旋转副的节点）。这样可以在旋转副旋转过程中，使拉压弹簧存在线位移，根据不同的应用场景，需定义不同的线刚度值。

步骤S18：定义测试工况，校核锁止机构的锁止行为，获得所述锁止机构的最终刚柔体混合模型。

具体地，如图5所示，以闭锁位置锁扣1的运动方向的切向为X轴方向，安装端面法向为Z轴方向建立局部坐标系，约束锁扣1的六个自由度（前、后、左、右、上、下）。在锁壳体5刚体参考点附加初始质量，将除锁扣1外的所有单元沿X方向平移第一距离，仅释放该部分X轴方向的平动自由度，使其以一预定的初速度向锁扣1运动，提交有限元求解器计算。其中，刚体参考点定义为除锁扣1外的部件的质心位置，在刚体参考点上附加质量是因为模型简化时与实际锁止机构相比质量有所下降，同时锁止机构一般安装在其他结构件上，附加该质量也是为了补上其他结构件的质量。在一个实施例中，所述初始质量可以为10-30Kg，所述第一距离为80-120mm，所述初速度为1.5m/s。

根据有限元求解器的结果，用来验证锁止机构模型是否正确，计算结果可以输出能量、应力、位移等，在后处理软件中可以直观的看到模型状态。在一个实施例中，根据有限元求解器的计算结果，可以检查锁止机构是否正常锁死、系统总能量是否守恒以及伪应变能是否在内能的10%以内。正常锁死的锁止机构如图6所示。如果总能量不守恒或者伪应变能不在内能的10%以内，说明简化模型有错误或者沙漏能过大。未锁死则说明弹簧刚度或者预紧量有偏差，或者缓冲块位置与刚度不正确。

请继续参考图7所示，正常情况下，该锁止机构的锁止过程如下：在锁止机构除锁扣1外的其他单元以一预定的初速度向锁扣1运动时，锁扣1的面KL撞击主锁芯2的面EF，主锁芯2绕第一旋转副A逆时针旋转，副锁芯3绕第二旋转副B逆时针旋转，直至锁扣1的面KL与缓冲块4发生碰撞减速，在弹簧拉力作用下副锁芯3的面IJ与主锁芯2的面MN接触锁死。

如锁止机构未正常锁死，则返回至步骤S12，进行检查以及调整，主要调整各部件的位置关系、缓冲块位置和刚度、弹性元件的刚度和预紧力。重复后续的步骤，直至锁止机构正常锁死，从而获得锁止机构的最终刚柔体混合模型。

可以理解的是，根据锁止机构的最终刚柔体混合模型，可以校核该锁止机构的解锁载荷。在具体的实施中，可以通过软件计算获得该解锁载荷，例如，在在锁止状态下，在锁扣1上施加不同的载荷，当使锁扣脱开时，该施加的载荷即为解锁载荷。

可以理解的是，上述有限元模型可以在Hypermesh、Ansa、Patran等前处理软件中处理，接触和工况定义需要非线性分析软件支持，如Abaqus、Dyna等。

综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：

首先，本发明的实施例所提供的方法通过建立锁止机构的刚柔体混合模型，兼顾了便捷性与工程实用性。利用该方法可以保证锁止机构模型工作的准确高效，并且该方法可以适用于不同的车型的不同类型开闭件的锁止机构的设计中，且分离出的简化的锁止机构的几何模型可以用来模拟多种不同类型的开闭件的锁止机构，具有很高的通用性。

其次，利用本发明实施例所提供的方法所建成的锁止机构模型无需定义锁止点，依靠自身接触及弹性元件锁死，能够精确模拟锁止机构的锁止行为。

另外，在锁止过程中，开闭件的速度经过缓冲块及弹性元件的弹性缓冲后速度逐渐衰减，同时锁销的间隙、缓冲块及弹性元件允许锁扣在小范围内来回移动，使开闭件的动能转化为内能时更为平稳，使模拟开闭件大力关闭时，冲击应力更接近于实际情况，使瞬态应力分析时不会出现不合理的应力峰值，计算更精确，有利于开闭件的轻量化设计；

同时，利用本发明实施例所提供的方法所建成的锁止机构模型，可以校核锁止机构的解锁载荷。

可以理解的是，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种锁止机构的刚柔体混合建模方法，其特征在于，包括步骤：

根据锁止机构的3D模型，分离出简化的锁止机构的几何模型，所述几何模型至少包含锁芯；

将所述分离出来的几何模型建立有限元网格模型，赋予有限元网格模型材料及属性，其中至少一部份赋予刚性属性，至少另一部份赋予柔性属性；

确定所述有限元网格模型中的锁芯的第一旋转轴线和第二旋转轴线，并调整所述锁芯的位置，使其处于未锁止状态；

建立所述锁止机构的各部件的运动学连接单元和弹性元件，赋予属性和弹簧刚度，并调整预紧载荷值；

定义测试工况，并校核锁止机构的锁止行为，获得所述锁止机构的最终刚柔体混合模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据锁止机构的3D模型，分离出简化的锁止机构的几何模型的步骤包括：

将所述锁止机构的3D模型导入有限元前处理软件，在所述有限元前处理软件中至少分离出锁扣、锁芯、缓冲块以及锁壳体几何模型，其中，所述锁芯包含主锁芯与副锁芯，所述锁壳体几何模型包含：锁止机构与其他部件的接口位置、限制锁芯转动边界的阻止块、牵引锁扣运动方向的导向部分，以及限定缓冲块的边界。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述分离出来的几何模型建立成有限元网格模型，赋予材料及属性的步骤包括：

将所述锁扣、主锁芯、副锁芯及缓冲块划分为实体单元，为所述锁扣、主锁芯、副锁芯赋予实体模型属性，为缓冲块赋予超弹性属性；

将所述锁壳体划分为壳单元，赋予刚体属性。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述有限元网格模型中的锁芯的第一旋转轴线和第二旋转轴线，并调整所述锁芯的位置，使其处于未锁止状态的步骤进一步包括：

在所述非线性有限元分析软件中，定义所述锁止机构各部件的接触关系以及接触摩擦系数，所述接触关系包括接触对接触和通用接触。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述建立所述锁止机构的各部件的运动学连接单元和弹性元件，赋予属性和弹簧刚度，并调整预紧载荷值的步骤包括：

所述运动学连接单元包含连接主锁芯的第一旋转副、连接副锁芯的第二旋转副、主锁芯的扭转弹簧/拉压弹簧和副锁芯的拉压弹簧/扭转弹簧；

将第一旋转副的主节点和第二旋转副的主节点绑定于锁壳体上，将第一旋转副的副节点和第二旋转副的副节点分别与主锁芯、副锁芯旋转中心点连接，其中，所述第一旋转副的主节点和副节点形成第一旋转轴线，所述第二旋转副的主节点和副节点形成第二旋转轴线；

将所述主锁芯的扭转弹簧与第一旋转副共节点，或者将所述主锁芯的拉压弹簧的主节点与锁壳体相连，其副节点连接于主锁芯的其他位置；

将所述副锁芯的拉压弹簧的主节点与锁壳体连接，其副节点连接副锁芯的其他位置，或者将所述副锁芯的扭转弹簧与第二旋转副共节点；

依据弹簧的设计刚度定义扭转弹簧的扭转刚度和拉压弹簧的线刚度，调整预紧刚度值。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定义测试工况，校核锁止机构的锁止行为，获得所述锁止机构的最终刚柔体混合模型的步骤包括：

以闭锁位置锁扣的运动方向的切向为X轴方向，安装端面法向为Z轴方向建立局部坐标系，约束锁扣的六个自由度；

在锁壳体刚体参考点附加初始质量，将所述锁止机构除锁扣外的所有单元沿X轴方向平移第一距离，仅释放该部分X轴方向平动自由度，使其以一预定的初速度向锁扣运动，并提交有限元求解器计算；

根据所述有限元求解器的计算结果，检查锁止机构是否正常锁死，如锁止机构未正常锁死，则回至建立有限元网格模型的步骤，调整各部件的位置关系、缓冲块位置和刚度、弹性元件的刚度和预紧力，直至锁止机构能够正常锁死。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述初始质量为10-30Kg，所述第一距离为80-120mm，所述初速度为1.5m/s。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述定义测试工况，校核锁止机构的锁止行为，获得所述锁止机构的最终刚柔体混合模型的步骤进一步包括：

根据所述有限元求解器的计算结果，判断系统总能量是否守恒，伪应变能是否在内能的10%以内。

9.如权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括：

根据所述锁止机构的最终刚柔体混合模型，校核所述锁止机构的解锁载荷。