CN105760592A - 一种汽车保险杠塑料卡扣非线性连接特性的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车仿真技术领域，具体的说是一种汽车保险杠塑料卡扣非线性连接特性的建模方法。该方法包括以下步骤：步骤一、首先在保险杠实体结构中剪切出塑料卡扣连接部分，利用电子万能试验机，对塑料卡扣的X、Y、Z三个方向进行力的拉伸试验，根据电子万能试验机力位移的试验数据，绘出弹性特性曲线；步骤二、利用所述步骤一所获得的试验数据，利用ABAQUS中非线性弹簧即接触设置的功能手段设置非线性弹簧元的参数。本发明用三个非线性弹簧元代替卡扣三个方向的约束关系，不仅能够保证精度较高，而且显著降低了工作量，解决了对汽车保险杠在力学性能及碰撞方面做有限元仿真过程中，保险杠及整车系统的动力学仿真分析精度低的问题。

Description

一种汽车保险杠塑料卡扣非线性连接特性的建模方法

技术领域

本发明属于汽车仿真技术领域，具体的说是一种汽车保险杠塑料卡扣非线性连接特性的建模方法。

背景技术

汽车保险杠是由一系列大型塑料组件共同组成，这些组件主要依靠塑料卡扣连接，塑料卡扣是汽车保险杠的主要的连接结构，仿真分析时，各部件之间会有力的相互作用，其仿真模型建立的准确性，直接影响到保险杠系统及整车系统的动力学仿真分析精度。经过查阅现有的文献和专利，在做汽车保险杠仿真分析时，可以分为两类：

第一类将卡扣连接直接忽略，作为刚性件直接连接：在ABAQUS软件中，将所有卡扣利用软件自带的绑定约束功能，把卡扣连接部位固定粘接在一起，使其不能发生相对位移的变化，这样的做法不仅忽略了卡扣本身的弹性特性，而且改变了局部的几何形状，必然会对仿真结果的精度造成一定影响，尤其在做动态分析时，例如碰撞分析，发生脱落破坏的往往是连接部分，使用绑定约束，不能够完好的表现保险杠脱落破。

第二类建立了完整详细的卡扣模型，这种方法避免了第一类中的仿真精度问题，但是由于卡扣特征过于细小，对网格要求较高，会大量增加有限元网格数量，且大部分汽车保险杠系统包括80个以上卡扣部件，每一部位都完整的建立卡扣模型，不仅工作量巨大，而且如此数量的细小网格，会大大增加仿真的难度和计算量，甚至会出现仿真计算时不收敛的问题。

发明内容

本发明提供了一种汽车保险杠塑料卡扣非线性连接特性的建模方法，解决了对汽车保险杠在力学性能及碰撞方面做有限元仿真过程中，保险杠及整车系统的动力学仿真分析精度低的问题，克服了现有保险杠及整车系统的动力学仿真中忽略卡扣弹性特性，对仿真结果的精度造成影响和建立完整详细的卡扣模型增加仿真的难度和计算甚至出现仿真计算时不收敛的问题。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种汽车保险杠塑料卡扣非线性连接特性的建模方法，其特征在于，本发明用三个非线性弹簧元代替卡扣三个方向的约束关系，该方法包括以下步骤：

步骤一、首先在保险杠实体结构中剪切出塑料卡扣连接部分，利用电子万能试验机，对塑料卡扣的X、Y、Z三个方向进行力的拉伸试验，根据电子万能试验机力位移的试验数据，绘出弹性特性曲线；

步骤二、利用所述步骤一所获得的试验数据，利用ABAQUS中非线性弹簧即接触设置的功能手段设置非线性弹簧元的参数。

所述的步骤二具体步骤如下：

2.1)使用ABAQUS，定义卡扣连接两部件位置处的有限元网格的节点，创建连接弹簧的网格节点；

2.2)使用ABAQUS，建立线性弹簧模型并且对该模型仿真分析，保存该模型；

2.3)使用ABAQUS，利用步骤一所得出的试验数据，继续对模型进行仿真，将线性弹簧修改为非线性弹簧，即完成了以非线性弹簧代替卡扣的模型建立。

本发明的有益效果为：

1、本发明的新型塑料卡扣建模方法，对汽车保险杠卡扣以及其它塑料卡扣有普遍适用性，步骤一中的卡扣拉伸试验数据的获取能够为所有卡扣连接的力学特性研究提供指导。

2、本发明用三个非线性弹簧元代替卡扣三个方向的约束关系，不仅能够保证精度较高，而且显著降低了工作量。

3、本发明主要优势在于卡扣是项目合作的一部分，所以拥有符合国家标准的试验条件作为保证，能够进行得到本发明所需数据的大量支持。

4、本专利能够提高汽车保险杠塑料卡扣的建模效率、分析工作的可靠性和求解精度。仿真值和实际汽车保险杠实验值误差不超过5％。经上述定以后，就可以对新的模型进行仿真分析了。

附图说明

图1为电子万能试验机对卡扣进行拉伸试验的结构示意图；

图2为X方向的弹性特性曲线图；

图3为Y方向的弹性特性曲线图；

图4为Z方向的弹性特性曲线图；

图5为汽车保险杠塑料卡扣结构示意图；

图6为汽车保险杠塑料卡扣侧视示意图；

图7为网络模型中代替卡扣的弹性元示意图；

图8为本发明所述方法流程图。

图中：1、夹具；2、力传感器；3、卡扣工件；4、卡口卡脚；5、限位凸起；6、卡扣槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明选用某款汽车保险杠塑料卡扣，参阅图5、图6，其具体尺寸为长60mm，宽13mm，高14mm，壁厚为2.5mm。

卡扣作为一个连接件，是一个弹性元件，可以用弹簧代替，因此，本发明汽车保险杠塑料卡扣非线性连接特性的建模方法可以转化为用三个非线性弹簧元代替卡扣X、Y、Z三个方向的约束关系来从而来模拟卡扣连接的问题。弹簧的弹性特性要能够精确的描述卡扣各个方向的力学特性，所以此处的非线性弹簧的力位移关系对仿真精度有较大影响，所以本专利使用的非线性弹簧的力位移关系全部来自于卡扣实体模型的拉伸试验，在本实施例中汽车保险杠上的卡扣模型类型和尺寸只有两类，所以，只需要进行两组卡扣的试验，就能够保证仿真的精度，而且有效的减少了仿真的时间，其非线性连接特性的建模方法的具体步骤包括，参阅图8：

第一步是要解决模拟卡扣连接所用的非线性弹簧元的参数问题，其目的是得到弹簧的弹性特性。在这一步中，主要是运用卡扣实物结构拉伸试验的技术手段来获得弹簧参数。其具体实施步骤为：

步骤一、参阅图5、图6卡扣的卡脚由卡扣槽6插入后，在预紧力的作用下，卡扣卡脚4被卡扣的限位凸起5所限制，从而实现了卡扣连接的功能。在保险杠实体结构中剪切出塑料卡扣连接部分，利用电子万能试验机，对塑料卡扣的X、Y、Z三个方向进行力的拉伸试验，根据电子万能试验机力位移的试验数据，绘出弹性特性曲线。参阅图1—图4，其中图1中1是夹具、2是力传感器、3是卡扣工件。对卡扣进行X、Y、Z三个方向的拉伸试验，由于卡扣尺寸较小，所以在拉伸时，拉伸速度应尽可能小，本次试验设置为0.5毫米每秒，根据拉伸试验机力位移数据，绘出X、Y、Z三个方向的弹性特性曲线，其中横坐标代表位移，单位是毫米，纵坐标代表了拉力，单位是牛顿。

步骤二、利用所述步骤一所获得的试验数据，设置非线性弹簧元的参数，解决了用非线性弹簧元模拟卡扣连接的技术问题。主要是利用ABAQUS中非线性弹簧即接触设置的功能手段设置非线性弹簧元的参数。

所述的步骤二具体步骤如下：

2.1)使用ABAQUS，定义卡扣连接两部件位置处的有限元网格的节点，进入Interaction模块，创建连接弹簧的网格节点；

在有限元仿真分析时，只需要将卡扣简化为连接处的网格模型，一般取四个网格节点相互连接。

2.2)参阅图7，由于在ABAQUS中非线性弹簧无法直接定义，只能通过修改inp文件实现，所以首先建立线性弹簧，在Interaction模块，分别建立X、Y、Z三个方向的弹簧元，并将其命名为Spring-1、Spring-2、Spring-3，弹性系数暂定为5，对该模型仿真分析，保存模型。

2.3)关闭软件，打开Inp文件，找到三个弹簧的描述部分，在Inp中将线性弹簧修改为非线性弹簧，利用第一步中所得到的X、Y、Z三个方向弹簧的力位移非线性关系，代替2.2)中的弹性系数5。保存INP文件，打开ABAQUS，直接进入Job模块，导入INP文件，继续对模型进行仿真，即完成了以非线性弹簧代替卡扣的模型建立。

由于卡扣主要受到Y方向的拉力，此处以Y方向做详细介绍：提取卡扣Y方向的力位移曲线，所得数据下表所示，将这一组数据代替上一步中线性弹簧的弹性系数5，即把线性弹簧元转变为非线性弹簧元，用同样的方式将所有弹簧修改为所需要的非线性弹簧，完成了用非线性弹簧元代替卡扣连接的建模，继续对模型进行仿真分析，以上的工作就能够提高整个保险杠的有限元分析精度。

表：卡扣拉伸Y方向的力与位移对应关系

F/N	S/mm
		0	0
41	0.14
		60	0.22
78	0.27
		90	0.36
117	0.52
		156	0.74
183	0.88
		205	1.04
226	1.17
		246	1.33
267	1.48

本专利能够提高汽车保险杠塑料卡扣的建模效率以及求解分析精度，显著降低求解时间，同时能够保证仿真分析工作的可靠性，利用本发明的卡扣新型建模方法所获得的仿真值与实际汽车保险杠的试验值的误差不超过5％。通过上述介绍，本发明具有实用性和有益效果。

Claims (2)

1.一种汽车保险杠塑料卡扣非线性连接特性的建模方法，其特征在于，本发明用三个非线性弹簧元代替卡扣三个方向的约束关系，该方法包括以下步骤：

步骤一、首先在保险杠实体结构中剪切出塑料卡扣连接部分，利用电子万能试验机，对塑料卡扣的X、Y、Z三个方向进行力的拉伸试验，根据电子万能试验机力位移的试验数据，绘出弹性特性曲线；

步骤二、利用所述步骤一所获得的试验数据，利用ABAQUS中非线性弹簧即接触设置的功能手段设置非线性弹簧元的参数。

2.根据权利要求1所述的一种汽车保险杠塑料卡扣非线性连接特性的建模方法，其特征在于，所述的步骤二具体步骤如下：

2.1)使用ABAQUS，定义卡扣连接两部件位置处的有限元网格的节点，创建连接弹簧的网格节点；

2.2)使用ABAQUS，建立线性弹簧模型并且对该模型仿真分析，保存该模型；

2.3)使用ABAQUS，利用步骤一所得出的试验数据，继续对模型进行仿真，将线性弹簧修改为非线性弹簧，即完成了以非线性弹簧代替卡扣的模型建立。