CN112016231B - 开闭件密封条的有限元建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种开闭件密封条的有限元建模方法，包括：安装环境创建步骤，建立安装环境组件的有限元模型。密封条分区步骤，根据压缩截面的位置对密封条有限元模型进行分区。微缩模型建立步骤，对各个分区建立微缩有限元模型。材料属性计算步骤，根据各个分区的微缩有限元模型，通过有限元求解计算得到各个分区中的密封条的压缩力‑位移曲线。材料属性加载步骤，建立车身有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，以及开闭件有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，所述各个分区的材料属性参数被加载至密封条有限元模型的对应分区。边界条件加载及仿真步骤，加载边界条件参数，通过有限元运算获得仿真模拟结果。

Description

开闭件密封条的有限元建模方法
技术领域
本发明涉及汽车零部件领域，更具体地说，涉及汽车零部件的计算机辅助设计方法。
背景技术
随着汽车行业的飞速发展，消费者对于汽车驾驶性能、安全性能和舒适性能的要求也在逐步提高。汽车企业依据法规要求及内部实验标准，不断的改善车辆的质量和乘用体验。车辆的开闭件作为汽车中十分重要的功能部件，具有隔绝噪声，缓冲来自外部冲击的作用，车辆的开闭件包括车门和前后舱盖，由于在车辆的使用过程中反复的被开启和关闭，承受循环力加载和卸载，其疲劳寿命直接关系到车辆的经济性和舒适性。
在车辆疲劳工况中，由于现有的仿真技术无法准确的模拟及预测钣金疲劳开裂问题，仍然需要进行多轮疲劳物理试验。试验的周期单轮需要一个月左右，经过上万次的外力加载，试验不仅周期长，而且耗费企业巨大的开发费用成本及时间成本。
现有的仿真技术准确率偏低的一个重要原因是没有很好地对密封条进行准确的模拟和建模。安装在开闭件或者车辆车身边框的密封条由于本身由高粘弹性材料制成，并且和车身框架的之间存在复杂的接触特性，作为开闭件上传递力的重要零部件，密封条的受压变形特性在开闭件的疲劳工况中对于钣金受力的大小及疲劳寿命起决定性作用。在车辆开闭件疲劳传统的仿真技术中，密封条简化为受力方向垂直于钣金平面的统一刚度的线性弹簧单元。但是由于开闭件在关闭瞬间是高非线性的瞬态过程，因此单一刚度的线性弹簧单元无法准确模拟该过程中开闭件与密封条连接区域的受力状况。如果使用体单元来模拟整个密封条，由于体单元在受力方向需要至少三层网格才能准确的模拟压缩过程中的受力情况，这会造成模型有限元网格数目大幅增加，计算效率极其低下。
由于上述的原因，使得现有的仿真技术中对于密封条的建模和仿真无法兼顾计算效率和仿真准确性，因而仿真的效果不佳，必须再结合实体的疲劳物理试验。
发明内容
根据本发明的一实施例，提出一种开闭件密封条的有限元建模方法，包括：
安装环境创建步骤，建立安装环境组件的有限元模型，包括车身有限元模型、开闭件有限元模型和密封条有限元模型；
密封条分区步骤，根据压缩截面的位置对密封条有限元模型进行分区，提取各个分区中车身、开闭件和密封条的截面数据；
微缩模型建立步骤，对各个分区建立微缩有限元模型，所述微缩有限元模型是根据各个分区中车身、开闭件和密封条的截面数据建立；
材料属性计算步骤，根据各个分区的微缩有限元模型，通过有限元求解计算得到各个分区中的密封条的压缩力-位移曲线，并根据压缩力-位移曲线计算得到各个分区的密封条的材料属性参数；
材料属性加载步骤，建立车身有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，以及开闭件有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，所述各个分区的材料属性参数被加载至密封条有限元模型的对应分区；
边界条件加载及仿真步骤，加载边界条件参数，通过有限元运算获得仿真模拟结果。
在一个实施例中，该有限元建模方法使用ABAQUS有限元软件建立有限元模型，所述车身有限元模型和开闭件有限元模型被赋以可变形的金属材料属性，车身有限元模型和开闭件有限元模型内的连接单元为焊点单元或者胶水单元。
在一个实施例中，密封条有限元模型被赋以Connector材料属性，密封条有限元模型由数个Connector单元接续组成，每一个Connector单元具有相等的长度并以等距的间隔沿密封条扫掠曲线排列，密封条扫掠曲线是沿密封条安装路径生成，每一个Connector单元的指向为密封条安装区域中，密封条密封接触点和密封条安装点的连线，数个Connector单元被分区，每一分区中的Connector单元的被赋以通过该分区的密封条的压缩力-位移曲线计算得到的材料参数。
在一个实施例中，各个分区的微缩有限元模型为二维微缩模型，其中车身二维微缩模型是车身一维有限元截面、开闭件二维微缩模型是开闭件一维有限元截面、密封条二维微缩模型是密封条二维有限元截面。车身二维微缩模型和开闭件二维微缩模型被设置为刚性体，密封条二维微缩模型包括压缩空腔、实体区以及刚性嵌件，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。
在一个实施例中，各个分区的微缩有限元模型为三维微缩模型，其中车身三维微缩模型是车身二维有限元壳网格面、开闭件三维微缩模型是开闭件二维有限元壳网格面、密封条三维微缩模型是密封条三维有限元网格。车身三维微缩模型和开闭件三维微缩模型被设置为刚性体，密封条三维微缩模型包括压缩空腔、实体区以及刚性嵌件，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。
在一个实施例中，边界条件加载及仿真步骤中加载边界条件参数包括重力加载、零部件静态力加载、密封条静态力加载和调整位移加载。
在一个实施例中，边界条件加载及仿真用于开闭件缝隙计算，零部件静态力加载包括静态气弹簧力加载和缓冲垫力加载。
在一个实施例中，密封条静态力加载包括在不同分区的密封条有限元模型上加载根据各个分区的密封条的微缩有限元模型通过有限元求解计算得到各个分区中的密封条的压缩力-位移曲线。
在一个实施例中，边界条件加载及仿真步骤中的有限元运算中结合最小二乘法进行有限元计算求解。
根据本发明的一实施例，提出一种开闭件密封条的有限元建模方法，包括：
安装环境创建步骤，建立安装环境组件的有限元模型，包括车身有限元模型、开闭件有限元模型和密封条有限元模型；
密封条分区步骤，根据压缩截面的位置对密封条有限元模型进行分区，提取各个分区中车身、开闭件和密封条的截面数据；
微缩模型建立步骤，对各个分区建立微缩有限元模型，所述微缩有限元模型是根据各个分区中车身、开闭件和密封条的截面数据建立；
材料属性计算步骤，根据各个分区的微缩有限元模型，通过有限元求解计算得到各个分区中的密封条的压缩力-位移曲线，并根据压缩力-位移曲线计算得到各个分区的密封条的材料属性参数；
材料属性加载步骤，建立车身有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，以及开闭件有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，所述各个分区的材料属性参数被加载至密封条有限元模型的对应分区；
工况条件加载及仿真步骤，加载工况条件参数，通过有限元运算获得仿真模拟结果。
在一个实施例中，工况条件加载及仿真步骤中加载的工况条件参数包括疲劳工况加载，疲劳工况加载是绕着开闭件旋转轴的角速度加载。
在一个实施例中，通过有限元运算获得仿真模拟结果包括计算获得仿真疲劳寿命，包括：
提取开闭件上的最大应力值σmax，根据开闭件的材料对应的应力-寿命曲线获取疲劳寿命N，其中应力-寿命曲线用幂函数的形式表达：
(S-Sf)m.N＝C；
其中，S为应力值、Sf为材料的疲劳极限、m和C为设定参数，设定参数与材料、应力比、加载条件相关、N为疲劳寿命。
在一个实施例中，通过有限元运算获得仿真模拟结果包括计算获得仿真疲劳寿命，包括：
不加载疲劳工况，提取开闭件上的最大应力值σmax，根据开闭件的材料对应的应力-寿命曲线获取关闭工况疲劳寿命Nclose，其中应力-寿命曲线用幂函数的形式表达：
(S-Sf)m.N＝C；
其中，S为应力值、Sf为材料的疲劳极限、m和C为设定参数，设定参数与材料、应力比、加载条件相关、N为疲劳寿命；
加载疲劳工况，提取开闭件上的最大应力值σmax，根据开闭件的材料对应的应力-寿命曲线获取开启工况疲劳寿命Nopen，其中应力-寿命曲线用幂函数的形式表达：
(S-Sf)m.N＝C；
其中，S为应力值、Sf为材料的疲劳极限、m和C为设定参数，设定参数与材料、应力比、加载条件相关、N为疲劳寿命；
计算综合疲劳寿命Ntotal：
Figure BDA0002656431450000041
其中Nopen为加载疲劳工况下的开启工况疲劳寿命，Nclose为不加载疲劳工况下的关闭工况疲劳寿命。
本发明的开闭件密封条的有限元建模方法具有如下的优势：
本发明通过使用CONNECTOR单元分区模拟密封条，准确的在有限元模型中模拟出密封条因安装曲率变化造成的截面受力性能变化。
本发明通过使用微缩模型对密封条进行非线性材料属性标定，能够更加准确的模拟由高粘弹性材料制成的车辆密封条的在高应变率下的非线性的动态性能，及开关过程中密封条连接区域的受力状况。
本发明的开闭件密封条的有限元建模方法可以适用于不同的开闭件疲劳工况，包括发动机舱盖，车门以及行李箱盖，适用于不同的密封条的安装位置，包括安装在开闭件上的密封条及安装在车身上的密封条，同时也适用于行李箱盖的关闭状态缝隙调整工况。
本发明的开闭件密封条的有限元建模方法，相比较于传统的仿真技术中，密封条简化为受力方向垂直于钣金平面的统一刚度的线性弹簧单元的仿真方法具有上述优点,能够准确模拟开闭件中钣金的受力情况及疲劳开裂的风险。通过使用本发明所述的建模方法得到的开闭件疲劳计算的结果对于实验预测的准确度可以提高20～40％。这显著地有利于提高车辆自主研发过程中开闭件有限元计算的效率和准确性，非常有利于节约样车成本，并且可以极大提高汽车研发效率。
此外，本发明的开闭件密封条的有限元建模方法的使用不局限于后行李箱盖疲劳工况的模型建立，其余开闭件的疲劳工况也可使用本发明所述方法，包括发动机舱盖以及前后车门疲劳工况，并且适用于不同的密封条的安装位置，密封条可以安装在开闭件上，也可以安装在车身上；同时本发明所述方法也适用于后行李箱盖的关闭状态缝隙调整工况，通过结合最小二乘法优化算法，能够在设计阶段确认好最小缝隙前提下的铰链和锁扣安装方式，在样车实验阶段可以避免大量的人工尝试，只需对有限元仿真得到的安装参数进行验证即可，极大的缩短了整车开发和样车实验的时间，为无样车开发奠定了基础。
附图说明
图1揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法的流程图。
图2a和图2b揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中所建立的ABAQUS有限元模型的示意图。
图3揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中对密封条进行分区的示意图。
图4a和图4b揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中二维微缩模型的示意图。
图5揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中三维微缩模型的示意图。
图6揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中根据二维微缩模型计算得到的密封条的压缩力-位移曲线的示意图。
图7揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中使用的应力-寿命曲线的示意图。
图8揭示了根据本发明的另一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法的流程图。
图9a和图9b揭示了根据本发明的另一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中进行边界条件加载及仿真计算的示意图。
具体实施方式
由于物理试验周期过长、成本过高，而现有的仿真技术的准确度有比较差，因此业内急需一种能在开闭件设计的早期阶段利用有限元仿真建立模型及连接，准确模拟开闭件边框的密封条，预测钣金零件在实验及实际使用状态的受力情况的仿真技术。能够利用仿真技术对疲劳寿命进行预测和有针对性的结构改进，减少实验次数，缩短产品开发周期，提高整车开发流程的效率。
本发明提出一种开闭件密封条的有限元建模方法，图1揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法的流程图。参考图1所示，该开闭件密封条的有限元建模方法包括：
S101、安装环境创建步骤。在安装环境创建步骤中建立安装环境组件的有限元模型，包括车身有限元模型、开闭件有限元模型和密封条有限元模型。在一个实施例中，该有限元建模方法使用ABAQUS有限元软件建立有限元模型。车身有限元模型和开闭件有限元模型被赋以可变形的金属材料属性，车身有限元模型和开闭件有限元模型内的连接单元为焊点单元或者胶水单元。密封条有限元模型被赋以Connector材料属性。密封条有限元模型由数个Connector单元接续组成，每一个Connector单元具有相等的长度并以等距的间隔沿密封条扫掠曲线排列，密封条扫掠曲线是沿密封条安装路径生成。在一个实施例中，沿着安装路径的扫掠曲线建立一系列间隔为10mm、长度为10mm的等距的Connector单元来形成密封条有限元模型。每一个Connector单元的指向为密封条安装区域中，密封条密封接触点和密封条安装点的连线。
S102、密封条分区步骤。在密封条分区步骤中，根据压缩截面的位置对密封条有限元模型进行分区，提取各个分区中车身、开闭件和密封条的截面数据。在一个实施例中，组成密封条有限元模型的数个Connector单元也被分区，每一分区中的Connector单元的被赋以通过该分区的密封条的压缩力-位移曲线计算得到的材料参数。
S103、微缩模型建立步骤。在微缩模型建立步骤中，对各个分区建立微缩有限元模型，微缩有限元模型是根据各个分区中车身、开闭件和密封条的截面数据建立。微缩模型可以是二维模型，也可以是三位模型。
在一个实施例中，各个分区的微缩有限元模型为二维微缩模型，其中车身二维微缩模型是车身一维有限元截面、开闭件二维微缩模型是开闭件一维有限元截面、密封条二维微缩模型是密封条二维有限元截面。车身二维微缩模型和开闭件二维微缩模型被设置为刚性体，密封条二维微缩模型包括压缩空腔、实体区以及刚性嵌件，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。
在另一个实施例中，各个分区的微缩有限元模型为三维微缩模型，其中车身三维微缩模型是车身二维有限元壳网格面、开闭件三维微缩模型是开闭件二维有限元壳网格面、密封条三维微缩模型是密封条三维有限元网格。车身三维微缩模型和开闭件三维微缩模型被设置为刚性体，密封条三维微缩模型包括压缩空腔、实体区以及刚性嵌件，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。
S104、材料属性计算步骤。在材料属性计算步骤中，根据各个分区的微缩有限元模型，通过有限元求解计算得到各个分区中的密封条的压缩力-位移曲线，并根据压缩力-位移曲线计算得到各个分区的密封条的材料属性参数。
S105、材料属性加载步骤。在材料属性加载步骤中，建立车身有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，以及开闭件有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，各个分区的材料属性参数被加载至密封条有限元模型的对应分区。
S106、工况条件加载及仿真步骤。在工况条件加载及仿真步骤中，加载工况条件参数，通过有限元运算获得仿真模拟结果。
在一个实施例中，工况条件加载及仿真步骤中加载的工况条件参数包括疲劳工况加载，疲劳工况加载是绕着开闭件旋转轴的角速度加载。通过有限元运算获得仿真模拟结果包括计算获得仿真疲劳寿命，包括：
提取开闭件上的最大应力值σmax，根据开闭件的材料对应的应力-寿命曲线获取疲劳寿命N，其中应力-寿命曲线用幂函数的形式表达：
(S-Sf)m.N＝C；
其中，S为应力值、Sf为材料的疲劳极限、m和C为设定参数，设定参数与材料、应力比、加载条件相关、N为疲劳寿命。
在一个实施例中，分别计算不加载疲劳工况下的关闭工况疲劳寿命Nclose和加载疲劳工况下的开启工况疲劳寿命Nopen来获得综合疲劳寿命Ntotal，通过有限元运算获得仿真模拟结果包括计算获得仿真疲劳寿命，包括：
不加载疲劳工况，提取开闭件上的最大应力值σmax，根据开闭件的材料对应的应力-寿命曲线获取关闭工况疲劳寿命Nclose，其中应力-寿命曲线用幂函数的形式表达：
(S-Sf)m.N＝C；
其中，S为应力值、Sf为材料的疲劳极限、m和C为设定参数，设定参数与材料、应力比、加载条件相关、N为疲劳寿命；
加载疲劳工况，提取开闭件上的最大应力值σmax，根据开闭件的材料对应的应力-寿命曲线获取开启工况疲劳寿命Nopen，其中应力-寿命曲线用幂函数的形式表达：
(S-Sf)m.N＝C；
其中，S为应力值、Sf为材料的疲劳极限、m和C为设定参数，设定参数与材料、应力比、加载条件相关、N为疲劳寿命；
计算综合疲劳寿命Ntotal：
Figure BDA0002656431450000091
其中Nopen为加载疲劳工况下的开启工况疲劳寿命，Nclose为不加载疲劳工况下的关闭工况疲劳寿命。
下面介绍依据图1所示的实施例的开闭件密封条的有限元建模方法的一具体实现，该示例的实现用于仿真模拟疲劳工况下的开闭件疲劳寿命。该具体实现中包括如下的步骤：
步骤S1：建立开闭件有限元模型。在该示例中，开闭件是车辆行李箱盖总成1。建立车辆行李箱盖总成1的有限元模型，包括钣金件、行李箱盖玻璃和胶水，具体步骤为：对钣金件、行李箱盖玻璃的几何数据抽取中性面，再对中性面进行壳网格划分，并赋予可变形材料属性及厚度。其中对钣金件赋予可变形金属材料属性，对行李箱盖玻璃赋予可变形非金属材料属性。对胶水的几何数据进行体网格划分，并赋予可变形材料属性。所建立的车辆行李箱盖总成的有限元模型中各组件通过焊点及胶水单元连接。
步骤S2：建立车身有限元模型。在该示例中，车身是车身后段总成2。建立车身后段总成2的有限元模型，包括钣金件和胶水，具体步骤为：对钣金件的几何数据抽取中性面，再对中性面进行壳网格划分，并赋予可变形材料属性及厚度，钣金件赋予可变形金属材料属性。对胶水的几何数据进行体网格划分，并赋予可变形材料属性。所建立的车身后段总成的有限元模型中各组件通过焊点及胶水单元连接。
步骤S3：建立密封条有限元模型。在该示例中，建立的密封条3的有限元模型，具体步骤为：沿密封条安装路径生成密封条扫掠曲线，沿着安装路径的扫掠曲线建立一系列间隔为10mm、长度为10mm的等距的CONNECTOR单元。本示例中，CONNECTOR单元的指向为密封条安装区域中，密封条与行李箱盖接触点和密封条在车身上的安装点的连线。
需要说明的是，上述的步骤S1～S3同属于图1中的步骤S101“安装环境创建步骤”。步骤S101中会创建车身有限元模型、开闭件有限元模型和密封条有限元模型，但并不要求创建顺序。所以步骤S1、S2以及S3之间并没有执行的先后顺序之分，本领域内的技术人员可以根据各实施方式的具体情况调整步骤S1、S2以及S3之间的先后顺序，分别建立开闭件有限元模型、车身有限元模型和密封条有限元模型。在开闭件有限元模型、车身有限元模型和密封条有限元模型均建立完成后，该整体的步骤S101“安装环境创建步骤”完成，进入后续的步骤。该示例中使用的有限元软件是ABAQUS，图2a和图2b揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中所建立的ABAQUS有限元模型的示意图，所建立的ABAQUS有限元模型包括车辆行李箱盖总成1的有限元模型、车身后段总成2的有限元模型和密封条3的有限元模型。
步骤S4：将密封条模型根据压缩截面位置进行分区，根据压缩截面的位置对密封条有限元模型进行分区。不同分区的材料曲线不同，由于压缩截面位置是根据密封条安装路径的曲率不同而变化的，因此分区原则可以依据密封条安装路径的曲率变化执行，提取不同分区的密封条安装区域的车辆行李箱盖及车身的钣金截面。图3揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中对密封条进行分区的示意图。参考图3所示，图3示意性地展示了本示例中密封条有限元模型的分区41、42、43、44、45、46和47。由于密封条是呈大致环形的结构，因此密封条有限元模型也是呈环形，并且是左右对称的。在图示的示例中，密封条有限元模型中左右对称的位置被划分为相同的分区。
步骤S5：建立车身微缩模型和开闭件微缩模型。在该示例中，车身微缩模型和开闭件微缩模型都是二维微缩模型，其中车身二维微缩模型是车身一维有限元截面、开闭件二维微缩模型是开闭件一维有限元截面，车身二维微缩模型和开闭件二维微缩模型被设置为刚性体。图4a和图4b揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中二维微缩模型的示意图。具体步骤包括：提取不同分区的开闭件，即车辆行李箱盖有限元模型截面51和车身有限元模型截面52，车辆行李箱盖有限元模型和车身有限元模型都被设置为刚性体。
步骤S6：建立密封条微缩模型。在该示例中，密封条微缩模型是二维微缩模型，是密封条二维有限元截面。密封条二维微缩模型包括压缩空腔、实体区以及刚性嵌件，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。参考图4a和图4b所示，具体步骤包括：提取不同分区的密封条有限元模型截面，具体包括压缩空腔63、实体区62以及刚性嵌件61，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。
步骤S7：建立不同分区的密封条微缩模型。分别建立不同分区中的密封条微缩模型。密封条有限元模型与车身有限元模型之间通过共用节点的方式连接，车辆行李箱盖有限元模型与密封条有限元模型之间设有接触节点。
步骤S8：对建立完成的有限元模型进行加载。车辆行李箱盖有限元模型截面51按照行李箱舱盖开启方式，绕着行李箱舱盖安装轴转动至与密封条不重叠的完全开启位置51-a，并对其进行准静态加载，加载方式为绕着行李箱舱盖安装轴转动，加载位置从开启状态51-a加载至过度关闭状态51-b。图4a和图4b展示了不同分区的密封条二维微缩模型的示意图。图4a是图3中42区的密封条的二维微缩模型，图4b是图3中44区的密封条的二维微缩模型。图4a和图4b还展示了开闭件，即车辆行李箱盖的加载初始位置和加载终止位置。其中车辆行李箱盖在51-a为完全开启状态，车辆行李箱盖在51为正常关闭状态，车辆行李箱盖在51-b为过度关闭状态。
需要说明的是，上述的步骤S5～S8同属于图1中的步骤S103“微缩模型建立步骤”。由于步骤S5～S8存在前后的依附关系，因此步骤S5～S8的顺序不能更换，需要按照S5、S6、S7、S8的顺序依次执行。
前面结合图4a和图4b以及步骤S5～S8介绍的示例中对各个分区建立的微缩有限元模型是二维微缩模型。在另一个示例中，各个分区的微缩有限元模型也可以是三维微缩模型，其中车身三维微缩模型是车身二维有限元壳网格面、开闭件三维微缩模型是开闭件二维有限元壳网格面、密封条三维微缩模型是密封条三维有限元网格。车身三维微缩模型和开闭件三维微缩模型被设置为刚性体，密封条三维微缩模型包括压缩空腔、实体区以及刚性嵌件，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。图5揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中三维微缩模型的示意图。其中的密封条三维微缩模型的长度为该区域密封条单位长度lunit。
Figure BDA0002656431450000111
其中l为该区域密封条的总长度；n为该区域建立的微缩模型的数量。密封条单位长度lunit也可以理解为CONNECTOR单元的间隔，本实施例中lunit为10mm。
步骤S9：材料属性计算步骤。根据各个分区的微缩有限元模型，通过有限元求解计算得到各个分区中的密封条的压缩力-位移曲线，并根据压缩力-位移曲线计算得到各个分区的密封条的材料属性参数。具体而言，包括提取微缩模型有限元求解得出的不同分区的密封条的压缩力(N)-位移(mm)曲线，获得密封条CONNECTOR单元的材料属性。图6揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中根据二维微缩模型计算得到的密封条的压缩力-位移曲线的示意图。
步骤S10：材料属性加载步骤。建立车身有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，以及开闭件有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，各个分区的材料属性参数被加载至密封条有限元模型的对应分区。在进行材料属性加载后，将得到车辆行李箱盖疲劳计算模型，行李箱舱盖模型与密封条模型之间，密封条模型与车身有限元模型之间通过共用节点的方式连接。所建立的密封条有限元模型被赋以通过密封条不同分区的微缩模型获得的CONNECTOR单元材料参数(即步骤S9中获得的材料属性参数)，并且CONNECTOR单元的长度应与材料属性中的“*CONNECTOR CONSTITUTIVE REFERENCE”中的参数长度相等。
步骤S11：工况条件加载及仿真步骤。在该步骤中加载疲劳工况，在步骤S10所获得的计算模型上进行绕后行李箱盖转轴的角速度加载作为疲劳工况加载。计算后提取钣金件的最大应力值σmax，根据材料对应的应力-寿命曲线(S-N)获取疲劳寿命N，疲劳寿命N代表开闭件的开闭循环次数。
S-N曲线用幂函数的形式来表达：
(S-Sf)m.N＝C；
式中，S为应力值、Sf为材料的疲劳极限、m和C为设定参数，设定参数与材料、应力比、加载条件相关、N为疲劳寿命。参数m和C是预先记录并且设定的参数，参数m和C的运算可以通过物理实验或者其他的仿真试验得到，本发明在此直接使用计算后的结果。
通过取对数运算：
LgS＝A+BLgN
式中，材料参数A＝LgC/m，B＝-1/m。
图7揭示了根据本发明的一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中使用的应力-寿命曲线(S-N曲线)的示意图。图7中的横坐标是寿命，即生命周期，单位是次。图7中的纵坐标是应力，单位是Mpa。具体而言，图7展示了钣金通过点焊连接情况下的S-N曲线，所述S-N曲线在本实施例中的拟合参数：Sf＝600MPa，A＝4.26，B＝-0.2。
分别计算不加载疲劳工况下的关闭工况疲劳寿命Nclose和加载疲劳工况下的开启工况疲劳寿命Nopen来获得综合疲劳寿命Ntotal，通过有限元运算获得仿真模拟结果包括计算获得仿真疲劳寿命，包括：
不加载疲劳工况，提取开闭件上的最大应力值σmax，根据开闭件的材料对应的应力-寿命曲线获取关闭工况疲劳寿命Nclose，其中应力-寿命曲线用幂函数的形式表达：
(S-Sf)m.N＝C；
其中，S为应力值、Sf为材料的疲劳极限、m和C为设定参数，设定参数与材料、应力比、加载条件相关、N为疲劳寿命；
加载疲劳工况，提取开闭件上的最大应力值σmax，根据开闭件的材料对应的应力-寿命曲线获取开启工况疲劳寿命Nopen，其中应力-寿命曲线用幂函数的形式表达：
(S-Sf)m.N＝C；
其中，S为应力值、Sf为材料的疲劳极限、m和C为设定参数，设定参数与材料、应力比、加载条件相关、N为疲劳寿命；
计算综合疲劳寿命Ntotal：
Figure BDA0002656431450000131
其中Nopen为加载疲劳工况下的开启工况疲劳寿命，Nclose为不加载疲劳工况下的关闭工况疲劳寿命。
使用传统的仿真技术将密封条简化为受力方向垂直于钣金平面的统一刚度的线性弹簧单元的仿真方法，得出钣金件的最大开启应力值为1342Mpa，依据S-N曲线及总寿命计算公式得出的开启疲劳加载工况的寿命为459481次；关闭应力值为1943Mpa，关闭疲劳加载工况的寿命为72221次；总循环寿命Ntotal通过下述公式获得：
Figure BDA0002656431450000132
其中Nopen为开启疲劳加载工况下的开启工况疲劳寿命，其中Nclose为关闭疲劳加载工况下的关闭工况疲劳寿命。依据总寿命计算公式得出的总疲劳寿命为62411次。
依据本发明开闭件密封条的有限元建模方法对密封条有限元模型进行修正后，得出钣金件的最大开启应力值为1173Mpa，依据S-N曲线及总寿命计算公式得出的开启疲劳加载工况的寿命为900617次；关闭应力值为1816Mpa，关闭疲劳加载工况的寿命为101263次；依据总寿命计算公式得出的总疲劳寿命为91028次。
进行物理试验验证，由于物理实验计数均为10000的整数次，因此物理试验验证的结果为10000的整数倍。在物理试验验证中，在第90000次过程检测时出现了疲劳开裂。基于物理试验的结果比较，使用开闭件密封条的有限元建模方法对于结果的预测精度提高了28％。
图8揭示了根据本发明的另一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法的流程图。参考图8所示，该开闭件密封条的有限元建模方法包括：
S201、安装环境创建步骤。在安装环境创建步骤中建立安装环境组件的有限元模型，包括车身有限元模型、开闭件有限元模型和密封条有限元模型。在一个实施例中，该有限元建模方法使用ABAQUS有限元软件建立有限元模型。车身有限元模型和开闭件有限元模型被赋以可变形的金属材料属性，车身有限元模型和开闭件有限元模型内的连接单元为焊点单元或者胶水单元。密封条有限元模型被赋以Connector材料属性。密封条有限元模型由数个Connector单元接续组成，每一个Connector单元具有相等的长度并以等距的间隔沿密封条扫掠曲线排列，密封条扫掠曲线是沿密封条安装路径生成。在一个实施例中，沿着安装路径的扫掠曲线建立一系列间隔为10mm、长度为10mm的等距的Connector单元来形成密封条有限元模型。每一个Connector单元的指向为密封条安装区域中，密封条密封接触点和密封条安装点的连线。
S202、密封条分区步骤。在密封条分区步骤中，根据压缩截面的位置对密封条有限元模型进行分区，提取各个分区中车身、开闭件和密封条的截面数据。在一个实施例中，组成密封条有限元模型的数个Connector单元也被分区，每一分区中的Connector单元的被赋以通过该分区的密封条的压缩力-位移曲线计算得到的材料参数。
S203、微缩模型建立步骤。在微缩模型建立步骤中，对各个分区建立微缩有限元模型，微缩有限元模型是根据各个分区中车身、开闭件和密封条的截面数据建立。微缩模型可以是二维模型，也可以是三位模型。
在一个实施例中，各个分区的微缩有限元模型为二维微缩模型，其中车身二维微缩模型是车身一维有限元截面、开闭件二维微缩模型是开闭件一维有限元截面、密封条二维微缩模型是密封条二维有限元截面。车身二维微缩模型和开闭件二维微缩模型被设置为刚性体，密封条二维微缩模型包括压缩空腔、实体区以及刚性嵌件，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。
在另一个实施例中，各个分区的微缩有限元模型为三维微缩模型，其中车身三维微缩模型是车身二维有限元壳网格面、开闭件三维微缩模型是开闭件二维有限元壳网格面、密封条三维微缩模型是密封条三维有限元网格。车身三维微缩模型和开闭件三维微缩模型被设置为刚性体，密封条三维微缩模型包括压缩空腔、实体区以及刚性嵌件，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。
S204、材料属性计算步骤。在材料属性计算步骤中，根据各个分区的微缩有限元模型，通过有限元求解计算得到各个分区中的密封条的压缩力-位移曲线，并根据压缩力-位移曲线计算得到各个分区的密封条的材料属性参数。
S205、材料属性加载步骤。在材料属性加载步骤中，建立车身有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，以及开闭件有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，各个分区的材料属性参数被加载至密封条有限元模型的对应分区。
S206、边界条件加载及仿真步骤。在边界条件加载及仿真步骤中，加载边界条件参数，通过有限元运算获得仿真模拟结果。在一个实施例中，边界条件加载及仿真步骤中加载边界条件参数包括重力加载、零部件静态力加载、密封条静态力加载和调整位移加载。在一个实施例中，边界条件加载及仿真用于开闭件缝隙计算，零部件静态力加载包括静态气弹簧力加载和缓冲垫力加载。在一个实施例中，密封条静态力加载包括在不同分区的密封条有限元模型上加载根据各个分区的密封条的微缩有限元模型通过有限元求解计算得到各个分区中的密封条的压缩力-位移曲线。在一个实施例中，边界条件加载及仿真步骤中的有限元运算中结合最小二乘法进行有限元计算求解。
下面介绍依据图8所示的实施例的开闭件密封条的有限元建模方法的一具体实现，该示例的实现结合有限元建模和最小二乘法对后行李箱盖的关闭状态缝隙调整进行有限元仿真模拟。该具体实现中包括如下的步骤：
步骤S1：建立开闭件有限元模型。
步骤S2：建立车身有限元模型。
步骤S3：建立密封条有限元模型。
步骤S4：将密封条模型根据压缩截面位置进行分区，根据压缩截面的位置对密封条有限元模型进行分区。
步骤S5：建立车身微缩模型和开闭件微缩模型。
步骤S6：建立密封条微缩模型。
步骤S7：建立不同分区的密封条微缩模型。
步骤S8：对建立完成的有限元模型进行加载。
步骤S9：材料属性计算步骤。
该具体实现中的步骤S1～S9与前一实施例的具体实现中的步骤S1～S9相同，此处不再重复描述。该具体实现在步骤S9之后包括下述的步骤：
步骤S20：材料属性加载步骤。建立车身有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，以及开闭件有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，各个分区的材料属性参数被加载至密封条有限元模型的对应分区。在进行材料属性加载后，将得到后行李箱盖的关闭状态缝隙调整有限元仿真计算模型，行李箱舱盖模型与密封条模型之间，密封条模型与车身有限元模型之间通过共用节点的方式连接。并且CONNECTOR单元的长度应与材料属性中的“*CONNECTOR CONSTITUTIVE REFERENCE”中的参数长度相等。
步骤S21：重力加载步骤。对步骤S20中获得的计算模型进行重力加载。重力加载对模型整体施加重力加速度g＝0.00981mm/ms2。
步骤S22：零部件静态力加载步骤。对步骤S21中经重力加载后的计算模型进行零部件静态力记载。在该实现中，零部件静态力加载包括静态气弹簧力加载和缓冲垫力加载。在该实现中，静态气弹簧力为沿着气弹簧作用方向的轴向力1215N，缓冲垫力为沿着缓冲垫作用方向的轴向力50N。
步骤S23：密封条静态力加载步骤。对步骤S22中经参数加载后的计算模型进行密封条静态力加载：在不同分区的CONNECTOR单元上加载通过密封条微缩模型获得的压缩力-位移曲线。
步骤S24：调整位移加载步骤。对步骤S23中经参数加载后的计算模型进行调整位移加载，可调节的参数包括后行李箱盖的安装铰链4以及锁扣5。其中安装铰链4在安装平面局部坐标系R’可以沿X’和Z’轴施加强制位移，位移量定义为参数d1和d2。d1和d2的调整范围为-3mm～3mm。锁扣5沿着盖子关闭方向施加强制位移将位移量定义为参数d3，d3调整范围为-1.5mm～1.5mm。图9a和图9b揭示了根据本发明的另一实施例的开闭件密封条的有限元建模方法中进行边界条件加载及仿真计算的示意图。
参考图9a所示，步骤S24中所述的局部坐标系R’中X’轴为铰链安装平面的水平方向，Z’轴为铰链安装平面的垂直方向。
需要说明的是，上述的步骤S21～S24同属于图8中的步骤S206“边界条件加载及仿真步骤”。步骤S206中会进行重力加载、零部件静态力加载、密封条静态力加载和调整位移加载，但并不要求加载顺序。所以步骤S21、S22、S23以及S24之间并没有执行的先后顺序之分，本领域内的技术人员可以根据各实施方式的具体情况调整步骤S21、S22、S23以及S24之间的先后顺序，分别对重力进行加载，对气弹簧力、缓冲垫力，密封条力进行静态力加载，对安装铰链以及锁扣进行强制位移加载。
步骤S25：有限元运算步骤。进行有限元计算求解，并在有限元计算求解的过程中使用最小二乘法原理。参考图9a和图9b，以d1、d2、d3为自变量，以全局坐标下，尾灯观测点L到车身的X和Z向的距离Lx，Lz以及后盖拐角处观测点H到车身的X和Z向的距离Hx，Hz为因变量，有限元模拟优化后的结果得到d1、d2、d3的最优解使得y值最小，其中：
y＝Lx2+Lz2+Hx2+Hz2
如图9b所示，针对行李箱盖的关闭状态缝隙调整有限元仿真装配模型建立了全局坐标系R，在全局坐标系R中，X轴为车头指向车尾水平方向，Y轴位于整车宽度水平方向，Z轴方向为垂直于地面指向车顶方向。
本发明的开闭件密封条的有限元建模方法具有如下的优势：
本发明通过使用CONNECTOR单元分区模拟密封条，准确的在有限元模型中模拟出密封条因安装曲率变化造成的截面受力性能变化。
本发明通过使用微缩模型对密封条进行非线性材料属性标定，能够更加准确的模拟由高粘弹性材料制成的车辆密封条的在高应变率下的非线性的动态性能，及开关过程中密封条连接区域的受力状况。
本发明的开闭件密封条的有限元建模方法可以适用于不同的开闭件疲劳工况，包括发动机舱盖，车门以及行李箱盖，适用于不同的密封条的安装位置，包括安装在开闭件上的密封条及安装在车身上的密封条，同时也适用于行李箱盖的关闭状态缝隙调整工况。
本发明的开闭件密封条的有限元建模方法，相比较于传统的仿真技术中，密封条简化为受力方向垂直于钣金平面的统一刚度的线性弹簧单元的仿真方法具有上述优点,能够准确模拟开闭件中钣金的受力情况及疲劳开裂的风险。通过使用本发明所述的建模方法得到的开闭件疲劳计算的结果对于实验预测的准确度可以提高20～40％。这显著地有利于提高车辆自主研发过程中开闭件有限元计算的效率和准确性，非常有利于节约样车成本，并且可以极大提高汽车研发效率。
此外，本发明的开闭件密封条的有限元建模方法的使用不局限于后行李箱盖疲劳工况的模型建立，其余开闭件的疲劳工况也可使用本发明所述方法，包括发动机舱盖以及前后车门疲劳工况，并且适用于不同的密封条的安装位置，密封条可以安装在开闭件上，也可以安装在车身上；同时本发明所述方法也适用于后行李箱盖的关闭状态缝隙调整工况，通过结合最小二乘法优化算法，能够在设计阶段确认好最小缝隙前提下的铰链和锁扣安装方式，在样车实验阶段可以避免大量的人工尝试，只需对有限元仿真得到的安装参数进行验证即可，极大的缩短了整车开发和样车实验的时间，为无样车开发奠定了基础。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (8)

1.一种开闭件密封条的有限元建模方法，其特征在于，包括：
安装环境创建步骤，建立安装环境组件的有限元模型，包括车身有限元模型、开闭件有限元模型和密封条有限元模型；
密封条分区步骤，根据压缩截面的位置对密封条有限元模型进行分区，提取各个分区中车身、开闭件和密封条的截面数据；
微缩模型建立步骤，对各个分区建立微缩有限元模型，所述微缩有限元模型是根据各个分区中车身、开闭件和密封条的截面数据建立；
材料属性计算步骤，根据各个分区的微缩有限元模型，通过有限元求解计算得到各个分区中的密封条的压缩力-位移曲线，并根据压缩力-位移曲线计算得到各个分区的密封条的材料属性参数；
材料属性加载步骤，建立车身有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，以及开闭件有限元模型和密封条有限元模型之间的连接，所述各个分区的材料属性参数被加载至密封条有限元模型的对应分区；
边界条件加载及仿真步骤，加载边界条件参数，通过有限元运算获得仿真模拟结果；
其中，所述微缩模型建立步骤进一步包括：
建立车身微缩模型和开闭件微缩模型；
建立密封条微缩模型；
建立不同分区的密封条微缩模型；
对建立完成的有限元模型进行加载；
其中，各个分区的微缩有限元模型为二维微缩模型，其中车身二维微缩模型是车身一维有限元截面、开闭件二维微缩模型是开闭件一维有限元截面、密封条二维微缩模型是密封条二维有限元截面；
车身二维微缩模型和开闭件二维微缩模型被设置为刚性体，密封条二维微缩模型包括压缩空腔、实体区以及刚性嵌件，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。
2.如权利要求1所述的开闭件密封条的有限元建模方法，其特征在于，该有限元建模方法使用ABAQUS有限元软件建立有限元模型，所述车身有限元模型和开闭件有限元模型被赋以可变形的金属材料属性，车身有限元模型和开闭件有限元模型内的连接单元为焊点单元或者胶水单元。
3.如权利要求2所述的开闭件密封条的有限元建模方法，其特征在于，所述密封条有限元模型被赋以Connector材料属性，所述密封条有限元模型由数个Connector单元接续组成，每一个Connector单元具有相等的长度并以等距的间隔沿密封条扫掠曲线排列，所述密封条扫掠曲线是沿密封条安装路径生成，每一个Connector单元的指向为密封条安装区域中，密封条密封接触点和密封条安装点的连线，数个Connector单元被分区，每一分区中的Connector单元的被赋以通过该分区的密封条的压缩力-位移曲线计算得到的材料参数。
4.如权利要求3所述的开闭件密封条的有限元建模方法，其特征在于，
各个分区的微缩有限元模型为三维微缩模型，其中车身三维微缩模型是车身二维有限元壳网格面、开闭件三维微缩模型是开闭件二维有限元壳网格面、密封条三维微缩模型是密封条三维有限元网格；
车身三维微缩模型和开闭件三维微缩模型被设置为刚性体，密封条三维微缩模型包括压缩空腔、实体区以及刚性嵌件，其中压缩空腔和实体区被赋以可变形的粘弹性橡胶材料属性，刚性嵌件被赋以可变形的金属材料属性。
5.如权利要求1所述的开闭件密封条的有限元建模方法，其特征在于，所述边界条件加载及仿真步骤中加载边界条件参数包括重力加载、零部件静态力加载、密封条静态力加载和调整位移加载。
6.如权利要求5所述的开闭件密封条的有限元建模方法，其特征在于，边界条件加载及仿真用于开闭件缝隙计算，零部件静态力加载包括静态气弹簧力加载和缓冲垫力加载。
7.如权利要求5所述的开闭件密封条的有限元建模方法，其特征在于，所述密封条静态力加载包括在不同分区的密封条有限元模型上加载根据各个分区的密封条的微缩有限元模型通过有限元求解计算得到各个分区中的密封条的压缩力-位移曲线。
8.如权利要求5所述的开闭件密封条的有限元建模方法，其特征在于，所述边界条件加载及仿真步骤中的有限元运算中结合最小二乘法进行有限元计算求解。
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