CN112069700A - 动力总成抗扭拉杆强度的计算方法、装置及计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种动力总成抗扭拉杆强度的计算方法，包括获取抗扭拉杆中大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数和抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷；根据抗扭拉杆的支架、大橡胶衬套和小橡胶衬套的几何结构以及所获取到的大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数，建立抗扭拉杆的有限元模型；在抗扭拉杆的有限元模型中，导入抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷，计算得到抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。实施本发明，充分考虑橡胶衬套的变形对抗扭拉杆本体强度的影响，能准确反映出抗扭拉杆受载时的应力分布情况，提高计算精度，为零部件的强度结构设计提供有力的保障。
Description
技术领域
本发明涉及汽车性能分析技术领域，尤其涉及一种动力总成抗扭拉杆强度的计算方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质。
背景技术
对于采用钟摆式三点悬置的发动机总成的汽车来说，其悬置系统作为连接动力总成与车身车架的关键部件，主要起支撑、固定动力总成的作用，吸收驱动与制动扭矩，隔离并减轻因发动机激励而引起的车身车架的振动，同时也隔离因路面不平度引起的动力总成振动，承受着动力总成在水平与垂直方向的所有载荷以及扭矩。该发动机总成上的钟摆式三点悬置具体包括变速箱悬置、发动机悬置和抗扭拉杆悬置；其中，抗扭拉杆悬置两端各装配有橡胶结构，分别连接发动机与副车架，对动力总成在整车的纵向上进行限位，抵抗因发动机输出而引起动力总成绕Y轴的扭矩。因此，有必要考察各种典型与极端工况下，抗扭拉杆的强度性能。
由于抗扭拉杆上的橡胶材料本构参数的获取比较困难，且橡胶衬套几何结构比较复杂，有限元建模难度较大，使得现有的抗扭拉杆的强度仿真计算并未考虑橡胶衬套的变形对抗扭拉杆受载时应力分布的影响，出现抗扭拉杆两端局部位置的受力情况与实际不一致的问题。例如，把抗扭拉杆支架与衬套连接的内表面节点与悬置弹性中心点耦合，以此替代橡胶衬套对抗扭拉杆的连接关系；又如，把橡胶衬套主簧在抗扭拉杆支架内表面投影的区域的节点与悬置弹性中心点耦合，以此替代橡胶衬套对抗扭拉杆的连接关系。
综上，由于抗扭拉杆在受力时，通过橡胶衬套自身的变形使载荷分级、分区域传递到支架本体，然而现有的抗扭拉杆的强度仿真计算方法未考虑橡胶衬套的变形，也就无法准确地模拟出抗扭拉杆支架本体的受载区域以及准确校核出拉杆支架强度的风险区域，从而导致应力计算结果的准确性较差。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种动力总成抗扭拉杆强度的计算方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质，充分考虑橡胶衬套的变形对抗扭拉杆本体强度的影响，能准确反映出抗扭拉杆受载时的应力分布情况，提高计算精度，为零部件的强度结构设计提供有力的保障。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种动力总成抗扭拉杆强度的计算方法，所述方法包括以下步骤：
S1：获取抗扭拉杆中大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数和所述抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷；
S2：根据所述抗扭拉杆的支架、大橡胶衬套和小橡胶衬套的几何结构，以及所获取到的大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数，建立抗扭拉杆的有限元模型；
S3：在所述抗扭拉杆的有限元模型中，导入所获取到的抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
其中，所述获取抗扭拉杆中大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数的具体步骤包括：
对橡胶材料进行单轴拉伸、等双轴拉伸以及平面拉伸来获取橡胶材料的应力应变数据，将所获取到的应力应变数据通过最小二乘法拟合计算得到所述橡胶材料的本构模型参数。
其中，所述在所述抗扭拉杆的有限元模型中，导入获取到的抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果的具体步骤包括：
在所述抗扭拉杆的有限元模型中，将所述抗扭拉杆的支架分别与所述大橡胶衬套和所述小橡胶衬套设置为过盈装配；
在所述抗扭拉杆的有限元模型中，将所述大橡胶衬套的中心向所述抗扭拉杆的支架内壁延伸的方向设置为所述载荷的加载方向；
在所述抗扭拉杆的有限元模型中，沿所述载荷的加载方向导入所述载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
本发明实施例还提供了一种动力总成抗扭拉杆强度的计算装置，包括橡胶参数及载荷获取单元、总成模型构建单元及强度计算单元；其中，
所述橡胶参数及载荷获取单元，用于获取抗扭拉杆中大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数和所述抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷；
所述总成模型构建单元，用于根据所述抗扭拉杆的支架、大橡胶衬套和小橡胶衬套的几何结构，以及所获取到的大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数，建立抗扭拉杆的有限元模型；
所述强度计算单元，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，导入所获取到的抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
其中，所述橡胶材料的本构模型参数是将橡胶材料进行单轴拉伸、等双轴拉伸以及平面拉伸所获取的应力应变数据通过最小二乘法拟合得到的。
其中，所述强度计算单元包括：
第一模拟模块，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，将所述抗扭拉杆的支架分别与所述大橡胶衬套和所述小橡胶衬套设置为过盈装配；
第二模拟模块，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，将所述大橡胶衬套的中心向所述抗扭拉杆的支架内壁延伸的方向设置为所述载荷的加载方向；
结果输出模块，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，沿所述载荷的加载方向导入所述载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
本发明实施例又提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述动力总成抗扭拉杆强度的计算方法的步骤。
本发明实施例又提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述动力总成抗扭拉杆强度的计算方法的步骤。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明充分考虑橡胶衬套的变形对抗扭拉杆本体强度的影响，能准确反映出抗扭拉杆受载时的应力分布情况，极大提高了计算精度，为抗扭拉杆的强度结构设计提供有力的保障。
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，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的一种动力总成抗扭拉杆强度的计算方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种动力总成抗扭拉杆强度的计算方法中三种橡胶试验样本的应用场景图；
图3为图2中三种橡胶试验样本的拉伸曲线对比图；
图4为本发明实施例提供的一种动力总成抗扭拉杆强度的计算装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种动力总成抗扭拉杆强度的计算方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、获取抗扭拉杆中大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数和所述抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷；
步骤S2、根据所述抗扭拉杆的支架、大橡胶衬套和小橡胶衬套的几何结构，以及所获取到的大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数，建立抗扭拉杆的有限元模型；
步骤S3、在所述抗扭拉杆的有限元模型中，导入所获取到的抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
具体过程为，在步骤S1中，首先获取抗扭拉杆中大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数，具体如下：
橡胶材料的本构模型是以应变不变量与主伸长比来表示应变能密度函数。对于各本构模型，应变不变量与主伸长比都有一定的关系。如图2和图3所示，本发明涉及的三种橡胶基础试验，包括单轴拉伸、等双轴拉伸以及平面拉伸，应变不变量与主伸长比关系，如下式(1)-(3)所示：
式(1)-(3)中：λU、λB、λP分别为单轴拉伸、等双轴拉伸以及平面拉伸的主伸长比；I1、I2为第1、2阶的应变不变量。
在本发明实施例中，橡胶材料采用Ogden本构模型来表征力学特性，并采用三阶的Ogden应变能密度函数表达式，如下式(4)所示：
式(4)中：U是Ogden应变能密度函数，Jel是弹性体积比，μi、αi和Di是Ogden本构模型的参数；λ1、λ2、λ3分别为第1、2、3阶应力应变状态下的主伸长比。
根据单轴拉伸、等双轴拉伸以及平面拉伸三种应变状态，分别把应变能函数对主伸长比求偏导，得到各应变状态的应力σth与主伸长比的关系，如下式(5)所示：
通过对橡胶材料进行单轴拉伸、等双轴拉伸以及平面拉伸来获取橡胶材料的应力应变试验数据，且进一步将所获取到的应力应变试验数据通过最小二乘法拟合得到Ogden本构模型参数μi、αi和Di。
其次，对于抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷的获取，具体如下：
第一步、在多体动力学仿真软件中，建立动力总成模型，用于建立动力总成子系统。该动力总成模型的建立需符合以下相关约束条件：
(1)在动力总成的质心处建立动力总成质量块，并输入质量、惯量信息；
(2)按照前悬架动力总成悬置系统的设计要求，利用预设参数创建衬套模型；其中，所述预设参数包括预载弹性中心坐标、刚度曲线以及阻尼曲线；
(3)在动力总成的质心处建立六分力，用于施加动力总成在各载荷工况时所受的载荷；
(4)建立动力总成质心处参考点以及相对质心x坐标+500mm的+x方向参考点、相对质心y坐标+500mm的+y方向参考点。
第二步、待动力总成模型建立完成后，创建动力总成子系统并与动力总成模型装配，得到前悬架动力总成悬置系统模型；
第三步、按照前悬架动力总成悬置系统在各强度工况下的受力特征，对前悬架动力总成悬置系统模型进行仿真，得到动力总成模型在整车各工况下需要输入的载荷，并进一步从所得到的动力总成模型在整车各工况下所需输入的载荷中，确定出抗扭拉杆在整车各工况下所承受的载荷。
应当说明的是，动力总成模型在整车各工况下需要输入的载荷由发动机最大扭矩与主减速比、一挡速比以及相应的乘数因子相乘而得。
在步骤S2中，首先，建立抗扭拉杆的支架有限元模型。把抗扭拉杆的支架的几何模型结构导进有限元前处理软件，先进行几何特征处理，把几何表面一些质量较差的边、角等特征进行清理；然后再对几何表面进行面网格的划分，网格采用三角形面单元，单元尺寸按照企业内的相关分析规范进行控制；再根据面网格生成四面体网格单元；并对该模型网格赋予相应的金属材料属性，包括弹性模量E、泊松比ν、密度ρ等。
其次，分别建立大橡胶衬套有限元模型和小橡胶衬套有限元模型。以大橡胶衬套有限元模型为例，具体为：在有限元前处理软件中，先对大橡胶衬套的几何结构进行处理，把不必要的特征线去除，把多余的结构进行简化或切除，并尽量把结构按照对称体进行分割；采用六面体网格对大橡胶衬套结构进行离散划分，单元类型为一阶缩减积分单元，并采用橡胶本构Ogden模型为大橡胶衬套模型赋予橡胶材料属性(注意Ogden模型要选用三阶形式，并对相应的μi，αi和Di参数进行赋值)；利用网格的偏移命令，把大橡胶衬套外管表面网格沿径向偏移生成体网格，并赋予套管的金属材料属性，模拟大衬套外套筒。以此类推，建立小橡胶衬套有限元模型。
最后，结合抗扭拉杆总成的几何结构，并利用抗扭拉杆的支架有限元模型、大橡胶衬套有限元模型和小橡胶衬套有限元模型，构建出抗扭拉杆的有限元模型。
应当说明的是，有限元模型的构建属于本领域常用技术手段，具体的刚度矩阵、边界等设定及详细步骤，在此不再赘述。
在步骤S3中，首先，利用有限元软件，在抗扭拉杆的有限元模型中，利用接触侵透功能(*CONTACT INTERFERENCE)在橡胶悬置外套筒与抗扭拉杆本体内壁之间的接触面设置合适的侵透量，使大橡胶衬套的外套管和小橡胶衬套的外套管均与抗扭拉杆的支架的内壁相互挤压，将抗扭拉杆的支架分别与大橡胶衬套和小橡胶衬套设置为过盈装配，即模拟出抗扭拉杆的支架分别与大橡胶衬套和小橡胶衬套过盈装配的关系；
其次，待抗扭拉杆金属支架分别与大橡胶衬套和小橡胶衬套过盈装配模拟完毕后，进一步在抗扭拉杆的有限元模型中，将大橡胶衬套的中心向抗扭拉杆的支架内壁延伸的方向设置为载荷的加载方向，即模拟出载荷加载方向为由大橡胶衬套的中心向抗扭拉杆金属支架内壁方向延伸，实现在装配好的抗扭拉杆的有限元模型中，约束其小橡胶衬套中心的所有自由度，在大橡胶衬套的内筒中心点处分别施加各工况载荷；
最后，在抗扭拉杆的有限元模型中，沿载荷的加载方向导入载荷，计算得到抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
应当说明的是，沿载荷的加载方向导入载荷大小的计算涉及到非线性弹性的大变形问题与接触等高度非线性问题，因此抗扭拉杆的有限元模型求解计算采用显式动力学算法，并且在各载荷分析步中打开几何非线性的设置。
其中，显式动力学算法对应着直接积分法中的中心差分法，如下式(6)所示：
MU&&+CU&+KU＝Rt (6)；
式(6)为结构系统的通用运动学方程，R，M，C，K为结构载荷，质量，阻尼，刚度矩阵。
假定在0，t1，t2，…，tn时刻的节点位移、速度与加速度都是已知量，求解tn(t+Δt)时刻的结构响应。此时，中心差分法对加速度，速度的导数都采用中心差分来代替，即得到式(7)：
将式(7)代入式(6)中，得到下式(8)：
式(8)中，
称为有效质量矩阵，
通过求解线性方程组(8)，即可获得t+Δt时刻的节点位移向量Ut+Δt，然后将Ut+Δt重新代入物理方程与几何方程中，可得t+Δt时刻的单元应力和应变。
特别注意的是，中心差分法在开始计算时，即t＝0时，要计算UΔt，则需要知道U-Δt的值。因此应该有一个起始值，因而该算法不是自动起步的。由于U0，
是已知的，由t＝0时的式(7)可知：
此外，由于中心差分法的实质是用差分代替微分，并且对位移和加速度的导数采用线性外插，这限制了Δt的取值不可过大，因此其时间步长Δt的选择受到数值算法稳定性与计算时间的约束。
如图4所示，为本发明实施例中，提供的一种动力总成抗扭拉杆强度的计算装置，包括橡胶参数及载荷获取单元110、总成模型构建单元120及强度计算单元130；其中，
所述橡胶参数及载荷获取单元110，用于获取抗扭拉杆中大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数和所述抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷；
所述总成模型构建单元120，用于根据所述抗扭拉杆的支架、大橡胶衬套和小橡胶衬套的几何结构，以及所获取到的大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数，建立抗扭拉杆的有限元模型；
所述强度计算单元130，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，导入所获取到的抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
其中，所述橡胶材料的本构模型参数是将橡胶材料进行单轴拉伸、等双轴拉伸以及平面拉伸所获取的应力应变数据通过最小二乘法拟合得到的。
其中，所述强度计算单元130包括：
第一模拟模块1301，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，将所述抗扭拉杆的支架分别与所述大橡胶衬套和所述小橡胶衬套设置为过盈装配；
第二模拟模块1302，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，将所述大橡胶衬套的中心向所述抗扭拉杆的支架内壁延伸的方向设置为所述载荷的加载方向；
结果输出模块1303，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，沿所述载荷的加载方向导入所述载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
本发明实施例又提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现前述动力总成抗扭拉杆强度的计算方法的步骤，在此不再一一赘述。
本发明实施例又提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现前述动力总成抗扭拉杆强度的计算方法的步骤，在此不再一一赘述。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明充分考虑橡胶衬套的变形对抗扭拉杆本体强度的影响，能准确反映出抗扭拉杆受载时的应力分布情况，极大提高了计算精度，为抗扭拉杆的强度结构设计提供有力的保障。
值得注意的是，上述装置实施例中，所包括的各个装置单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
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步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，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 (8)
1.一种动力总成抗扭拉杆强度的计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：获取抗扭拉杆中大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数和所述抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷；
S2：根据所述抗扭拉杆的支架、大橡胶衬套和小橡胶衬套的几何结构，以及所获取到的大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数，建立抗扭拉杆的有限元模型；
S3：在所述抗扭拉杆的有限元模型中，导入所获取到的抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
2.如权利要求1所述的动力总成抗扭拉杆强度的计算方法，其特征在于，所述获取抗扭拉杆中大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数的具体步骤包括：
对橡胶材料进行单轴拉伸、等双轴拉伸以及平面拉伸来获取橡胶材料的应力应变数据，将所获取到的应力应变数据通过最小二乘法拟合计算得到所述橡胶材料的本构模型参数。
3.如权利要求1所述的动力总成抗扭拉杆强度的计算方法，其特征在于，所述在所述抗扭拉杆的有限元模型中，导入获取到的抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果的具体步骤包括：
在所述抗扭拉杆的有限元模型中，将所述抗扭拉杆的支架分别与所述大橡胶衬套和所述小橡胶衬套设置为过盈装配；
在所述抗扭拉杆的有限元模型中，将所述大橡胶衬套的中心向所述抗扭拉杆的支架内壁延伸的方向设置为所述载荷的加载方向；
在所述抗扭拉杆的有限元模型中，沿所述载荷的加载方向导入所述载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
4.一种动力总成抗扭拉杆强度的计算装置，其特征在于，包括橡胶参数及载荷获取单元、总成模型构建单元及强度计算单元；其中，
所述橡胶参数及载荷获取单元，用于获取抗扭拉杆中大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数和所述抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷；
所述总成模型构建单元，用于根据所述抗扭拉杆的支架、大橡胶衬套和小橡胶衬套的几何结构，以及所获取到的大橡胶衬套和小橡胶衬套所使用的橡胶材料的本构模型参数，建立抗扭拉杆的有限元模型；
所述强度计算单元，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，导入所获取到的抗扭拉杆在整车工况下所承受的载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
5.如权利要求4所述的动力总成抗扭拉杆强度的计算装置，其特征在于，所述橡胶材料的本构模型参数是将橡胶材料进行单轴拉伸、等双轴拉伸以及平面拉伸所获取的应力应变数据通过最小二乘法拟合得到的。
6.如权利要求5所述的动力总成抗扭拉杆强度的计算装置，其特征在于，所述强度计算单元包括：
第一模拟模块，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，将所述抗扭拉杆的支架分别与所述大橡胶衬套和所述小橡胶衬套设置为过盈装配；
第二模拟模块，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，将所述大橡胶衬套的中心向所述抗扭拉杆的支架内壁延伸的方向设置为所述载荷的加载方向；
结果输出模块，用于在所述抗扭拉杆的有限元模型中，沿所述载荷的加载方向导入所述载荷，计算得到所述抗扭拉杆在整车工况下的应力应变结果。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3中任一项所述的动力总成抗扭拉杆强度的计算方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一项所述的动力总成抗扭拉杆强度的计算方法的步骤。
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