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河北華利機械配件有限公司

汽車輔助拉手結構設計研究

2013/7/4 15:29:36

                                                     汽車輔助拉手結構設計研究

                      馮博,周 

          (株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007

  摘要:对汽車輔助拉手改型设计方法的可行性进行研究。针对成型工艺产生缺陷的原因,在强度大的位置增加孔的尺寸,建立辅助拉手的有限元模型,分工况讨论各种载荷对辅助拉手的影响,对比了改型前后辅助拉手的强度变化。研究表明该改型设计方法在不影响産品强度的前提下,有效减小了因工艺产生的缺陷,同时也减少了材料的使用。

    關鍵詞:輔助拉手;氣輔成型;有限元分析;結構設計

    中圖分類號:U463. 82    文獻標識碼:A    文章編號:1005-5770  QOIl) 10-0056-03     Structure Analysis Study on Automobile GAM Handle     FENG Bo, ZHOU Bin    Zhuzhou New Times Material Technology Co.,  Ltd., Zhuzhou 412007,  China)

    Abstract:  Feasibility of automobile handle retrofit program was researched.  Dimensions of holes on the intensity position were mcreased because of process defects.  The FEA model of handle was created.  Various load cases influence on handle were studied.  The handles before and after modification was compared. Re- search showed that the retrofit design method can effectively reduce defects by the process, costs, and hadlittle influence on the impact strength.    Keywords: Handle; GAM; FEA; Structure Design

    汽車頂棚輔助拉手爲汽車常見的內飾物品之一,多安裝于車內副駕駛位和後排座位的車窗上部,一般通過螺釘固定在車體上,兩端扣蓋板保證美觀,而某些豪華轎車內的輔助拉手通過拉簧固定在車體上。輔助拉手除了保障乘車人安全外,還可以增設挂鈎或照明燈等小結構,實現功能多樣化。

    輔助拉手是塑料制品,常用材料爲聚乙烯或聚丙烯,成型方式有低壓成型、擠出成型、注塑成型等,論文研究的輔助拉手使用氣輔注塑成型。氣輔注塑工藝是二十世紀九十年代才得到實際應用的一項實用型注塑新工藝,其工藝流程是對先注射了一定量或全部注射滿塑料熔體的模具型腔再次注入經壓縮後的惰性氣體,利用氣體推動熔體完成充模,填補因塑料收縮後留下的空隙,當制件冷卻後再將氣體從氣道中排出[1-2]

    由于这种成袌D际醯哪承┨匦允沟酶ㄖ殖善反嬖谝恍┤毕荩跋飚b品美观和可靠性,而通过改变産品结构来避免这些缺陷的同时,也在一定程度上影响其可靠性。

    论文以某种小批量生产的辅助拉手为研究对象,针对其因成袌D际醪娜毕萁薪峁垢慕⒍哉庵指慕椒ǖ目尚行越醒芯浚荚诮档统杀镜耐北Vぎb品质量。

結構改型方案

    論文研究的輔助拉手使用氣輔成型法進行小批量生産後,發現制件存在表面缺陷,在進氣孔一端的側面上有熔料凝固收縮的淺坑(圖1A区位置)。这是由于进气口侧壁过厚,导致熔体凝固速度差异大,出现浅坑,这种缺陷严重影响産品美观,甚至影响産品的性能质量,需要进行改型设计。

    初步改型方案是,將螺釘孔周圍的BC方孔擴大,從而減小制件兩端壁厚,減小凝固收縮量。圖1顯示了改型前後輔助拉手的結構特征。

    擴大方孔後,側壁由于厚度減小而降低了強度,爲了考察方孔尺寸的改變對輔助拉手強度的影響,文章采用有限元法進行分析,爲CAD工程師的設計方案提出合理建議。

2有限元強度計算

    輔助拉手兩端通過螺釘固定在車體上,人手握拉手中部,因此輔助拉手的力學模型可以簡化爲兩端固支,中部承受外載的杆件。

    根據上述分析的力學模型,在Hypermesh9.0中建立網格模型,導入abaqus6. 10中完善前處理並求解計算。

2.1  網格模型

    輔助拉手的端部是被約束的位置,考慮聖維南原理,不能將邊界條件直接加在拉手本體上,因此在建立有限元模型時需創建螺釘結構。

    由于輔助拉手細小而不規則的結構較多,用六面體單元劃分網格有一定難度,因此用二次四面體單元劃分網格。這種單元精度較高,能模擬任意的幾何形狀,在計算條件允許的情況下建模是比較方便的。改型前單元數目爲45 867,改型後單元數目爲44 431

    Hypermesh中給螺釘和輔助拉手附材料屬性後導入abaqus

2.2有限元模型

    螺釘將輔助拉手固定在車體上後,螺帽和拉手表面壓緊不會發生相對滑動,不涉及接觸問題,故將螺釘和輔助拉手作爲一個整體進行分析。根據模型的受力分析,約束螺帽平面節點的六個自由度,即將螺釘全約束。

    輔助拉手中部受到的載荷來自手握的壓力分布在一定的承力面上。在拉手上選擇10 cm長的區域建立coupling施加載荷。

    令輔助拉手安裝在XZ平面內,有限元模型如圖2所示。

輔助拉手本體材料爲聚丙烯,彈性模量爲2 000MPa,泊松比爲0.35。螺釘爲45鋼,彈性模量爲210 GPa,泊松比爲0.3

2.3  計算工況及結果

    輔助拉手的強度校核分三類工況進行討論嘲:

    Horizontal-載荷沿y,軸負向。這個工況假定乘客給輔助拉手的拉力沿車體水平方向。

    Vertical-載荷沿Z軸負向。這個工況假定乘客給輔助拉手的拉力沿車體鉛垂方向。

    Degree -載荷與Z軸成30。角向下。設置這個工況是由于人體不可能長時間沿水平或鉛垂方向握著輔助拉手,一定會與鉛垂方向成一定的角度來緩解疲勞。

    將改型前後的輔助拉手模型提交計算,先研究各類工況對拉手結構的影響趨勢,再討論改型後拉手強度變化情況。

2.4結果分析

    3所示为改型前的结构在三种工况载荷下的主应力分布云圖。

    主应力分布云圖所显示的辅助拉手最大主应力都是分布在螺孔附近,这个分析结果并不代表螺孔处的强度最薄弱,而是由于螺帽外廓和联接件平面之间存在900尖角,因此产生了不准确的应力集中。如果要得到这个位置的准确的主应力值,需要建立子模型进行细节分析,但是从分布云圖上看,螺孔处应力集中的影响还没有波及到关键部位——辅助拉手侧壁,因此文章将螺孔处不准确的应力情况忽略不计(下文改型后的辅助拉手主应力分布云圖做同样分析处理)。

    从主应力分布云圖上可以看出,水平方向的拉力主要影响辅助拉手宽面部分,如果水平拉力过大,会导致拉手中部或靠近端部的位置被拉断。铅垂方向的拉力主要影响辅助拉手窄面部分,如果铅垂拉力过大,拉手中部容易被拉断。另外从主应力数值上分析,铅垂方向的拉力对辅助拉手的影响相对于水平拉力要大很多,这是由于铅垂力作用在拉手上的压强更大所致。从工况degree的主应力分布云圖可以看出,当載荷與铅垂方向成一定角度时,同样的拉力包含了前两种工况的综合影响,辅助拉手的薄弱位置仍然在中部。

    通過以上分析可以確定外載荷對輔助拉手BC孔處側壁的影響相對于中部較小。基于這個分析結果,輔助拉手的改型方案擴大端部BC孔是合理的。

    对改型后的辅助拉手建模提交分析,提取主应力值后得到的分布云圖如圖4所示。

    从主应力云圖上可以看出,辅助拉手在工况Horizontal下的應力分布趨勢與改型前的相吻合,最大主應力值分布在拉手中部;而其余兩個工況計算受輔助拉手側壁厚度變化的影響較大,主應力最大值集中分布在輔助拉手端部。改型前後應力分布趨勢的變化也表明:在進行改型設計時,爲了減重而去除端部的材料這種做法需要慎重考慮,必要時應做CAE分析。

    輔助拉手進行改型設計後,爲了定量考察改型後的輔助拉手是否仍然滿足強度要求,現將改型前後的輔助拉手關鍵部位的強度進行對比分析(例表1所示)。

    通過對比發現改型後輔助拉手側壁強度稍變薄弱,但還沒有超過材料的抗拉強度96 MPa,滿足強度要求。

    改型后的辅助拉手投入试制,由于侧壁变薄,熔体凝固速度差异较小,使得出现凹坑等缺陷的区域明显减小,能够保证産品美观,提升産品质量的可靠性。

    改型后试制样品并测量质量,由于增大孔的尺寸,每单件産品质量比改型前减少3. 92%,批量生産後能夠在一定程度上降低成本。

結論

    1)在輔助拉手結構設計過程中,CAE分析结果为设计方案的可靠性提供了保障,缩短了産品开发周期,提高了工作效率。

    2)改型後的輔助拉手將BC孔擴大,拉手側壁強度稍變薄弱,但是沒有超過抗拉強度,滿足強度要求,改型設計合理。

    3)改型後的輔助拉手能有效減小缺陷,並且單件質量減少3. 92%,降低了生産成本。

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