汽車電子油門的有限元分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u12834汽車電子油門的有限元分析案例概述 1174891.1汽車電子油門踏板連桿有限元仿真 159031.2原模型分析 363121.2.1X型加強(qiáng)肋連桿的靜應(yīng)力分析 395561.2.2X型加強(qiáng)肋連桿的形變分析 436101.3汽車電子油門踏板連桿模型優(yōu)化方案 476381.3.1汽車電子油門踏板加強(qiáng)肋的優(yōu)化 4279401.3.2汽車電子油門踏板加強(qiáng)筋的優(yōu)化 81.1汽車電子油門踏板連桿有限元仿真利用有限元軟件SolidWorks對踏板連桿進(jìn)行靜應(yīng)力分析。建立如圖6所示為X型加強(qiáng)肋連桿模型，其中1面為踏板的旋轉(zhuǎn)軸面，B為限位銷，當(dāng)踏板轉(zhuǎn)動(dòng)到機(jī)械止點(diǎn)處時(shí)，限位凸臺(tái)到達(dá)止點(diǎn)位置。A面為施加力的踏板面，是人體腳部直接作用踩踏力的地方。1與彈簧接觸，當(dāng)彈簧處于壓縮或者拉伸狀態(tài)時(shí)，彈簧力通過B面作作用到踏板較短的一端。圖4-1：受力點(diǎn)的選擇根據(jù)軟件使用界面，在SOLIDWORKS插件中選擇Simulation，然后點(diǎn)擊新算例，選擇靜應(yīng)力分析。新建一個(gè)分析算例，進(jìn)入靜應(yīng)力有限元分析界面。接著對連桿各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。（1）材料的選擇在有限元分析中，要給模型要定義自身的材料屬性。首先定義踏板連桿的彈性模量和泊松比；新型電子油門踏板廣泛使用有機(jī)塑料，可以滿足許用要求的前提下降低成本，并符合輕量化的理念。根據(jù)上文所述，本文所分析的踏板連桿采用美國杜邦公司生產(chǎn)的玻纖增強(qiáng)尼龍高分子材料（PA66+GF30），該材料彈性模量為10500MPa、泊松比為0.3。（2）連接該步是在分析裝配體時(shí)定義組件相互間的作用關(guān)系，如：鉸連接和剛性連接等等。本文只對電子油門踏板連桿分析，它是個(gè)零件因此不需要在定義組件間的里的作用關(guān)系。若分析模型是一個(gè)裝配體，那么則需要對零件間的相互作用進(jìn)行添加，如鉸接、滑動(dòng)和摩擦等。（3）夾具為算例分配合適的夾具，選擇夾具——固定幾何體。電子油門踏板在工作中包括連桿轉(zhuǎn)動(dòng)孔處的旋轉(zhuǎn)約束和限位凸臺(tái)處受到底面對自身的反作用力的位移約束。（4）外部載荷為零件施加載荷，選擇外部載荷。當(dāng)懸掛式油門踏板面受到踩踏力，踏板臂繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)至使限位銷抵住車身時(shí)，踏板臂開始產(chǎn)生形變。若此時(shí)司機(jī)繼續(xù)踩踏踏板，踏板臂產(chǎn)生形變過大就有導(dǎo)致踏板斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。從而需要優(yōu)化踏板臂結(jié)構(gòu)，使踏板臂可以承受更大的力而不至于斷裂。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，踏板工作時(shí)，連桿由靜止到運(yùn)動(dòng)需要的起始力需要幾十牛頓。隨后，A保持靜止，當(dāng)踏板處于最大極限位置狀態(tài)時(shí)，對模型施加約束如圖7所示，使得B面獲得1200N的平均載荷；對1兩面，進(jìn)行固定，換而言之，處于極限位置的時(shí)候，踏板的1限位面就會(huì)使得踏板無法轉(zhuǎn)動(dòng)。到這里，約束施加就結(jié)束了。圖4-2：增加約束（5）網(wǎng)格網(wǎng)格劃分，就是展開有限元分析的關(guān)鍵一環(huán)。網(wǎng)絡(luò)劃分是否合理，都會(huì)使得分析結(jié)果的正確與否受到影響，有限元分析是在數(shù)學(xué)模型的離散化過程基礎(chǔ)上完成的，網(wǎng)絡(luò)劃分屬于模型合理離散化。網(wǎng)格的劃分方式是通過在可接受的分辨率時(shí)間范圍內(nèi)盡可能減小網(wǎng)格大小來提高計(jì)算精度。因?yàn)橐粋€(gè)小網(wǎng)格劃分的結(jié)果需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)必須耗費(fèi)很多時(shí)間，完成計(jì)算。毋庸置疑，該過程可經(jīng)由計(jì)算機(jī)自主實(shí)現(xiàn)，即：自適應(yīng)分析。該過程屬于網(wǎng)格分割其逐步細(xì)化的過程，同時(shí)也是計(jì)算的恒定精度。使用體單元對踏板模型作了實(shí)體網(wǎng)格化分。但是，劃分得越細(xì)，對計(jì)算機(jī)的要求越高。實(shí)際過程中我們了使用2mm的網(wǎng)格來劃分，共得到101445個(gè)單元，176139個(gè)節(jié)點(diǎn)。Solidworks中的Simulation提供了三種不同類型的網(wǎng)格器?；跇?biāo)準(zhǔn)和基于曲率的網(wǎng)格劃分器已經(jīng)存在很長時(shí)間了。在Simulation2016中引入了基于混合曲率的網(wǎng)格劃分器的改進(jìn)算法，可以彌補(bǔ)其他兩個(gè)網(wǎng)格劃分不足的地方。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格器[Standard]在整個(gè)模型（包括圓角）中具有相當(dāng)均勻的元素大小。基于曲率的網(wǎng)格劃分器[曲率]能夠自動(dòng)定位較小的特征和高度彎曲的位置，因?yàn)槲覀兛梢栽趫A角中看到精致的元素。但是，由于采用了更多自由形式的算法，我們發(fā)現(xiàn)平面上的元素不一致。只要已充分細(xì)化了網(wǎng)格大小，結(jié)果仍將是準(zhǔn)確的?；诨旌锨实木W(wǎng)格劃分器[Blended]仍然能夠自動(dòng)優(yōu)化圓角中的網(wǎng)格，但在其他位置提供了更高質(zhì)量的一致網(wǎng)格。圖4-3：生成網(wǎng)格（6）運(yùn)行算例完成上述操作后，計(jì)算機(jī)將運(yùn)行此算例，我們開始對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。1.2原模型分析1.2.1X型加強(qiáng)肋連桿的靜應(yīng)力分析如下圖4-4和圖4-5所示，右側(cè)彩虹譜代表了不同范圍應(yīng)力的大小，可以知道連桿的應(yīng)力值范圍。通過觀察應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的最大位置在于限位銷，應(yīng)力大小由顏色直觀展現(xiàn)：應(yīng)力最大處為紅色，最小處為藍(lán)色。通過比對材料許用值來判斷材料是否符合要求，當(dāng)前結(jié)構(gòu)在受到1200N的力后，產(chǎn)生的應(yīng)力過大，并不足以承受這么大的力。因此要對這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖4-4：X型連桿應(yīng)力云圖（整體）圖4-5：X型連桿應(yīng)力云圖（局部）1.2.2X型加強(qiáng)肋連桿的形變分析受到汽車腳部空間的限制，踏板臂的位移不能過大。下圖對比了連桿受力后的角度變化。圖4-6：X型連桿變形前后1.3汽車電子油門踏板連桿模型優(yōu)化方案1.3.1汽車電子油門踏板加強(qiáng)肋的優(yōu)化電子油門踏板統(tǒng)一采用壁在左側(cè)的結(jié)構(gòu)形式，加強(qiáng)肋的優(yōu)化主要在連桿中間位置。所以這里主要是改變了加強(qiáng)肋的結(jié)構(gòu)，而沒有用對踏板臂的外形尺寸進(jìn)行調(diào)整的方式優(yōu)化踏板臂。我將連桿模型的開口位置放在左側(cè)的目的是考慮到了模型的美觀。因此在原有X型加強(qiáng)肋連桿的基礎(chǔ)上首先設(shè)想了改變加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)的方式優(yōu)化踏板連桿，所以分別設(shè)計(jì)了V型和平行結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)類連桿，對原有的X型也進(jìn)行了調(diào)整，如下圖所示。圖4-7：X型加強(qiáng)肋連桿圖4-8：V型加強(qiáng)肋連桿圖4-9：平行加強(qiáng)肋連桿如下圖所示來對比一下三種類型加強(qiáng)肋的踏板連桿應(yīng)力。平行加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)的踏板連桿在連桿與機(jī)械止點(diǎn)過渡位置擁有最高應(yīng)力為387MPa；而X型加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)踏板連桿的最高應(yīng)力為178MPa；V型加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)連桿最高應(yīng)力則為250.6MPa。從應(yīng)力角度來看，三種類型結(jié)構(gòu)的踏板連桿均不符合許用應(yīng)力要求，即σ＞[σ]=160MPa。X型、V型連桿和平行連桿靜強(qiáng)度應(yīng)力、位移、應(yīng)變比較圖如下圖所示。圖4-10：X型加強(qiáng)肋連桿對比圖圖4-11：V型加強(qiáng)肋連桿對比圖圖4-12：平行加強(qiáng)肋連桿對比圖三幅圖對比來看，盡管X型加強(qiáng)肋踏板連桿應(yīng)力為120.8MPa，且最高應(yīng)力范圍很小。而V型、平行加強(qiáng)肋連桿最高應(yīng)力為250.6MPa和387.9MPa，最高應(yīng)力范圍也相對較大。這是由于X型加強(qiáng)肋踏板連桿穩(wěn)定性較好，而平行和V型由于設(shè)置密度太稀疏，應(yīng)力就較為集中。從圖中的連桿中段也可以看出，V型加強(qiáng)肋連桿和平行加強(qiáng)肋連桿會(huì)抵消一部分踏板力，因此綠色變形范圍相對X型要較多。觀察連桿的變形情況。觀察云圖發(fā)現(xiàn)，在橫向范圍上，X型加強(qiáng)肋踏板連桿變形量從右向左有遞增的趨勢，即越靠近踏板踩踏位置處，變形量越大。云圖中連桿變形區(qū)亦有近一半?yún)^(qū)域?yàn)樗{(lán)色，屬于形變情況低的狀態(tài)。說明結(jié)構(gòu)上其實(shí)還有優(yōu)化的空間。X型連桿最大變形為2.865mm，平型連桿最大位移為1.217mm，V型連桿最大位移為7.131mm，X型連桿和平型連桿的最大變形量均滿足許用變形要求，即U<[U]=5mm。綜合來說，平行加強(qiáng)肋和V型加強(qiáng)肋的結(jié)構(gòu)不如X型加強(qiáng)肋踏板連桿的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但上述三種優(yōu)化方案都不能滿足公司設(shè)計(jì)要求。所以設(shè)想將開口位置，轉(zhuǎn)移至下端，保證了左右兩端平面的完整度提高了連桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外也符合輕量化的要求。如下圖所示，改良后的結(jié)構(gòu)達(dá)到了遠(yuǎn)小于應(yīng)力要求。圖4-13：底面加強(qiáng)肋連桿應(yīng)力云圖對與踏板來說受到的力不是隨時(shí)保持在一個(gè)垂直的角度，因?yàn)橛烷T踏板安裝位置是在駕駛?cè)藛T腳部空間的右側(cè)。所以本文對這個(gè)結(jié)構(gòu)還添加了一個(gè)從左至右的45°，力為500N的有限元分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力為59.54MPa符合結(jié)構(gòu)要求。圖4-14：受斜向力后的應(yīng)力云圖1.3.2汽車電子油門踏板加強(qiáng)筋的優(yōu)化此外，考慮到踏板面與連桿直接連接的方式，在過分的踩踏力下，會(huì)形成巨大的應(yīng)力，但在這里缺乏圓弧過度，就會(huì)形成十分高的應(yīng)力集中。而應(yīng)力集中現(xiàn)象一般會(huì)造成組件出現(xiàn)斷裂、報(bào)廢。因此考慮額外加8個(gè)加強(qiáng)筋來防止踏板面的斷裂，并對進(jìn)行了仿真比較。圖4-15：加強(qiáng)筋展示如下圖所示，優(yōu)化前的踏板臂與踏板面的應(yīng)力較為集中而優(yōu)化后的折線密度明顯變小。說明加裝加強(qiáng)筋較好的解決了踏板面與連桿交界處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖4-16：優(yōu)化前圖4-17：優(yōu)化后本文根據(jù)企業(yè)要求在原有某款兩驅(qū)版普通懸掛式電子油門踏板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足法規(guī)相