【《汽车电子油门的有限元分析案例概述》3300字】

汽车电子油门的有限元分析案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u12834汽车电子油门的有限元分析案例概述 1174891.1汽车电子油门踏板连杆有限元仿真 159031.2原模型分析 363121.2.1X型加强肋连杆的静应力分析 395561.2.2X型加强肋连杆的形变分析 436101.3汽车电子油门踏板连杆模型优化方案 476381.3.1汽车电子油门踏板加强肋的优化 4279401.3.2汽车电子油门踏板加强筋的优化 81.1汽车电子油门踏板连杆有限元仿真利用有限元软件SolidWorks对踏板连杆进行静应力分析。建立如图6所示为X型加强肋连杆模型，其中1面为踏板的旋转轴面，B为限位销，当踏板转动到机械止点处时，限位凸台到达止点位置。A面为施加力的踏板面，是人体脚部直接作用踩踏力的地方。1与弹簧接触，当弹簧处于压缩或者拉伸状态时，弹簧力通过B面作作用到踏板较短的一端。图4-1：受力点的选择根据软件使用界面，在SOLIDWORKS插件中选择Simulation，然后点击新算例，选择静应力分析。新建一个分析算例，进入静应力有限元分析界面。接着对连杆各参数进行设置。（1）材料的选择在有限元分析中，要给模型要定义自身的材料属性。首先定义踏板连杆的弹性模量和泊松比；新型电子油门踏板广泛使用有机塑料，可以满足许用要求的前提下降低成本，并符合轻量化的理念。根据上文所述，本文所分析的踏板连杆采用美国杜邦公司生产的玻纤增强尼龙高分子材料（PA66+GF30），该材料弹性模量为10500MPa、泊松比为0.3。（2）连接该步是在分析装配体时定义组件相互间的作用关系，如：铰连接和刚性连接等等。本文只对电子油门踏板连杆分析，它是个零件因此不需要在定义组件间的里的作用关系。若分析模型是一个装配体，那么则需要对零件间的相互作用进行添加，如铰接、滑动和摩擦等。（3）夹具为算例分配合适的夹具，选择夹具——固定几何体。电子油门踏板在工作中包括连杆转动孔处的旋转约束和限位凸台处受到底面对自身的反作用力的位移约束。（4）外部载荷为零件施加载荷，选择外部载荷。当悬挂式油门踏板面受到踩踏力，踏板臂绕转动轴转动至使限位销抵住车身时，踏板臂开始产生形变。若此时司机继续踩踏踏板，踏板臂产生形变过大就有导致踏板断裂的风险。从而需要优化踏板臂结构，使踏板臂可以承受更大的力而不至于断裂。相关数据表明，踏板工作时，连杆由静止到运动需要的起始力需要几十牛顿。随后，A保持静止，当踏板处于最大极限位置状态时，对模型施加约束如图7所示，使得B面获得1200N的平均载荷；对1两面，进行固定，换而言之，处于极限位置的时候，踏板的1限位面就会使得踏板无法转动。到这里，约束施加就结束了。图4-2：增加约束（5）网格网格划分，就是展开有限元分析的关键一环。网络划分是否合理，都会使得分析结果的正确与否受到影响，有限元分析是在数学模型的离散化过程基础上完成的，网络划分属于模型合理离散化。网格的划分方式是通过在可接受的分辨率时间范围内尽可能减小网格大小来提高计算精度。因为一个小网格划分的结果需要一台计算机必须耗费很多时间，完成计算。毋庸置疑，该过程可经由计算机自主实现，即：自适应分析。该过程属于网格分割其逐步细化的过程，同时也是计算的恒定精度。使用体单元对踏板模型作了实体网格化分。但是，划分得越细，对计算机的要求越高。实际过程中我们了使用2mm的网格来划分，共得到101445个单元，176139个节点。Solidworks中的Simulation提供了三种不同类型的网格器。基于标准和基于曲率的网格划分器已经存在很长时间了。在Simulation2016中引入了基于混合曲率的网格划分器的改进算法，可以弥补其他两个网格划分不足的地方。标准网格器[Standard]在整个模型（包括圆角）中具有相当均匀的元素大小。基于曲率的网格划分器[曲率]能够自动定位较小的特征和高度弯曲的位置，因为我们可以在圆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，我们发现平面上的元素不一致。只要已充分细化了网格大小，结果仍将是准确的。基于混合曲率的网格划分器[Blended]仍然能够自动优化圆角中的网格，但在其他位置提供了更高质量的一致网格。图4-3：生成网格（6）运行算例完成上述操作后，计算机将运行此算例，我们开始对仿真结果进行分析。1.2原模型分析1.2.1X型加强肋连杆的静应力分析如下图4-4和图4-5所示，右侧彩虹谱代表了不同范围应力的大小，可以知道连杆的应力值范围。通过观察应力云图可以发现，应力的最大位置在于限位销，应力大小由颜色直观展现：应力最大处为红色，最小处为蓝色。通过比对材料许用值来判断材料是否符合要求，当前结构在受到1200N的力后，产生的应力过大，并不足以承受这么大的力。因此要对这个结构进行优化设计。图4-4：X型连杆应力云图（整体）图4-5：X型连杆应力云图（局部）1.2.2X型加强肋连杆的形变分析受到汽车脚部空间的限制，踏板臂的位移不能过大。下图对比了连杆受力后的角度变化。图4-6：X型连杆变形前后1.3汽车电子油门踏板连杆模型优化方案1.3.1汽车电子油门踏板加强肋的优化电子油门踏板统一采用壁在左侧的结构形式，加强肋的优化主要在连杆中间位置。所以这里主要是改变了加强肋的结构，而没有用对踏板臂的外形尺寸进行调整的方式优化踏板臂。我将连杆模型的开口位置放在左侧的目的是考虑到了模型的美观。因此在原有X型加强肋连杆的基础上首先设想了改变加强肋结构的方式优化踏板连杆，所以分别设计了V型和平行结构的加强类连杆，对原有的X型也进行了调整，如下图所示。图4-7：X型加强肋连杆图4-8：V型加强肋连杆图4-9：平行加强肋连杆如下图所示来对比一下三种类型加强肋的踏板连杆应力。平行加强肋结构的踏板连杆在连杆与机械止点过渡位置拥有最高应力为387MPa；而X型加强肋结构踏板连杆的最高应力为178MPa；V型加强肋结构连杆最高应力则为250.6MPa。从应力角度来看，三种类型结构的踏板连杆均不符合许用应力要求，即σ＞[σ]=160MPa。X型、V型连杆和平行连杆静强度应力、位移、应变比较图如下图所示。图4-10：X型加强肋连杆对比图图4-11：V型加强肋连杆对比图图4-12：平行加强肋连杆对比图三幅图对比来看，尽管X型加强肋踏板连杆应力为120.8MPa，且最高应力范围很小。而V型、平行加强肋连杆最高应力为250.6MPa和387.9MPa，最高应力范围也相对较大。这是由于X型加强肋踏板连杆稳定性较好，而平行和V型由于设置密度太稀疏，应力就较为集中。从图中的连杆中段也可以看出，V型加强肋连杆和平行加强肋连杆会抵消一部分踏板力，因此绿色变形范围相对X型要较多。观察连杆的变形情况。观察云图发现，在横向范围上，X型加强肋踏板连杆变形量从右向左有递增的趋势，即越靠近踏板踩踏位置处，变形量越大。云图中连杆变形区亦有近一半区域为蓝色，属于形变情况低的状态。说明结构上其实还有优化的空间。X型连杆最大变形为2.865mm，平型连杆最大位移为1.217mm，V型连杆最大位移为7.131mm，X型连杆和平型连杆的最大变形量均满足许用变形要求，即U<[U]=5mm。综合来说，平行加强肋和V型加强肋的结构不如X型加强肋踏板连杆的结构稳定，但上述三种优化方案都不能满足公司设计要求。所以设想将开口位置，转移至下端，保证了左右两端平面的完整度提高了连杆的结构强度外也符合轻量化的要求。如下图所示，改良后的结构达到了远小于应力要求。图4-13：底面加强肋连杆应力云图对与踏板来说受到的力不是随时保持在一个垂直的角度，因为油门踏板安装位置是在驾驶人员脚部空间的右侧。所以本文对这个结构还添加了一个从左至右的45°，力为500N的有限元分析，发现最大应力为59.54MPa符合结构要求。图4-14：受斜向力后的应力云图1.3.2汽车电子油门踏板加强筋的优化此外，考虑到踏板面与连杆直接连接的方式，在过分的踩踏力下，会形成巨大的应力，但在这里缺乏圆弧过度，就会形成十分高的应力集中。而应力集中现象一般会造成组件出现断裂、报废。因此考虑额外加8个加强筋来防止踏板面的断裂，并对进行了仿真比较。图4-15：加强筋展示如下图所示，优化前的踏板臂与踏板面的应力较为集中而优化后的折线密度明显变小。说明加装加强筋较好的解决了踏板面与连杆交界处的应力集中现象。图4-16：优化前图4-17：优化后本文根据企业要求在原有某款两驱版普通悬挂式电子油门踏板进行优化设计，在满足法规相