Abaqus在手套箱有限元分析中的应用

摘要： 为提高汽车外观品质和耐久性，考察手套箱的使用性能.基于Abaqus/CAE和Abaqus/Standard的建模与求解功能，以手套箱在实际使用中的受力为输入，以材料特性等对结果进行评价，保证手套箱刚度性能能够满足性能要求.

关键词： 手套箱； Abaqus； 非线性

中图分类号： U463.83；TB115.1文献标志码： B

引言

仪表板是汽车内饰的重要组成部分，安装有各个功能的分总成，可以使驾驶员掌握汽车系统的工作情况并控制各项功能.手套箱作为仪表板中使用频率较高的运动件之一，主要用于收纳各种杂物，且手套箱外形需与仪表板风格保持一致，对汽车内饰的整体感观评价也至关重要.[1]仪表板材料多为塑料材质，在设计过程中需考虑模态、表面刚度、热变形和成员保护等性能.一般情况下，总成性能的考察需在样件试制后进行试验验证，发现问题再进行整改设计，耗费的人力、时间成本十分可观.[2]

引入有限元法，可在设计前期对总成结构的各项性能进行仿真验证，发现问题并优化设计，降低费用，提高产品质量.仿真分析需建立准确的模型并选用合适的计算方法.Abaqus被广泛认为是功能最强的有限元软件之一，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能驾驭非常复杂的问题和模拟非线性的影响.本文以仪表板手套箱分析为例，展示Abaqus在实际应用中的卓越效果.

1有限元分析

Abaqus包含1个全面支持求解器的前、后处理模块Abaqus/CAE，以及2个主求解器模块Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit.

Abaqus/CAE是Abaqus的交互式图形环境，可以方便、快捷地构造模型，为部件定义材料特性、载荷和边界条件等模型参数，且具有强大的网格划分功能，可以检验所构造的分析模型，提交、监视和控制分析作业.本文借助该模块的功能，建立手套箱模型.

Abaqus/Standard是个通用分析模块，它能够求解广泛领域的线性与非线性问题，包括静态分析、动态分析以及复杂的非线性耦合物理场分析等，在每个求解增量步中包含隐式的求解方程组.本文选用Abaqus/Standard作为求解器，并使用Abaqus/Viewer实现对结果的读取和查看.

1.1工况定义

手套箱在频繁的开闭使用中，偶尔有收纳较重物品的情况出现，若手套箱收纳重物时本体变形量过大，会出现手套箱关闭不严的风险，因此手套箱需要具备一定的刚度 ；开启状态下的手套箱正面或侧面易受外力冲击，存在结构破坏的风险，也需验证手套箱在开启后抵抗破坏的能力.

分析考虑手套箱在打开时可能受到的侧向冲击以及正向静压下的变形和受力，并考察在载荷撤消后，手套箱本体是否存在残余变形.

边界条件为依据仪表板在车身上的实际安装状态进行约束，手套箱呈打开状态.

载荷工况1（1）手套箱打开，在其正向（侧向）采用刚性盘施加压力载荷；（2）卸载压力载荷.

载荷工况2（1）手套箱打开，在其侧向采用刚性盘施加过载压力；（2）卸载过载压力.

图 1工况加载示意

1.2分析模型的建立

将仪表板几何数模导入到Abaqus中，使用Abaqus/CAE功能模块建立仪表板带手套箱的有限元模型，塑料件采用壳单元网格划分，各部件之间摩擦振动焊接采用节点耦合模拟，螺栓与卡扣的连接采用MPC单元模拟，载荷加载用的圆盘采用刚体单元模拟.手套箱有限元模型见图1.

图 2手套箱有限元模型

1.3材料参数与接触

由于考察手套箱的残余变形，因此需要考虑材料的非线性，将模型中材料的名义应力应变曲线转化为真实的塑性应力应变曲线，附在材料定义中.由于施加载荷时采用刚体盘施加，还需考虑刚体盘与手套箱外壁间的接触.[3]

2计算结果

手套箱分析结果汇总见表1，正向压力变形量见图3，侧向压力变形量见图4，过载压力应力云图见图5.可知，手套箱在正向与侧向压力下的变形量比较小，且不存在残余变形；手套箱在过载压力下的应力小于材料屈服强度，满足结构性能要求.

3结论

（1）基于Abaqus/CAE，Abaqus/Standard与Abaqus/Viewer模块的功能，可实现对仪表板手套箱的刚度分析.

（2）手套箱整体变形量较小，不存在残余变形；在过载压力下的应力小于材料屈服强度，满足产品性能要求.

（3）在产品设计阶段引入Abaqus进行仿真分析，可有效保证产品性能，缩短研发周期，减少开发成本，提高产品的市场竞争力.参考文献：

[1]李文丽， 庄玉娣， 王岩， 等. 标杆车手套箱的分析流程和方法[J]. 轻型汽车技术， 2010（56）： 1821.

[2]朱瑶洁， 王建. 乘用车手套箱设计要点剖析[J]. 轻型汽车技术， 2009（9）： 2427.

[3]石亦平. Abaqus有限元分析实例详解[M]. 机械工业出版社， 2006.