某轿车挡风网摇臂刚度分析

某轿车挡风网摇臂刚度分析
秦瑞娟1,2
（1.东华大学材料学院，上海市 200000；2.恩坦华汽车部件有限公司，上海市 200000) 摘要：简化了某轿车挡风网的有限元模型，在挡风网关闭的情况下，结合运用
Hypermesh及MSC.NASTRAN有限元分析软件进行了某轿车挡风网摇臂的刚度分析。

有限元分析结果显示
了挡风网摇臂的变形情况及及变性量。

针对分析结果提出了两种结构改进方案。

关键词：挡风网摇臂；有限元分析；MSC.NASTRAN；变形
Abstract：The FEA model of a car wind deflector is simplified. When the wind deflector is closed, the stiffness of net frame upper is analyzed using Hypermesh and MSC.NASTRAN. The analysis result showsthe net frame upper’s defo rmation condition and amount.According to this result, two structural improvements are proposed.
Key words:Net Frame Upper;Finite Element Analysis;MSC.NASTRAN; Deformation
汽车在行车的过程中，如果行驶的速度较快，而车内需要换气时，则需要开启车窗，车窗开启时往往有气流吹向乘客且带有较大的风噪，那么此时挡风网起了一定的作用。

当气流经过挡风网后，改变流过汽车的气流方向，避免气流直接吹向乘客，同时降低高速行驶时气流引起的噪声，提高乘车的舒适度。

但是挡风网有时由于结构设计缺陷导致刚度较低。

本文正是对某轿车挡风网摇臂刚度进行了有限元分析，文中所述某轿车的挡风网组件包括固定架、摇臂、沿摇臂滑动的玻璃压卡、连杆、一对安装座架、扭簧转轴、一对位于扭簧转轴上的扭簧、帘布，其中帘布、固定架和摇臂为一体结构，安装座架底部设有固定卡固定在导轨上。

在车窗开启时挡风网开启，车窗关闭时挡风网关闭。

挡风网在开启和关闭的过程中主要是由扭簧、摇臂及连杆的运动完成。

整个过程中挡风网摇臂由于受力而发生变形，为此运用MSC.NASTRAN研究了挡风网摇臂的有限元分析。

如果考虑整个运动过程来分析挡风网摇臂的形变，则需用刚柔耦合体动力学分析方法[1}来完成，此方法涉及到更多软件，且耗时相对较长，为了快速便捷的得到挡风网摇臂的变形量，在此将整个分析的有限元模型进行了简化，模型中仅对挡风网摇臂进行设置与分析，并且对两种改进方案进行分析与比较。

1.调整挡风网为关闭状态
挡风网在打开状态时，受扭簧弹力作用而处于开启状态。

在车窗关闭时，由于挡风网摇臂前端受玻璃压卡向下压的力而处于关闭状态。

在关闭的过程中挡风网摇臂除了和连杆有转
动运动外，和弹簧还有个相对的滑动。

分析挡风网摇臂的整个受力过程出，挡风网上框架主要受弹簧向上弹起的力和玻璃压卡向下压的力。

此时我们假设挡风网摇臂为钢体，则在关闭状态下无任何变形，即可认为是设计状态下的关闭状态。

2.挡风网摇臂有限元模型的建立
在有限元模型的建立过程中只对挡风网摇臂进行离散设置与分析，挡风网摇臂的结构为左右对称的，因此我们只拿挡风网摇臂的一半来进行分析。

在Hypermesh中进行前处理，首先将挡风网摇臂调制关闭状态，去除过小的倒角, 并对模型进行一定的简化处理, 既要使有限元模型能够反映工程结构的主要特征, 又要尽可能地避免出现过小单元。

应用Hypermesh 中的tetramesh命令对网格进行四面体划分，生成102145个单元，生成24989个节点。

挡风网摇臂的材料为PP-GF50，其弹性模量E=11800Mpa，泊松比μ=0.38，密度ρ=1.34E-9Ton/mm^3，模型定义其为各向同性结构材料Isotrpic。

在挡风网摇臂进行受力分析时, 对挡风网摇臂和弹簧接触部位用rbe2单元进行位移约束，建立的挡风网摇臂模型如图1所示。

在Hypermesh 中将模型设置好，即可用Nastran101求解器进行计算。

图1挡风网摇臂模型
3.挡风网摇臂强度分析
挡风网摇臂关闭状态下，实际是有变形的。

在摇臂和玻璃压卡的地方，摇臂的位置可以认为是不动的，而扭簧与摇臂接触区的杆部与设计位置相比，杆部实际位置是有向上旋转一定的角度，这也因此引起了摇臂一定的变形。

此时可以分两个模型来完成挡风网摇臂强度分析。

1.1.扭簧杆部旋转角度预测
在进行分析前，测试出挡风网在关闭状态下玻璃压卡对挡风网摇臂向下压的力值，实际测试的结果得出此力值为Z向35N。

挡风网摇臂在关闭状态下，在扭簧杆部和摇臂接触区域用rbe2单元进行位移约束，在玻璃压卡与摇臂接触区域处施加Z向向下的力35N。

如图2所示。

图2模型设置
根据此分析可以得出玻璃压卡处的位移值，如上述所说，实际上在摇臂和玻璃压卡的地方，摇臂的位置可以认为是不动的。

因此根据此位移值，我们可以通过弹簧的向上旋转，使此处的位置恢复到原来的位置，同时可以推算出弹簧与设计位置处相比实际向上旋转的角度。

1.2.挡风网摇臂实际变形量分析
根据模型一中得到的弹簧旋转角度，来设置模型二中的载荷，载荷分两步完成，首先将挡风网摇臂绕如图3的旋转轴向上旋转，旋转的角度为模型一中预测的角度，其次是同模型一的加载，在挡风网摇臂与玻璃压卡接触处施加Z向向下35N的力。

图3旋转轴
此模型的分析结果可以看出挡风网的变形情况及其变形量。

同时可以看出挡风网摇臂变形后是否与周围的安装螺栓或零部件产生干涉。

如图4为挡风网摇臂变形后的位移云图，及其与变形前的比较。

图中的螺栓是与挡风网摇臂距离最近的零件。

从变形情况看与实际的变形情况相符，从图中4可以看出，挡风网摇臂的最大变形量为1.6mm,且与图中的螺栓不会产生干涉。

最大的变形位置发生在图中的红色区域内，且刚好在摇臂背部料厚较薄的区域内，如图5所示。

也因此提出了2种挡风网摇臂的结构改进方案，以减小挡风网摇臂的形变。

图4位移云图
图5位移云图
本文仅对挡风网做了一次关闭情况下的静态强度分析，实际的使用过程中是挡风网进行多次开启与关闭，这也导致了挡风网形变的叠加累积，从而使其变形量不断增大。

为了预测多次重复开启关闭后的挡风网摇臂的形变量，可以根据此分析结果继续进行疲劳分析。

4.挡风网摇臂结构改进方案
根据以上的分析结果，提出了两种结构改进方案，改进的依据均是在料少的区域增加料厚，如图5中的红框内的区域。

图6为改进方案一，在箭头所指的区域壁厚加厚。

图7为改进方案二，在箭头所指的区域处加厚。

图6改进方案一
图7改进方案二
在保持材料和设置相同的情况下，对两种改进方案进行分析。

得出的分析结果，如图8为改进方案一的分析结果。

图9为改进方案二的分析结果。

改进方案一的最大位移值为1.4mm,改进方案二的最大位移值为1.5mm。

从分析结果我们可以看出，两种方案对挡风网摇臂刚度均有所改进。

图8改进方案一位移云图
图9改进方案二位移云图
5.结束语
对于挡风网摇臂的刚度分析，可通过将动力学分析简化为单个零件的静态分析，可以快速得出挡风网摇臂的形变。

针对结果中的形变情况，提出了两种结构优化方案，从两种优化方案的分析结果可以看出，在料少的区域增加料厚对挡风网摇臂的形变均有所改善。

此文的分析针对挡风网一次关闭的受力情况进行分析，如果想预测多次重复开启关闭后的挡风网摇臂的形变量，可以根据此分析结果继续进行疲劳分析。

参考文献：
[1] 刘晓东，章晓明. 基于ADAMS与NASTRAN的刚柔耦合体动力学分析方法 [D]机械设计与制造2008年(02):168-170。