汽車輔助拉手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

                      馮博，周  濱

          （株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

  摘要：對(duì)汽車輔助拉手改型設(shè)計(jì)方法的可行性進(jìn)行研究。針對(duì)成型工藝產(chǎn)生缺陷的原因，在強(qiáng)度大的位置增加孔的尺寸，建立輔助拉手的有限元模型，分工況討論各種載荷對(duì)輔助拉手的影響，對(duì)比了改型前后輔助拉手的強(qiáng)度變化。研究表明該改型設(shè)計(jì)方法在不影響產(chǎn)品強(qiáng)度的前提下，有效減小了因工藝產(chǎn)生的缺陷，同時(shí)也減少了材料的使用。

    關(guān)鍵詞：輔助拉手；氣輔成型；有限元分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    中圖分類號(hào)：U463. 82    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A    文章編號(hào)：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

    汽車頂棚輔助拉手為汽車常見的內(nèi)飾物品之一，多安裝于車內(nèi)副駕駛位和后排座位的車窗上部，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(nèi)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(shè)掛鉤或照明燈等小結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功能多樣化。

    輔助拉手是塑料制品，常用材料為聚乙烯或聚丙烯，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(jì)九十年代才得到實(shí)際應(yīng)用的一項(xiàng)實(shí)用型注塑新工藝，其工藝流程是對(duì)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(jīng)壓縮后的惰性氣體，利用氣體推動(dòng)熔體完成充模，填補(bǔ)因塑料收縮后留下的空隙，當(dāng)制件冷卻后再將氣體從氣道中排出[1-2]。

    由于這種成型技術(shù)的某些特性使得輔助拉手成品存在一些缺陷，影響產(chǎn)品美觀和可靠性，而通過改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)避免這些缺陷的同時(shí)，也在一定程度上影響其可靠性。

    論文以某種小批量生產(chǎn)的輔助拉手為研究對(duì)象，針對(duì)其因成型技術(shù)產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對(duì)這種改進(jìn)方法的可行性進(jìn)行研究，旨在降低成本的同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1  結(jié)構(gòu)改型方案

    論文研究的輔助拉手使用氣輔成型法進(jìn)行小批量生產(chǎn)后，發(fā)現(xiàn)制件存在表面缺陷，在進(jìn)氣孔一端的側(cè)面上有熔料凝固收縮的淺坑（圖1中A區(qū)位置）。這是由于進(jìn)氣口側(cè)壁過厚，導(dǎo)致熔體凝固速度差異大，出現(xiàn)淺坑，這種缺陷嚴(yán)重影響產(chǎn)品美觀，甚至影響產(chǎn)品的性能質(zhì)量，需要進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。

    初步改型方案是，將螺釘孔周圍的BC方孔擴(kuò)大，從而減小制件兩端壁厚，減小凝固收縮量。圖1顯示了改型前后輔助拉手的結(jié)構(gòu)特征。

    擴(kuò)大方孔后，側(cè)壁由于厚度減小而降低了強(qiáng)度，為了考察方孔尺寸的改變對(duì)輔助拉手強(qiáng)度的影響，文章采用有限元法進(jìn)行分析，為CAD工程師的設(shè)計(jì)方案提出合理建議。

2有限元強(qiáng)度計(jì)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(xué)模型可以簡(jiǎn)化為兩端固支，中部承受外載的桿件。

    根據(jù)上述分析的力學(xué)模型，在Hypermesh9.0中建立網(wǎng)格模型，導(dǎo)入abaqus6. 10中完善前處理并求解計(jì)算。

2.1  網(wǎng)格模型

    輔助拉手的端部是被約束的位置，考慮圣維南原理，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(shí)需創(chuàng)建螺釘結(jié)構(gòu)。

    由于輔助拉手細(xì)小而不規(guī)則的結(jié)構(gòu)較多，用六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格有一定難度，因此用二次四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。這種單元精度較高，能模擬任意的幾何形狀，在計(jì)算條件允許的情況下建模是比較方便的。改型前單元數(shù)目為45 867，改型后單元數(shù)目為44 431。

    在Hypermesh中給螺釘和輔助拉手附材料屬性后導(dǎo)入abaqus。

2.2有限元模型

    螺釘將輔助拉手固定在車體上后，螺帽和拉手表面壓緊不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，不涉及接觸問題，故將螺釘和輔助拉手作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。根據(jù)模型的受力分析，約束螺帽平面節(jié)點(diǎn)的六個(gè)自由度，即將螺釘全約束。

    輔助拉手中部受到的載荷來(lái)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(zhǎng)的區(qū)域建立coupling施加載荷。

    令輔助拉手安裝在XZ平面內(nèi)，有限元模型如圖2所示。

輔助拉手本體材料為聚丙烯，彈性模量為2 000MPa，泊松比為0.35。螺釘為45鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

2.3  計(jì)算工況及結(jié)果

    輔助拉手的強(qiáng)度校核分三類工況進(jìn)行討論嘲：

    Horizontal-載荷沿y，軸負(fù)向。這個(gè)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(fù)向。這個(gè)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(shè)置這個(gè)工況是由于人體不可能長(zhǎng)時(shí)間沿水平或鉛垂方向握著輔助拉手，一定會(huì)與鉛垂方向成一定的角度來(lái)緩解疲勞。

    將改型前后的輔助拉手模型提交計(jì)算，先研究各類工況對(duì)拉手結(jié)構(gòu)的影響趨勢(shì)，再討論改型后拉手強(qiáng)度變化情況。

2.4結(jié)果分析

    圖3所示為改型前的結(jié)構(gòu)在三種工況載荷下的主應(yīng)力分布云圖。

    主應(yīng)力分布云圖所顯示的輔助拉手最大主應(yīng)力都是分布在螺孔附近，這個(gè)分析結(jié)果并不代表螺孔處的強(qiáng)度最薄弱，而是由于螺帽外廓和聯(lián)接件平面之間存在900尖角，因此產(chǎn)生了不準(zhǔn)確的應(yīng)力集中。如果要得到這個(gè)位置的準(zhǔn)確的主應(yīng)力值，需要建立子模型進(jìn)行細(xì)節(jié)分析，但是從分布云圖上看，螺孔處應(yīng)力集中的影響還沒有波及到關(guān)鍵部位——輔助拉手側(cè)壁，因此文章將螺孔處不準(zhǔn)確的應(yīng)力情況忽略不計(jì)（下文改型后的輔助拉手主應(yīng)力分布云圖做同樣分析處理）。

    從主應(yīng)力分布云圖上可以看出，水平方向的拉力主要影響輔助拉手寬面部分，如果水平拉力過大，會(huì)導(dǎo)致拉手中部或靠近端部的位置被拉斷。鉛垂方向的拉力主要影響輔助拉手窄面部分，如果鉛垂拉力過大，拉手中部容易被拉斷。另外從主應(yīng)力數(shù)值上分析，鉛垂方向的拉力對(duì)輔助拉手的影響相對(duì)于水平拉力要大很多，這是由于鉛垂力作用在拉手上的壓強(qiáng)更大所致。從工況degree的主應(yīng)力分布云圖可以看出，當(dāng)載荷與鉛垂方向成一定角度時(shí)，同樣的拉力包含了前兩種工況的綜合影響，輔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(duì)輔助拉手BC孔處側(cè)壁的影響相對(duì)于中部較小?；谶@個(gè)分析結(jié)果，輔助拉手的改型方案擴(kuò)大端部BC孔是合理的。

    對(duì)改型后的輔助拉手建模提交分析，提取主應(yīng)力值后得到的分布云圖如圖4所示。

    從主應(yīng)力云圖上可以看出，輔助拉手在工況Horizontal下的應(yīng)力分布趨勢(shì)與改型前的相吻合，最大主應(yīng)力值分布在拉手中部；而其余兩個(gè)工況計(jì)算受輔助拉手側(cè)壁厚度變化的影響較大，主應(yīng)力最大值集中分布在輔助拉手端部。改型前后應(yīng)力分布趨勢(shì)的變化也表明：在進(jìn)行改型設(shè)計(jì)時(shí)，為了減重而去除端部的材料這種做法需要慎重考慮，必要時(shí)應(yīng)做CAE分析。

    輔助拉手進(jìn)行改型設(shè)計(jì)后，為了定量考察改型后的輔助拉手是否仍然滿足強(qiáng)度要求，現(xiàn)將改型前后的輔助拉手關(guān)鍵部位的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析（例表1所示）。

    通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)改型后輔助拉手側(cè)壁強(qiáng)度稍變薄弱，但還沒有超過材料的抗拉強(qiáng)度96 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

    改型后的輔助拉手投入試制，由于側(cè)壁變薄，熔體凝固速度差異較小，使得出現(xiàn)凹坑等缺陷的區(qū)域明顯減小，能夠保證產(chǎn)品美觀，提升產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

    改型后試制樣品并測(cè)量質(zhì)量，由于增大孔的尺寸，每單件產(chǎn)品質(zhì)量比改型前減少3. 92%，批量生產(chǎn)后能夠在一定程度上降低成本。

3  結(jié)論

    1)在輔助拉手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，CAE分析結(jié)果為設(shè)計(jì)方案的可靠性提供了保障，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了工作效率。

    2)改型后的輔助拉手將BC孔擴(kuò)大，拉手側(cè)壁強(qiáng)度稍變薄弱，但是沒有超過抗拉強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求，改型設(shè)計(jì)合理。

    3)改型后的輔助拉手能有效減小缺陷，并且單件質(zhì)量減少3. 92%，降低了生產(chǎn)成本。