技术干货丨OptiStruct 非线性之前车门下沉分析

1. 截取包含前车门总成在内的1/4车模型，截断线处全自由度约束，在车门锁芯处建立局部坐标系，以铰链轴线和锁芯点所形成平面的法向为Y轴，全局坐标的垂向为Z向，局部坐标系原点即为锁芯中心点，同时约束锁芯中心点处2方向自由度（此处约束为防止施加预紧力时，因欠约束导致计算不收敛）;

2. 模型需要考察车门在开启65°状态下的下垂强度，分为四个继承工况：

• 工况1：对铰链螺栓施加预紧力（可根据企标或螺栓规格设定）；

• 工况2：对模型施加重力场；

• 工况3：在锁芯中心点处施加全局-Z向的1000N载荷（可根据企标设定）；

• 工况4：保留约束进行卸载。

图1 边界载荷及预紧力信息

在建模过程中，需要关注铰链销轴单元建模，预紧力设定，接触对和非线性卡片及工况设置这四个内容，详细如下：

铰链销轴建模：一般有两种建模方式

1. 采用PBAR梁单元，同时在pins中释放一端旋转自由度4以模拟销轴沿轴向自由旋转（梁单元自带x轴为轴向的局部坐标）；

2. 采用JOINTG _HINGE铰链运动副单元，其joint type选择 FE_HING，该类型的运动副约束自由度为12356，因此需要为该单元建立局部坐标以保证x向为销轴轴向；当前模型选择JOINTG_ HINGE用以铰链建模：

图2  车门铰链

图3  JOINTG HINGE设置

在JOINTG HINGE中需选择两点确定HINGE轴向方向，并在system中为节点选择局部坐标。

预紧力设定：车门铰链同车身侧和车门侧的螺栓连接采用beam单元进行建模，且该螺栓连接处需要通过Pretension Manager施加并设定预紧力，详细设定如下图所示：

图4  Pretension Manager螺栓预紧力设定

接触对设置：该模型需在车门侧铰链与车身侧铰链，以及车门内板等位置建立接触对，其接触主面和接触从面的设定法则尽量遵从以下原则：

1. 凸面作为接触从面，凹面作为接触主面；

2. 精细网格部件作为接触从面，粗网格部件作为接触主面；

3. 表面刚度较小的部件作为接触从面，表面刚度较大的作为接触主面；

接触对中有两个卡片需要设置，分别是CONTACT和PCONT卡片，CONTACT卡片控制接触搜索范围、接触离散度和接触滑移类型等参数，如下图所示：

图5  CONTACT卡片设置

图6  PCONT卡片设置

在PCONT中将接触刚度STIFF设置为AUTO，根据接触对周围单元刚度计算接触刚度，摩擦系数设置为0.15，接触可分离SEPARATION设置为YES，保证接触状态在结构变形中可以改变。

非线性卡片及工况设置：该分析总共包含螺栓预紧、重力场、垂向加载和卸载四个非线性工况，各个工况按顺序加载并且继承应力和位移结果，同时通过STATSUB (PRETENS)引用螺栓预紧工况来锁住螺栓预紧力，详细如下：

图7  加载工况信息

在设置非线性控制卡片时，可以采用NLPARM和NLADAPT组合卡片；NLPARM控制收敛准则及收敛容差，NLADAPT控制载荷步长、CUTBACK次数以及接触收敛准则，详细设置如下图所示：

图8  NLPARM卡片

图9  NLADAPT卡片

NLPARM中最大迭代次数设置默认值25，收敛准则采用UPW位移载荷能量收敛，其容差分别为，初始载荷步长设置为0.01；NLADAPT中允许削减时间步长的次数（NCUTS）一般默认5；最大时间步长DTMAX设置为0.1，在自动时间步长控制下，载荷增量步不能超过0.1；NLADAPT中STABILIZE为限制能量稳定参数，有助于计算收敛，此处设置为0.0001。

图10  车门下沉加载结果及曲线

OptiStruct 非线性求解功能在整车结构开发领域有广泛应用，尤其在处理带螺栓预紧力且大变形的分析时具有良好表现。