基于ABAQUS汽车车门限位器力矩曲线有限元分析
导读：本文利用ABAQUS软件中隐式动力学的准静态分析，得到某款车型前门限位器的力矩曲线，并对该曲线进行评估。仿真结果表明：准静态分析能够处理静力分析中结构出现的短暂动态问题，并且该限位器力矩曲线满足设计要求。
一、写在前面
车门限位器是限制车门的开启角度并且当汽车驻车在一定坡度上的时候，车门达到设计开门角度时不自闭，不自开的装置[1]。车门限位器的力学性能是评价车门设计和车门使用性能的重要指标之一，对车门开闭的轻便性和灵活性影响很大，同时汽车车门开闭过程是否轻便与灵活也是用户在车辆使用中关注程度较高的项目，因此应保证该部件有良好的力学与使用性能。
本文以某款车型的前门限位器作为分析对象，利用ABAQUS软件隐式动力学算法中的准静态分析，克服了因限位器滑块进入第一个限位凹槽时出现的不收敛问题，同时得到该限位器的力矩曲线，并对此曲线进行力学评估，为设计人员提供了参考依据。
二、隐式动力性算法
ABAQUS中的隐式动力学采用隐式时间积分来计算瞬态动力学或系统的准静态响应。需要数值阻尼来获得收敛并且在求解中需要自动时间增量算法。由于该算法是无条件稳定的，所以可以采用较大的时间步长，但是需要对整体刚度矩阵求逆，同时在每个时间增量步中通过对非线性方程组的反复迭代来保证结果的精度。ABAQUS隐式动力学算法中包含三种分析类型，其中的准静态分析可以理解为使用慢速的动态分析来模拟静态问题。如果在分析中，系统的惯性效应对结果的影响很小时，可以使用此方法进行分析。该应用所使用的积分方法与其他两种应用不同，采用的是向后欧拉时间积分法[2]，即：
式中，u为系统的位移，t为当前时间，Δt为时间增量，v为系统速度，α为系统加速度，R为残余力，M为系统的质量，I为系统的内力，P为外载荷。该方法要求加载时间应足够长，并且在计算结果中应考察系统的动能占内能的比例，一般为5%-10%[3]。由于本文不考虑车门重力载荷，而只考察车门在开启过程中限位器本身的操作力，所以采用壳单元建立的车门有限元模型使用Rigid Body进行简化处理，以减少计算时间。车门与限位器的铰链均采用Connector单元中的Hinge类型来模拟。限位器总成采用体单元进行网格划分。限位器压块上下端与座板和滑块之间的连接以及滑块侧面与座板的连接均采用Tie接触。使用General Contact接触方式中的Surface To Surface类型实现限位器滑块与拉板，滑块与金属壳以及金属壳与限位块之间的相互作用。接触部位网格应细化，且接触主面（拉板）与从面（滑块）网格尺寸尽量匹配，有利于计算的收敛。同时，约束车门每个铰链处Hinge单元上一个节点的全部自由度，并对车门的一个铰链施加转角为车门最大开启角度的位移载荷，使其在强迫位移下使车门开启到最大角度。限位器各零件的材料应赋予相应的应力应变曲线。该分析的有限元模型如图1所示。
在车门开启的过程中，滑块在刚进入拉板的第一个限位凹槽时，会因压块恢复原形产生推力而出现短暂的动态效应，此时，使用静力学分析无法处理该动态效应，并因不收敛而导致计算终止。而隐式动力学的准静态应用会通过稳定惯性效应来调整这种不稳定的静态行为，并对结果几乎没有影响，因而本文使用此方法进行计算。根据实验要求的测试速度及车门开启角度来设置此分析持续的时间，同时，设定初始增量步以及最大与最小时间增量。在历程变量输出中输出限位器的动能与内能，以及输出施加了位移载荷的Hinge单元的合力矩CTM1，即绕铰链轴方向上的合力距。为保证分析结果符合准静态要求，即计算出的解是否满足静态解，需要验证限位器的动能占内能的比例，只有在动能所占内能的比例很小时，该结果才符合准静态要求。从图2的动能与内能曲线可知，该限位器在车门开启过程中所产生的动能占其内能很小，满足动能占内能5%-10%的要求，因此该计算结果符合准静态要求。
图2 动能与内能曲线
读取施加位移载荷的铰链局部X轴方向的合力矩曲线，如图3所示。从该曲线可以看出，因限位器拉板表面变化的外形，在滑块沿拉板逐步抬高以及落入与滑出凹槽时，铰链所受力矩均出现不同程度的峰值，这是由于压块在受压与还原时对铰链产生一定的阻力与推力所致。该力会影响车门在开启过程中的施力感受，因此，力矩大小以及峰值力矩在设计与使用中应满足一定的要求。
图3 限位器力矩曲线
从静力学角度分析，为达到平衡状态，施加到车门上的力对车门铰链的矩应等于限位器影响车门开启的力对车门铰链的矩，所以将该力矩曲线除以车门把手到该铰链的距离可以得到在开启车门过程中，施加在车门把手上所需的操作力，如图4所示。从此曲线可以看出，在车门开启的过程中，所施加的操作力一般保持在17N左右，最大峰值力不超过35N。
图4 限位器操作力曲线
1、采用ABAQUS软件中隐式动力学的准静态分析，能够有效的解决静力学分析中出现的动态效应，并且在保证系统的动能所占内能很小的前提下能够保证结果的准确性。
2、通过从车门铰链处得到的力矩曲线，能够反映出在车门开启时需对限位器施加的操作力。从得到的力矩以及力曲线中可以知道，该车门限位器在车门开启时对铰链的力矩满足企业设计要求。
参考文献
[1] HI-J02.01.172-2011-1.0. 汽车限位器技术规范[S].
[2] ABAQUS Inc. ABAQUS Analysis User’s Manual. ABAQUS Inc.
[3] 庄茁. ABAQUS/Standard有限元软件入门指南 [M].北京：清华大学出版社，1998.
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