技术干货丨 OptiStruct 非线性之前车门下沉分析

OptiStruct 非线性功能正被广泛应用于汽车开发领域，本文以前车门下沉分析为例，详细介绍该分析项模型的边界约束，接触设置以及 OptiStruct 求解器的非线性卡片信息。

分析目的是检验车门在垂向滥用工况下的强度性能，需满足加载和卸载位移需求。

工况描述

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。

目标

1. 在工况 3 的加载中，考察其加载点在全局 Z 向位移值（目标值可根据企标设定）。

2. 在工况 4 的卸载中，考察其载荷点在全局 Z 向位移值（目标值可根据企标设定，在后处理读取该 Z 向位移值时需剔除重力下沉量）。

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

通过添加“Add 1D Bolts”选择需要施加预紧力的 1D 梁单元（如果螺栓为 solid 单元，则选择“Add 3D Bolts”），在 Load Type 中有预紧力“Force”和预紧位移“Adjustment”两种预紧方式，此处选择预紧力“Force”，最后根据实际工程需求设置预紧力值。

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

在 CONTACT 中将 ADJUST 设置为 AUTO，使处在搜索范围内的从节面和主面在初始计算时刻被认定为接触状态，AUTO 的搜索范围为主面 5%的平均边长；DISCRETE 选取 S2S，即面面接触保证接触精度；TRACK 选取 SMALL 即小滑移，所选择的接触对之间均有焊点或螺栓连接，因此接触部件之间的滑移量很小，故选择 SMALL 小滑移即可；在 PCONT 卡片中设定接触刚度、接触分离和摩擦系数，如下图所示：

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。

以上所有卡片及工况设置好后，经过计算得出结果如下：

图 10  车门下沉加载结果及曲线

从位移云图中可以看出，车门加载点处的全局 Z 向位移为-6.5mm；从加载点 Z 向位移曲线图中可以看出，在剔除了重力影响后，其残余位移约为 0.7mm。

总结

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。

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