汽車輔助拉手結構設計研究

                                                     汽車輔助拉手結構設計研究

                      馮博，周  濱

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

  摘要：對汽車輔助拉手改型設計方法的可行性進行研究。針對成型工藝產生缺陷的原因，在強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輔助拉手的影響，對比了改型前后輔助拉手的強度變化。研究表明該改型設計方法在不影響產品強度的前提下，有效減小了因工藝產生的缺陷，同時也減少了材料的使用。

    關鍵詞：輔助拉手；氣輔成型；有限元分析；結構設計

    中圖分類號：U463. 82    文獻標識碼：A    文章編號：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飾物品之一，多安裝于車內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，還可以增設掛鉤或照明燈等小結構，實現功能多樣化。

    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九十年代才得到實際應用的一項實用型注塑新工藝，其工藝流程是對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壓縮后的惰性氣體，利用氣體推動熔體完成充模，填補因塑料收縮后留下的空隙，當制件冷卻后再將氣體從氣道中排出[1-2]。

    由于這種成型技術的某些特性使得輔助拉手成品存在一些缺陷，影響產品美觀和可靠性，而通過改變產品結構來避免這些缺陷的同時，也在一定程度上影響其可靠性。

    論文以某種小批量生產的輔助拉手為研究對象，針對其因成型技術產生的缺陷進行結構改進，并對這種改進方法的可行性進行研究，旨在降低成本的同時保證產品質量。

1  結構改型方案

    論文研究的輔助拉手使用氣輔成型法進行小批量生產后，發現制件存在表面缺陷，在進氣孔一端的側面上有熔料凝固收縮的淺坑（圖1中A區位置）。這是由于進氣口側壁過厚，導致熔體凝固速度差異大，出現淺坑，這種缺陷嚴重影響產品美觀，甚至影響產品的性能質量，需要進行改型設計。

    初步改型方案是，將螺釘孔周圍的BC方孔擴大，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構特征。

    擴大方孔后，側壁由于厚度減小而降低了強度，為了考察方孔尺寸的改變對輔助拉手強度的影響，文章采用有限元法進行分析，為CAD工程師的設計方案提出合理建議。

2有限元強度計算

    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模型可以簡化為兩端固支，中部承受外載的桿件。

    根據上述分析的力學模型，在Hypermesh9.0中建立網格模型，導入abaqus6. 10中完善前處理并求解計算。

2.1  網格模型

    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需創建螺釘結構。

    由于輔助拉手細小而不規則的結構較多，用六面體單元劃分網格有一定難度，因此用二次四面體單元劃分網格。這種單元精度較高，能模擬任意的幾何形狀，在計算條件允許的情況下建模是比較方便的。改型前單元數目為45 867，改型后單元數目為44 431。

    在Hypermesh中給螺釘和輔助拉手附材料屬性后導入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發生相對滑動，不涉及接觸問題，故將螺釘和輔助拉手作為一個整體進行分析。根據模型的受力分析，約束螺帽平面節點的六個自由度，即將螺釘全約束。

    輔助拉手中部受到的載荷來自手握的壓力分布在一定的承力面上。在拉手上選擇10 cm長的區域建立coupling施加載荷。

    令輔助拉手安裝在XZ平面內，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  計算工況及結果

    輔助拉手的強度校核分三類工況進行討論嘲：

    Horizontal-載荷沿y，軸負向。這個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軸負向。這個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。設置這個工況是由于人體不可能長時間沿水平或鉛垂方向握著輔助拉手，一定會與鉛垂方向成一定的角度來緩解疲勞。

    將改型前后的輔助拉手模型提交計算，先研究各類工況對拉手結構的影響趨勢，再討論改型后拉手強度變化情況。

2.4結果分析

    圖3所示為改型前的結構在三種工況載荷下的主應力分布云圖。

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

    從主應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，會導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。另外從主應力數值上分析，鉛垂方向的拉力對輔助拉手的影響相對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更大所致。從工況degree的主應力分布云圖可以看出，當載荷與鉛垂方向成一定角度時，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輔助拉手BC孔處側壁的影響相對于中部較小?；谶@個分析結果，輔助拉手的改型方案擴大端部BC孔是合理的。

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

    從主應力云圖上可以看出，輔助拉手在工況Horizontal下的應力分布趨勢與改型前的相吻合，最大主應力值分布在拉手中部；而其余兩個工況計算受輔助拉手側壁厚度變化的影響較大，主應力最大值集中分布在輔助拉手端部。改型前后應力分布趨勢的變化也表明：在進行改型設計時，為了減重而去除端部的材料這種做法需要慎重考慮，必要時應做CAE分析。

    輔助拉手進行改型設計后，為了定量考察改型后的輔助拉手是否仍然滿足強度要求，現將改型前后的輔助拉手關鍵部位的強度進行對比分析（例表1所示）。

    通過對比發現改型后輔助拉手側壁強度稍變薄弱，但還沒有超過材料的抗拉強度96 MPa，滿足強度要求。

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

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

3  結論

    1)在輔助拉手結構設計過程中，CAE分析結果為設計方案的可靠性提供了保障，縮短了產品開發周期，提高了工作效率。

    2)改型后的輔助拉手將BC孔擴大，拉手側壁強度稍變薄弱，但是沒有超過抗拉強度，滿足強度要求，改型設計合理。

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