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车门锁关闭的数模模拟
2018-03-27 11:09:46· 来源：上汽安全与CAE技术 作者：figo
最近用DYNA显式分析对车门锁的啮合过程进行数值模拟，整个建模对标过程还是耗费了一些时间精力，走了一些弯路，现在将这个小CASE跟大家做个分享，如果遇到类似工作希望有可以借鉴之处。
最近用DYNA显式分析对车门锁的啮合过程进行数值模拟，整个建模对标过程还是耗费了一些时间精力，走了一些弯路，现在将这个小CASE跟大家做个分享，如果遇到类似工作希望有可以借鉴之处。
为什么做这个模型
车门关闭的瞬态动力学分析对门锁、密封条等零件有较高的精度要求，因此需要对锁的啮合过程进行详细描述，为了在有限元分析中直接读取应力应变等结果，锁的建模舍弃了更擅长此类机构分析的多体动力学仿真分析软件，选用LS_Dyna显示分析。
车门锁结构及关闭历程分析
简单介绍下目前普遍采用的卡板式门锁，它是利用棘轮、棘爪原理通过旋转卡板与挡块的啮合与脱开实现锁紧或开启，具有全锁紧和半锁紧两个位置，安全、可靠。下图为典型的卡板式门锁的锁止结构，为了更清晰的展示锁止过程，动画如动图2所示。
图1 卡板式门锁结构
图2 门锁撞击过程
在车门撞动惯性力作用下，棘轮受锁扣的压迫克服棘轮回位弹簧作用力而转动，棘爪在止动弹簧的作用力下将棘轮卡住，完成锁紧车门动作。为了缓冲和降噪，在本体上安装了橡胶材料制作的缓冲块，并且棘轮棘爪的表面也设置了包塑。整个关闭过程的关键零件包括棘轮、棘爪、锁块弹簧、回位弹簧、缓冲块、包塑。为了能够证明最终模型的有效性，门锁静态关闭力实验将作为对标试验。
图3 门锁静态关闭力试验曲线
在该试验中锁扣以恒定速度运动，完成锁止过程，测力设备采集全过程反力曲线，横坐标为锁的行程。在有限元分析中设置锁扣的强制位移，读取锁扣的接触力即为门锁啮合的静闭力曲线。此类过程力值对标问题，弄清楚各阶段力值变化的原因有助于整体把握模型设置，因此在对标之前把整个曲线划分为4各阶段：接触初段、半锁、全锁行程、全锁关闭。
模型重点调试参数
速度设置：合理的速度设置很重要，第一次对标读取的锁扣接触力是图4这样的，此时内心是崩溃的，仔细分析后发现：为了追求计算效率，锁扣运动速度过快，为准静态过程带来了额外的系统动能，不能读取稳定的接触力，建议将速度放大比例控制在合理范围内，平衡计算精度与计算效率。
图4 对标读取接触力曲线
一维单元建模：棘轮、棘爪弹簧是影响关闭力值的关键零件，弹簧刚度和预压角度需要按照图纸的安装状态设置，如图5当直段弹簧绕旋转轴安装可等效建为扭转弹簧，刚度值和预压角需要换算。
图5 等效弹簧
包塑与缓冲块：棘轮、棘爪表面的包塑材料一般为软橡胶，全锁行程中包塑及空腔的存在是接触力值变化的关键因素，包塑接触及空腔需要单独定义不同接触对，如动图6所示。
图6 包塑与空腔接触对的定义
缓冲块一般为硬质橡胶，锁扣与缓冲橡胶块的接触由于其本身的刚度相差较大，需要调整接触参数，避免负体积错误，如动图7所示，全锁时刻一般同时伴随着缓冲块压缩，需要根据该时刻数模中的干涉量调整缓冲块材料参数，保证关闭的峰值力与实测值一致。
图7 接触参数调整部位
最终对标效果：经过参数调试后，对标效果比较理想，如图8所示：半锁、全锁峰值力偏差控制在5%以内，并且模拟的全锁行程与试验一致性较好，完成门锁静态关闭力实验对标。
图8 仿真和试验对比
注意到以上模型重点调试关键点，成功模拟出车门关闭的瞬态过程。下图展示了车锁机构安装在门系统上后车门关闭的瞬态撞击过程，经过零部件的对标，车门关闭动态模型的精度得到了有效保证。基于此车门关闭的其他相关问题如：关闭力、关门震颤、SLAM等研究可以就此开展。
图9 车门关闭瞬态撞击过程模拟
图10 车门关闭瞬态撞击过程模拟放大
为什么做这个模型
车门关闭的瞬态动力学分析对门锁、密封条等零件有较高的精度要求，因此需要对锁的啮合过程进行详细描述，为了在有限元分析中直接读取应力应变等结果，锁的建模舍弃了更擅长此类机构分析的多体动力学仿真分析软件，选用LS_Dyna显示分析。
车门锁结构及关闭历程分析
简单介绍下目前普遍采用的卡板式门锁，它是利用棘轮、棘爪原理通过旋转卡板与挡块的啮合与脱开实现锁紧或开启，具有全锁紧和半锁紧两个位置，安全、可靠。下图为典型的卡板式门锁的锁止结构，为了更清晰的展示锁止过程，动画如动图2所示。
图1 卡板式门锁结构
图2 门锁撞击过程
在车门撞动惯性力作用下，棘轮受锁扣的压迫克服棘轮回位弹簧作用力而转动，棘爪在止动弹簧的作用力下将棘轮卡住，完成锁紧车门动作。为了缓冲和降噪，在本体上安装了橡胶材料制作的缓冲块，并且棘轮棘爪的表面也设置了包塑。整个关闭过程的关键零件包括棘轮、棘爪、锁块弹簧、回位弹簧、缓冲块、包塑。为了能够证明最终模型的有效性，门锁静态关闭力实验将作为对标试验。
图3 门锁静态关闭力试验曲线
在该试验中锁扣以恒定速度运动，完成锁止过程，测力设备采集全过程反力曲线，横坐标为锁的行程。在有限元分析中设置锁扣的强制位移，读取锁扣的接触力即为门锁啮合的静闭力曲线。此类过程力值对标问题，弄清楚各阶段力值变化的原因有助于整体把握模型设置，因此在对标之前把整个曲线划分为4各阶段：接触初段、半锁、全锁行程、全锁关闭。
模型重点调试参数
速度设置：合理的速度设置很重要，第一次对标读取的锁扣接触力是图4这样的，此时内心是崩溃的，仔细分析后发现：为了追求计算效率，锁扣运动速度过快，为准静态过程带来了额外的系统动能，不能读取稳定的接触力，建议将速度放大比例控制在合理范围内，平衡计算精度与计算效率。
图4 对标读取接触力曲线
一维单元建模：棘轮、棘爪弹簧是影响关闭力值的关键零件，弹簧刚度和预压角度需要按照图纸的安装状态设置，如图5当直段弹簧绕旋转轴安装可等效建为扭转弹簧，刚度值和预压角需要换算。
图5 等效弹簧
包塑与缓冲块：棘轮、棘爪表面的包塑材料一般为软橡胶，全锁行程中包塑及空腔的存在是接触力值变化的关键因素，包塑接触及空腔需要单独定义不同接触对，如动图6所示。
图6 包塑与空腔接触对的定义
缓冲块一般为硬质橡胶，锁扣与缓冲橡胶块的接触由于其本身的刚度相差较大，需要调整接触参数，避免负体积错误，如动图7所示，全锁时刻一般同时伴随着缓冲块压缩，需要根据该时刻数模中的干涉量调整缓冲块材料参数，保证关闭的峰值力与实测值一致。
图7 接触参数调整部位
最终对标效果：经过参数调试后，对标效果比较理想，如图8所示：半锁、全锁峰值力偏差控制在5%以内，并且模拟的全锁行程与试验一致性较好，完成门锁静态关闭力实验对标。
图8 仿真和试验对比
注意到以上模型重点调试关键点，成功模拟出车门关闭的瞬态过程。下图展示了车锁机构安装在门系统上后车门关闭的瞬态撞击过程，经过零部件的对标，车门关闭动态模型的精度得到了有效保证。基于此车门关闭的其他相关问题如：关闭力、关门震颤、SLAM等研究可以就此开展。
图9 车门关闭瞬态撞击过程模拟
图10 车门关闭瞬态撞击过程模拟放大
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