考虑接触的汽车玻璃升降器导向轮蠕变变形分析.pdf

2 0 1 4 年第3 3 卷6 月第6 期机械科学与技术M e c h 卸i c a ls c i e n c ea n d 融h 肿l o 口f o rA e r 嘴p a c eE n g i n e e r i n gJ u n e2 0 1 4V 0 1 3 3N o 6D O I：l O 1 3 4 3 3 j 伽峪1 0-8 7 镐加1 4 勰考虑接触的汽车玻璃升降器导向轮蠕变变形分析刘志恩1”，张焰1”，胡雅倩1”，徐瑾1”，颜伏伍1 2(1 武汉理工大学汽车工程学院，武汉4 3 0 0 7 0；2 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉4 3 0 0 7 0)摘要：对汽车玻璃升降器中塑料导向轮的蠕变变形进行研究，基于材料的蠕变拉伸试验曲线，采用修正的时间硬化蠕变方程，并考虑绳轮接触影响，建立导向轮的蠕变有限元分析模型。计算获得了导向轮关键位置的应变、位移时间历程曲线及其变化规律，对比试验结果，吻合良好。分析接触情况对蠕变的影响，并与不考虑接触情况下的蠕变过程进行对比研究。结果表明：考虑接触的蠕变分析计算结果精度相对较高，能够反映出导向轮的形变和应力变化过程。关键词：塑料导向轮；绳轮接触；蠕变变形；汽车玻璃升降器中图分类号：U 4 6 3 8 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 8 7 2 8(2 0 1 4)0 6 0 9 2 4 0 5A n a l y s i so nC r e e pP e r f o r m a 眦eo fA u t oG l a s sL i f t e rG l l i d eW h e e lC 佃s i d e r i n gR o p eW h e e lC o n t a c tL i uZ h i e n l”，Z h a n gY a n l”，H uY a q i a n l”，X uJ i n l”，Y a nF u w u l 2(1S c h 0 0 l0 fA u t o m o b i l eE n 舀n e e 血g，W u l l 蛐U n i v e 璐i t yo f1 k h n o l o g y，W u h a I I4 3 0 0 7 0；2H u b e iK e yI 丑r yo fA d v 锄c e dT e c h n o l o g yo fA u t o m 棚v eP a n s，W u h 蚰4 3 0 0 7 0)A b s 咖c t：T h ec r e e pd e f 0 咖a t i o no fp l a s t i cg u i d ew h e e li na u t og l a s sl i f t e ri si n V e s t i g a t e di nt l i sp a p e r B a s e do nt l em a t e r i a lc r e e pt e n s i l et e s t i n gc u r v ea n dt h em o d i f i e dt i m eh a r d e n i n gc r e e pe q u a t i o n，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fg u i d ew h e e lc r e e pa n a l y s i si se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n g 山ec o n t a c te f 五e c to fr o p ea n dw h e e l T h o u g hn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n，t h et i m eh i s t o r yc u r v e sa n dt l l e i rv 撕a t i o nl a w so fs t r a i n，d i s p l a c e m e n ta tt h eg u i d i n gw h e e Ik e yp o s i t i o n sa r eo b t a i n e d，a n dt h e s ew e Ua g 陀e 诵t ht l l et e s tr e s u l t s A n a l y s i sr；e s u l t sb o t hc o n s i d e r i n gt h ec o n t a c te 如c to fc r e e pp r o c e s sa n dn o tc o n s i d e 而n gt h ec o n t a c tc o n d i t i o no fc r e e pp r o c e s sa r ec o m p a r e d T h er e s u l t ss h o wt h a t 出ec a l c u l a t i o nr e s u l t sc o n s i d e r i n gt h ec o n t a c tc r e e pa r I a l y s i sh 嬲r e l a t i v e l yh i g hp r e c i s i o na n dc a nr e n e c tt h ed e f o m a t i o na n dt h e 蛐r e s so ft h eg u i d ew h e e lc h a n g ep r o c e s s 1【e yw o r d s：a u t o a s sl i f t e r；b o u n d a r yc o n d i t i o n s；c a l c u l a t i o n s；c o n s t i t u t i v em o d e l s；c r e e pd e f b m a t i o n；c r e e pt e s t i n g；c r e e p；d e f o 珊a t i o n；e x p e r i m e n t s；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d；m a m e m a t i c a lm o d e l s；M A T I A B；p l a s t j cg u i d ew h e e l；r D p ew h e e lc o n t a c t；s c h e m a i cd i a g r a m s目前汽车前门的电动升降器大多数为绳轮式结构，其中包含导向轮等塑料件。塑料件在长期使用过程中，其变形量随时间变化，出现较为明显的蠕变现象，从而影响塑料件自身的性能和寿命，进而导致汽车玻璃升降器整体使用寿命下降。因此，对塑料件进行高温蠕变非线性模拟，得到蠕变特性，为该产品的开发、检测和性能评估提供依据。如雷航等对合金环形件高温蠕变行为和蠕收稿日期：2 0 1 3 一O l 一2 4基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(2 0 1 3-0 2 4)资助作者简介：刘志恩(1 9 7 7 一)，副教授，博士，研究方向为汽车c A D C A E 1 z e n w h u t e d u c n变模型进行了研究，引入B o l 胁a I l n 函数建立一种同时包含第l 阶段蠕变和第2 阶段蠕变的新的蠕变本构模型，其计算结果与蠕变试验数据基本一致。杨慧娴等口。对H D P E(h i g hd e n s i t yp o l y e t I y l e n e)单向拉伸格栅的蠕变性质进行了研究，增大H D P E 的单向拉伸比可提高格栅的抗蠕变性。陈碧波等 o 对P 矸E(p o l”e 姐u o r o e t l l y l e n e)复合材料的蠕变机理进行了分析，通过试验对比，随温度升高，推迟时间r 和粘度仇降低，影响材料蠕变变形加大。蛳tR 锄a d e 等4 1 对P E M L S(p o l y e t h y l e n em o n t I I l o r i U o n i t el a y e r e ds i l i c a t e)纳米复合材料进行了蠕变性能研究，在材料的5 0 屈服应力作用下，蠕变柔量随P E万方数据第6 期刘志恩等：考虑接触的汽车玻璃升降器导向轮蠕变变形分析(p o l y e t h y l e n e)含量的减小而增大。采用修正的时间硬化5 1 理论尝试建立某型号绳轮式玻璃升降器导向轮的蠕变过程有限元分析模型，并考虑绳轮接触的影响。该方法可实现产品蠕变性能的预评估。1 有限元中的蠕变本构模型在常载荷条件下，材料的蠕变一般可分为3 个阶段，蠕变应变与时间的关系曲线1 如图1所示。第1 阶段为加工硬化阶段，其蠕变应变率随时间逐渐减小。第2 阶段为稳态蠕变阶段，其应变率基本不变，比第1 阶应变曲线。图3 所示为应力为5M P a 和1 0M P a 时的试验测试曲线和计算获得曲线的拟合程度较好，等效蠕变应变随时间增加而增加，且增加速率逐渐平缓，由此认定此蠕变特芷善R翻性参数计算结果正确。图2D e l r i n1 0 0P o M9 0 试验蠕变曲线O 0 40 0 3制邋O 0 20 0 l1 0 M P a 实验5 M P a 实验+5 M P a+8M P a+l OM P a+1 2M P a图1 竺享竺兰跫擘图3D e l r i n1 0 0P o M9 0 蠕变等效应变曲线变时间曲线”。”。2 寸帆“1“段的蠕变应变率会小。第3 阶段为加速蠕变阶段，由于颈缩现象，应变率会迅速增加，直到破坏(断裂)。通常最关心的是零部件蠕变的第1 阶段和第2 阶段。蠕变形变程度与应力、应变、时间和温度的相关性 剐用下式相似的形式来模拟s。，=(盯M(占珑(垅(r)(1)式中：s。，是蠕变应变率；s 是蠕变应变；盯是加载应力；r 是温度；是加载时间；函数Z 以以以与选择的蠕变方程有关。蠕变分析有显式蠕变和隐式蠕变两种方法。显式蠕变表达式为占。=以盯，占，7 l+血，)(2)隐形蠕变表达式为占c，=以盯”山，s”，r+，)(3)一般情况下使用隐式蠕变进行求解分析，因为隐式蠕变应用了E u l e r 向后积分法求解蠕变应变，该方法在数值上无条件稳定，这表明不用和显式蠕变一样，使用小的时间步长。故从整体上看，隐式蠕变更高效、更精准。修正的时间硬化蠕变本构模型 9 1 为C，盯6 2 t 6 3“e 一6 幸72 二百万一(4)导向轮材料采用D e l r i n1 0 0P O M，是一种综合性能优良的热塑性树脂。其在9 0 的蠕变拉伸试验测试曲线见图2。将试验数据代人式(4)建立方程组，求得蠕变特性参数c。，c：，c，C。用数学演算软件M A A B 计算获得不同应力下的蠕变等效2 蠕变有限元模型的建立绳轮式玻璃升降器主要由滑块、导向轮、电机和导轨等部件组成，见图4 a)。门窗玻璃固定在滑块上，滑块在电机的驱动下由钢丝绳带动，并沿导轨上下运动从而实现汽车门窗玻璃的升降。导向轮可沿导向轮轴旋转，外沿与钢丝绳接触，见图4 b)。成板锎琵I 剧-L，r _a)绳轮式玻璃升降器bJ 导向轮结构图4 绳轮式玻璃升降器结构玻璃升降器长期使用，塑料导向轮发生蠕变是不可避免的，导致结构尺寸发生变化产生变形，使得钢丝绳与导向轮配合不平稳，影响了玻璃升降器的正常使用。由于钢丝绳所受载荷较大，绳子受力与导向轮挤压接触，产生较大形变，故在对导向轮进行蠕变分析时，必须考虑绳轮接触的影响。对塑料导向轮的高温蠕变有限元分析采用两个载荷步进行加载。对钢丝绳与导向轮进行接触非线性分析；在考虑绳轮接触的情况下进行蠕变过程分析。2 1 前处理为有效控制单元数量和便于高质量的网格划分，需要对导向轮的三维实体模型进行简化和几何万方数据机械科学与技术第3 3 卷清理，略去对计算结果影响不大的凸台、尖角等特征。同时，根据试运算的结果确定绳轮可能接触的区域和面积，并对该区域的单元进行网格加密处理。模型中考虑了导向轮与钢丝绳的接触、导向轮与导向轮轴的接触，分别为柔柔接触和刚柔接触，并采用T A R G E l 7 0 和c O N T A l 7 4 单元来定义接触对0|，见图5 a)。另一方面，为获得较好的计算精度，导向轮采用1 0 节点4 面体单元s o l i d l 8 7，钢丝绳采用2 0 节点6 面体结构模型单元s o l i d l 8 6，整个模型共计单元约3 2 万个。对单元的纵横比、翘曲度、雅可比等网格质量指标进行检查，均符合保证计算结果可靠性的要求。选定修正的时间硬化蠕变模型，根据实际材料属性设置材料参数。计算最终获得的有限元网格模型见图5 b)。融图5 钢丝绳-导向轮的有限元离散模型2 2 边界条件根据导向轮实际的受力和约束情况确定边界条件。导向轮内环与导向轮轴接触、外环与钢丝绳接触，因此，钢丝绳一端固定，另一端加载；导向轮轴定义刚体导向节点，设置全自由度约束。为防止有限元计算的数值迭代误差导致平移，人为约束导向轮内环上一节点的周向和轴向自由度。由玻璃升降器蠕变试验标准确定钢丝绳另一端的载荷，取1 3 5 倍的电机堵转力，并考虑钢丝绳传递效率，得钢丝绳的载荷为4 3 5N。求解设置中，第1 载荷步为接触分析，根据试算可知约2 0 个子步可完成收敛计算。求解计算完成后，存取最后一步计算结果，将其代入第2 载荷步进行蠕变分析，采用可变时间步长方式，迭代求解3 0个子步完成8 0 0h 蠕变计算。3 计算结果及分析通过建立蠕变有限元模型，计算获得导向轮在考虑绳轮接触时蠕变的形变、受力情况和不考虑绳轮接触的蠕变特性。提取导向轮在蠕变8 0 0h 后，及1 8 0 0h 中的几个时间点的变形量，应力应变分布，并对比两种蠕变情况下的应力应变。取导向轮有限元模型的关键部位1 5 个节点，编号见图6。a)总示意图b)局部示意图图6 选取导向轮节点示意图3 1 导向轮形变分析考虑绳轮接触，对比蠕变初期，蠕变末期的位移云图和各点的位移变化曲线，分析导向轮蠕变的位移特性。3 1 1 位移云图保证玻璃升降器正常工作，关键是钢丝绳和导向轮的接触配合不发生较大偏移，甚至脱落。因此，分析绳轮接触区域的形变，在O 2 0 3m m 之间，见图7 a)。在图7 b)中所示的局部柱面坐标系下读取3、7 和8 关键点位移，见表1。a)总位移h J x 径向位移图7 蠕变8 0 0h 后位移云图表1 关键点位移值由于几何图元网格划分存在尖角，绳轮不能形成绝对平滑接触，进而引起局部节点接触不紧密，使得中心区域3 点和8 点径向位移较小，分别为0 0 7 2m m 和0 0 5 2m m。观察到中心区域附近接触紧密，7 点径向位移和总位移分别为0 1 0 9m m 和O 2 4 7m m。根据试验测量结果，绳轮接触区域内缘处最大形变量不超过0 3m m，计算位移与试验位移误差较小，接触区域内缘节点位移变化计算结果与试验结果吻合良好，验证仿真计算结果较为可信。3 1 2 位移变化曲线l 点在x 向(径向)、y 向(周向)、z 向(轴向)的位移随时间增大而增大，这是蠕变固有的力学行为。其中y 向和z 向位移变化缓慢，分别保持在0 1 4 0m m 和0 0 0 3 硼左右，见图8 a)。由此认定绳轮接触中心区万方数据域在周向和轴向受力均匀，没有出现明显偏差。一，-簖搭jje。9ae。8。b 呐吣eeee 自一一要O，3埝O 2格蹈Ol0+x 向位移+，向位移一z 向位移一总位移图8 导向轮各点的位移时间曲线I l 点+1 2 点一1 3 点一1 4 点+1 5 点由于导向轮内圈往外圈过渡区域中，厚度有所减少。图8 b)，明显反映出从l l 点到1 5 点的总位移依次增大，蠕变8 0 0h 后其位移分别为0 1 0 2m m o 1 6 9m m；0 2 1 9m m，0 2 9 8m m，O 3 3 1m m。故认定蠕变过程中，往内径方向上，总位移依次增大。3 2 导向轮应力应变分析由于网格划分和数值计算中刚度矩阵的不稳定性，形成奇异点，引起应力突变，致使最大应力应变位于绳轮接触区域中心部位的奇异点处，见图9 a)，9 b)。时间ha)6 1 0 点应力一时间图9 导向轮应力应变云图由于蠕变松弛1 1，节点的等效应力随时间增大而逐渐减少。分析导向轮与钢丝绳配合区域的应力应变，蠕变8 0 0h 后，绳轮配合区域外沿6 点、9 点和1 0 点等效应力分别下降到1M P a、1 2M P a 和4M P a；内沿7 点和8 点等效应力较大，分别下降到1 8M P a 和2 2M P a，见图1 0 a)。故认定绳轮配合区域，内沿应力较大，外沿应力较小。另一方面，随着等效应力逐渐松弛减小，决定了弹性应变减小，见图1 0 b)，7 点弹性等效应变从蠕变初期O 0 0 89 降低到蠕变8 0 0h 后0 0 0 75；蠕变等效应变显著增大，蠕变8 0 0h 后为0 0 l，使得总应变亦呈增大趋势。时间hb)7 点应变一时间图1 0 应力应变变化曲线取总应变为弹性等效应变与蠕变等效应变之和。对比图1 0 c)，可知在绳轮配合区域，内沿8 点竺警蠕变应变最大，为o 0 1 7；外沿6 点等效蠕变应搴警小，仅o 0 0 08。从内沿到外沿，等效蠕变应变依次减小。3 3 考虑接触和不考虑接触对比分析假定导向轮在蠕变过程中受力面积始终是初始接触面积，其接触受力不随形变而变化；内圈的节点约束情况不随形变而变化。不考虑导向轮与钢丝绳的接触、导向轮与导向轮轴的接触。对导向轮蠕一一图1 l 简化的导向轮蠕变有限元模型制型珀时间，hc J6 一J O 点应变一时间吣一黛万方数据9 2 8机械科学与技术第3 3 卷癸卜一毯；岛蒂而磊2 乒葡再斋与矛丽鬲寺蠢嗣时间ha)9 点的应力对比。弹性应变(不考虑接触)。蠕变应变(不考虑接触)$总应变(不考虑接触)x 弹性应变(考虑接触)总应变考虑接触)-蠕变应变(考虑接触)2 3 01 0 02(X)3 幔)4 0 05 0 06 0 07()o8 0 0。时I 堕尘 4 b)l 点的应变对比。图1 2 考虑接触和不考虑接触应力应变对比曲线选择修正的时间硬化蠕变本构模型，该模型描述蠕变阶段有较大的蠕变应变率。见图1 2 b)，考虑接触时，1 点的弹性应变从0 0 1 4 下降到0 0 1 0，蠕变应变增大至0 0 1 6，总应变增大到0 0 2 6。不考虑接触时，1 点的弹性应变从0 0 0 4 下降到0 0 0 3，蠕变应变增大至0 0 3 0，总应变增大到0 0 3 3。对比可知：在考虑接触情况下的蠕变应变率处于较大值；而不考虑接触情况时，蠕变中，后期的蠕变应变率几乎趋于0，此变化趋势与理论的蠕变时间曲线不甚吻合。故认定，考虑接触时的计算分析结果更为可靠。4 结论1)对导向轮塑料件，采用修正的时间硬化模型能够较为准确的描述蠕变特性：绳轮接触区域由于蠕变产生最大位移为0 2 4 7m m，对比试验获得结果O 3m m 误差较小，模拟计算结果与试验结果吻合良好；蠕变松弛使等效应力在蠕变过程中，呈减小趋势；蠕变固有的力学行为决定蠕变等效应变有较大变化，从O 增大至O 0 l。2)考虑绳轮接触问题，使导向轮分析模型更接近实际情况，由此计算获得等效应力曲线松弛明显，绳轮接触区域内壁等效应力减小2 7 6M P a；蠕变等效应变保持较大的蠕变应变率。考虑接触所得蠕变特性曲线与理论曲线更为贴近，更为可信。参考文献 1 雷航，胡绪腾，宋迎东G H l 8 8 合金蠕变本构模型研究和应用 J 机械科学与技术，2 0 l l，3 0(1 0)：1 6 2 3 1 6 2 6 5 6 7 8 9 1 0 1 1 L e iH，H uxT，S o n gYD s t u d ya n d 印p l i c a t i o no fc r e e pc o n s t i t u t i v em o d e lo fG H l8 8s u p e r a l l o y J M e c h 舳i c a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yf o rA e r o s p a c eE n 百n e e d n g，2 0 1 1，3 0(1 0)：1 6 2 3-1 6 2 6(i nC h i n e s e)杨慧娴，刘迪，李荣勋，等H D P E 蠕变行为的研究 J 塑料，2 0 0 4，3 3(4)：9 6 9 9Y 锄gHx，L i uD，“Rx，出口Lc r e e pb e h a v i o ro f h i g I ld e n s i t y 酬y e t I l y l e n e J P l 鹪t i c，2 0 0 4，3 3(4)：9 6 9 9(i nC h i n e s e)陈碧波聚四氟乙烯蠕变性能研究 D 西安：西北工业大学，2 0 0 7c h e nBB s t u d yo nt h ec r e 6 pp n)p e r t i e so fP T F E D X i a n：N o 咄w e s t e mP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y，2 0 0 7(i nC h i n e s e)A j i tR a n a d e，K 踮i n a t hN a y a I【，D e b o mF a i r b m t h e r，e t以M a l e a t e da n dn o n-m a l e a t e dp o l y e t l y l e n e-m o n t m o r i U o n i t el a y e r e ds i l i c a t eb l o w nf i l m s：c r e e p，d i s 畔i o na n dc r y s t a l l i n i t y J P o l y m e r，2 0 0 5，4 6(1 8)：7 3 2 3-7 3 3 3毛雪平，刘宗德，杨昆，等基于时间硬化理论的蠕变损伤计算模型 J 机械强度，2 0 0 4，2 6(1)：1 0 5 1 0 8M XP，U uZD，Y 粕gK，e 越C r e e pd a 删弹c a l c u l a t i o nm o d e lb a s e do nt i m e h a r d e nt h e r o y J J o u m a lo fM e c h a I l i c a lS t r e n g【l l，2 0 0 4，2 6(1)：1 0 5-1 0 8(i nC h i n e s e)M a l d i n iM，A n g e U aG，L u p i n cV A n a l y s i so fc r e e pc u r v e so fal l i c k e lb a s es u p e ra l l o yi naw i d es t r e s s t e m p e 豫t u r er a n g e J M a t e r i a l ss c i e n c ea n dE n 画n e 甜n g，2 0 0 7，4 6 2(1 2)：4 3 6-4 4 0穆霞英蠕变力学 M 西安交通大学出版社，1 9 9 0M uxY c r e e pm e c h a n i c s M x i 锄J i a o t o n gU n i v e r s i t yP r e s s，1 9 9 0(i nC h i n e s e)黄硕，曾元松，黄遐2 3 2 4 铝合金蠕变时效成形有限元分析 J 塑性工程学报，2 0 0 9，1 6(4)：1 2 9-1 3 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c eE n 舀n e e r i n g，2 0 0 r 7，2 6(1 2)：1 5 2 4 1 5 2 8(i nC h i n e s e)万方数据