formát .

Výpo ty životnosti karoserie
ve ŠkodaAuto
TKF
V.Havlí ek, 3.1.2007
Požadavky na životnost voz Škoda
•
Automobily Škoda musí spl ovat stejné požadavky
na životnost jako ostatní automobily v koncernu
VW.
•
Konstrukce musí vydržet bez poruchy p edepsaný
po et kilometr na zkušební trati, p edepsaný po et
otvírání a zavírání dve í. Ov ována je i životnost
hák pro zav šování zavazadel, st ešního nosi e, …
•
Vozy škoda se typicky vyzna ují pátými dve mi p es celou zá , což vyžaduje dostate né
dimenzování karoserie v zadní ásti a asto p ináší únavové problémy.
•
Sportovní varianty RS jsou krom siln jšího motoru vybaveny tužším nastavením podvozku, které
pak vnáší do karoserie v tší síly.
TKF
V.Havlí ek, 3.1.2007
Ov ování životnosti
•
Životnost voz je tradi n ov ována na
zkušebních polygonech a
elektrohydraulických simulátorech vozovky.
•
Díky zkracování vývojových cykl nelze vývoj konstrukce automobilu podporovat pouze
zkouškami a je nutné používat výpo tové metody ov ování životnosti.
•
Výpo etní metody jsou zárove používány pro optimalizaci s cílem minimalizace hmotnosti a
po tu svar p i zachování dostate né životnosti.
Software pro analýzu životnosti
• Výpo et napjatosti - MSC/NASTRAN
• Výpo et životnosti na základ nap tí – FEMFAT
• Výpo et životnosti bodových svar na základ sil – vlastní programy ŠkodaAuto
TKF
V.Havlí ek, 3.1.2007
FEMFAT – program pro výpo et životnosti
Principy funkce:
•
•
•
Na ítání nap tí z výsledk FEM výpo tu
Databáze materiál , možné dopl ování
Vytvo ení lokálních únavových k ivek z k ivky materiálu
–
–
–
–
•
Korekce na gradient nap tí
Korekce na st ední nap tí, zahrnutí plasticity
Povrchová úprava
Pravd podobnost porušení
Možnost hodnocení pomocí r zných typ nap tí
(HMH, max. hlavní nap tí, kolmé nap tí ke kritické rovin , …)
•
Kumulace poškození – MINER
•
Moduly pro bodové a housenkové svary
•
Modul MAX pro výpo et vícekanálového zat žování
–
–
–
TKF
Vstup zatížení jako asová historie více zat žovacích
kanál
Rainflow
Multiaxiální kritéria únavového poškození
V.Havlí ek, 3.1.2007
Jednoduchá metodika analýzy nosné ásti karoserie
1) Výpo et napjatosti holé karoserie p i statickém torzním zatížení
- Torze je nejagresivn jší zp sob zatížení pro nosnou konstrukci, na n kolika
projektech ov ena dobrá korelace mezi výpo tem s torzním zatížením a zkouškou s
reálným zatížením od vozovky
- Model holé karoserie pro analýzu tuhosti s hrubou sítí (15 mm)
2) Vyhodnocení
Na plechových dílech kontrolováno redukované nap tí HMH,
p i p ekro ení meze stanovené podle zkušeností provedena
analýza FEMFATem na modelu s jemn jší sítí.
Bodové svary hodnoceny na základ p enášených
sil programem vytvo eným ve ŠkodaAuto, který byl
vytvo en podle únavových zkoušek vzork a zahrnuje
vliv orientace p sobící síly ve svaru a tlouš ku
sva ovaných plech
Výhody a nevýhody jednoduché metodiky
+ jednoduchý model, krátká doba výpo tu, snadná orientace ve výsledcích
- Zjednodušené zatížení, hrubá sí nemusí podchytit všechny koncentrátory nap tí
TKF
V.Havlí ek, 3.1.2007
Analýza na zjemn ném modelu
Jemný model je vytvá en pro místa na nichž byla p i základním výpo tu
zjišt no nap tí, nebo na místech s poruchami u p edchozích voz
q Velikost element 2,5 mm
Podb h zadního kola
q Bodové svary modelovány pomocí o ek
se standardní sítí.
Tuhá o ka
Mezikruží pro
hodnocení
životnosti
bodového svaru
Vyhodnocení nap tí ve FEMFATu
Pro výpo et bodových svar použita k ivka
odlad ná podle zkoušek vzork
Pro výpo et životnosti v míst geometrických
vrub je únavová k ivka základního materiálu
korigována podle gradientu nap tí
TKF
V.Havlí ek, 3.1.2007
Simulace ty kanálového hydraulického stendu
Sou ástí vývoje je únavová zkouška vozu na
ty kanálovém elektrohydraulickém stendu.
Zatížení od vozovky je simulováno svislým
pohybem podložek pod koly.
S pomocí program ADAMS, NASTRAN a FEMFAT je možné
zkoušku na ty kanálovém stendu simulovat.
Výhody a nevýhody
+ více odpovídá skute nému zatížení než torze
+ umož uje zahrnou vliv nastavení podvozku
- náro ná stavba model ustrojené karoserie a kompletního vozu
- dlouhé výpo etní asy
- náro né na „pochopení“ výsledk díky mnoha vliv m
TKF
V.Havlí ek, 3.1.2007
Simulace ty kanálového hydraulického stendu
ADAMS/Car
Simulace kompletního vozu na
ty kanálovém hydraulického stendu
asová historie sil
p sobících od podvozku
na karoserii
FEMFAT
Výpo et asové historie
celkové napjatosti
Výpo et únavového
poškození pomocí
multiaxiálního vyhodnocení
I p es zanedbání nevýznamných
sil z stává stále 39 kanál !!!
NASTRAN
Výpo et jednotkových p ípad
zatížení od podvozku na ustrojené
karoserii
Rozložení nap tí v
jednotkových p ípadech
F
TKF
V.Havlí ek, 3.1.2007
Uchycení zadní nápravy Roomsteru
P i zkoušce zjišt ny trhliny v uchycení zadní nápravy.
Cíl analýzy: nalezení úprav s vyhovující životností
TKF
V.Havlí ek, 3.1.2007
Uchycení zadní nápravy Roomsteru
VÝPO TOVÝ MODEL
Fx
Zatížení:
§ utažení šroub
§ statická síla F x
§ Kritické oblasti pod
maticemi modelovány
solidov
§ Velikost solid element :
1,5 x 0,5 mm, 4 elementy
na tlouš ku
102 791 solid element
13 893 shell element
10 426 GAP element
TKF
J. Škoda, V. Havlí ek 3.1.2007
Uchycení zadní nápravy Roomsteru
VÝPO ET POŠKOZENÍ FEMFAT
VÝCHOZÍ
VAR 4
- vstup ze statické nap ové analýzy NASTRANu
- materiál výztuhy podélníku St 34
- 1000 cykl , míjivé zat žování
- analýza poškození s plasticitou (Neuber)
- zahrnutí vlivu gradientu nap tí
SLEDOVANÁ MÍSTA POŠKOZENÍ
na solid elementech výztuhy podélníku
konec svaru
pod hranou matice
okraj segmentu p iva ení
matice k výzt. podélníku
spodní strana výztuhy na
vn jším matice
vnit ní radius
horní strana výztuhy,
vnit ní povrch radiusu
TKF
okraj díry
POŠKOZENÍ
VÝCHOZÍ
VAR 4
pod hranou mat.
0,0070
0,0041
vnit ní radius
0,00102
0,000597
konec svaru
0,015
0,0119
okraj díry
0,0246
0,0129
spodní strana výztuhy,
okraj díry pro šroub
J. Škoda, V. Havlí ek 3.1.2007
Výpo et životnosti bo ních dve í p i otvírání a zavírání
Cíl analýzy: ov ení životnosti dve í v po áte ní fázi vývoje
Požadavek na životnost: 100 000 cykl otev ení a zav ení bez poruchy
TKF
J.Kuba, V.Havlí ek 3.1.2007
Výpo et životnosti bo ních dve í p i otvírání a zavírání
• Výpo et napjatosti v ABAQUSu (umož uje zahrnutí kontakt )
• Model – dve e s ástí karoserie, otev ení o 66°
• Celá struktura dve í zatížena úhlovým zrychlením (») tak, aby v míst kliky bylo dle zkoušky
te né zrychlení 2,5g
(a = r * »)
P edpoklad: nejvíce poškozující je zastavení dve í o doraz p i otvírání
Úhlové rychlení
25rad/s2
TKF
J.Kuba, V.Havlí ek 3.1.2007
Otvírání bo ních dve í – hodnocení bodových svar
1) Nalezení potenciáln problémových
bodových svar (prvky Fastener) dle velikostí
normálových a te ných sil
(Fn > 200N or Ft > 1000N)
Výztuhy záv su
na A sloupku
FEM Bodového svaru
2) P esí ování
problémových svar
o kami s mezikružím
1mm
beam
Výztuhy záv su
na dve ích
MPC beam
Nap tí Von Mises na bod. svaru
3) Hodnocení nap tí
HMH na mezikruží
FEMFATem
Únavové k ivky bodových svar
10 000
0
30
60
90
10 00
15
45
75
10 0
10
1,E +01
1, E +02
1,E +03
1,E +04
1,E +05
1, E +06
1,E +07
1,E +08
P o et cykl do poru chy [1]
TKF
J.Kuba, V.Havlí ek 3.1.2007
Otvírání bo ních dve í – hodnocení vrub
Rozložení redukovaného nap tí HMH na nejvíce zatížených ástech
Horní výztuha záv su - dve e
• Na únavové k ivce hladkého vzorku
(Kt=1) odpovídá st ednímu životu
1000000 cykl rozkmit nap tí 440MPa.
216MPa
192MPa
202MPa
TKF
• Maxima nap tí na dve ích jsou
dosahována na hranách kontakt
závitových desek s plechem. Hodnoty
nap tí jsou velmi citlivé na rádiusu
hrany závitové desky a lícování díl .
Neznalost t chto parametr vede k
nejistot ve výpo tu životnosti dve í.
• Protože maxima nap tí dosahují
maximáln poloviny mezní hodnoty
rozkmitu pro požadovanou životnost, je
konstrukce považována za vyhovující.
J.Kuba, V.Havlí ek 3.1.2007
Vývoj metodiky výpo tu životnosti
• Výpo ty životnosti karoserie v odd lení FEM výpo t ŠkodaAuto
používány od roku 1995.
• Používané metody výpo t se neustále vyvíjí díky rostoucí výpo etní
kapacit , možnostem používaného softwaru a znalostem o
mechanizm poškozování
• Simulace ty kanálového zkušebního stendu s podrobným modelem
ustrojené karoserie je mnohem blíže únavovému poškozování
automobilu za jízdy než výpo et holé karoserie p i torzním zatížení.
• Výzvou do budoucnosti je pro nás zahrnutí dalších vliv :
- zten ení plech a zbytková pnutí z lisování díl
- tolerance p i montáži (lícování díl )
- podélné a bo ní zatížení (brzd ní, zatá ky)
TKF
V.Havlí ek 3.1.2007