基于MIDAS MeshFree的汽车前端框架分析

1、前言

mdias MeshFree，功能强大，而且操作简单，不仅适用于单品分析，同时也适用于总成研究分析。以下是基于某项目前端框架，通过MeshFree、通用有限元软件及实验三者对比研究。

2、模型说明

图1 前端框架结构

图1所示包括前端框架本体、锁扣金属嵌件、防撞梁及实验工装等。

由于前端框架与工装为螺钉紧固连接，工装固定在地面上，工装刚性无限大，因此，可以将与工装螺钉连接处固定约束，共计12处约束，如图2所示：

 图2 导入MeshFree中的前端框架模型

此项目前端框架分析的工况如下：

  1、锁扣﹢Z向刚度：常温下，在锁扣受力点处沿+Z方向施加600N载荷；

  2、锁扣+X向刚度：常温下，在锁扣受力点处沿+X方向施加150N载荷；

  3、散热器安装点刚度：常温下，在散热器安装孔分别沿-Z方向施加350N载荷；

  4、锁扣强度（极限拉力）：常温下，在锁扣固定区域沿+Z方向施加4000N载荷。

由于MeshFree软件中自带的材料库没有PP+LGF30，因此，需要添加该材料属性，此时需要注意单位，最后对框架本体赋予属性，其余金属环境件赋予STEEL属性。

说明：由于PP+LGF30含长玻纤，需考虑不同玻纤取向下的材料物性（可采用MDA进行联合仿真），但是MeshFree中没有相关功能，因此，采用各向同性进行分析，材料参数选择玻纤45°方向进行（经验值）。

接着，对螺钉孔连接部位进行连接（刚性连接），前防撞梁钣金件支架创建焊接接触。

最后建立约束，创建载荷。

2.1、锁扣+Z向刚度（MeshFree+实验结果）

锁扣+Z向刚度工况如图3所示：

图3 锁扣+Z向刚度工况载荷及约束图

分析控制中默认内存运行分析（即使用内存2GB），锁扣+Z向刚度工况结果如图4所示：

图4 锁扣+Z向刚度工况变形云图

由图4可以看出，锁扣+Z向刚度工况Z方向最大变形量=1.043mm。

  实验结果如图5所示：

图5 锁扣±Z向刚度工况实验结果

由图5可以看出，锁扣+Z向刚度工况实验结果为：+Z方向最大变形量=1.735mm（平均值）。

  由此可见，锁扣+Z向刚度工况，MeshFree同比实验结果低39.9%。

  误差原因分析，从材料、接触、边界条件到载荷工况逐一检查，均没有发现问题，最后考虑到MeshFree中的网格为默认的，而网格大小直接影响刚度结果，网格越粗，刚度越低。而MeshFree中使用内存越小，网格越粗。基于此方向，

采用内存分别为20GB、50GB、100GB进行再次分析（我的电脑内存为128GB），分析结果如图6所示：

图6不同运行内存下锁扣+Z向刚度工况变形云图

不同内存下，锁扣+Z向刚度工况，Z向最大变形量、CPU运行总时间三者之间的关系如图7所示：

图7 运行内存、Z向最大变形量及CPU运行总时间图

  由图7可以看出，当内存从50GB以上继续增大时，Z向最大变形量从1.556mm增至1.564mm，仅增加0.008mm，因此，选择运行内存为50GB是可以满足精度要求的，同时，运行内存越大，CPU运行总时间越长。

因此，后续工况采用运行内存为50GB进行分析，锁扣+Z向刚度工况，Z向最大变形量为1.556mm，同比实验结果低8.3%，可以接受。

2.2、锁扣+X向刚度（MeshFree+实验结果）

锁扣+X向刚度，MeshFree与实验结果如图8所示：

图8 锁扣+X向刚度，X向变形云图，MeshFree分析与实验结果

2.3、散热器安装点刚度（MeshFree+实验结果）

散热器安装点刚度，MeshFree与实验结果如图9所示：

图9 散热器安装点刚度，Z向变形云图，MeshFree分析与实验结果

由图9可以看出，散热器安装点刚度，MeshFree中Z向测量点变形量为0.732mm，实验结果X向最大变形量均值为0.80mm，同比实验结果低8.5%。

2.4、锁扣强度（极限拉力）（MeshFree+实验结果）

锁扣强度（极限拉力），MeshFree与实验结果如图10所示：

图10锁扣强度（极限拉力），VON MISES应力云图，MeshFree分析与实验结果

由图10可以看出，锁扣强度（极限拉力），前端框架本体最大应力出现在螺钉连接孔处，孔为拉铆螺母连接，该位置不会出现断裂，但是两侧拐角处，其应力值137.6MPa，超过材料拉伸强度75MPa，有断裂的风险。实验结果也在两侧拐角处出现断裂，因此，MeshFree分析与实验结果一致。

  2.5、通用有限元软件分析

基于此，MeshFree为无网格划分，为了对比分析验证，采用通用有限元软件，对该项目采用有网格分析，其分析结果如下所示：

 锁扣﹢Z向刚度

锁扣﹢X向刚度

散热器安装点刚度

锁扣强度（极限拉力）

MeshFree软件中没有裂纹扩展模式，在通用有限元软件中采用裂纹扩展，锁扣强度（极限拉力）工况采用断裂模式，仿真分析与实验结果一致。

3、总结

 3.1、刚度

3.2、强度

通过以上分析可知，MeshFree、通用有限元软与实验结果一致，均出现断裂，且断裂的位置相同，裂纹扩展也相同。

3.3、MeshFree总结

MeshFree运行内存为50G以上时，其分析结果与实验或者是通用有限元软件分析结果接近，运行内存在50GB以下时，其分析结果呈抛物线增长。

MeshFree从导入模型到得到分析结果，大概需要1个小时，工况越多，分析时间越长，但是可以多台电脑同时运行分析，可节约大量时间。而通用有限元分析软件从网格划分到计算出结果需要2~3天时间（还是熟练的情况下），由此可见，对于此类型分析（刚度、强度），MeshFree的优势非常明显。

（特别感谢-原文作者：孙正峰）