TKF V.Havlí ek, 3.1.2007

Výpo ty životnosti karoserieve ŠkodaAuto

TKF V.Havlí ek, 3.1.2007

• Automobily Škoda musí spl ovat stejné požadavkyna životnost jako ostatní automobily v koncernuVW.

• Konstrukce musí vydržet bez poruchy p edepsanýpo et kilometr na zkušební trati, p edepsaný po etotvírání a zavírání dve í. Ov ována je i životnosthák pro zav šování zavazadel, st ešního nosi e, …

• Vozy škoda se typicky vyzna ují pátými dve mi p es celou zá , což vyžaduje dostate nédimenzování karoserie v zadní ásti a asto p ináší únavové problémy.

• Sportovní varianty RS jsou krom siln jšího motoru vybaveny tužším nastavením podvozku, kterépak vnáší do karoserie v tší síly.

Požadavky na životnost voz Škoda

TKF V.Havlí ek, 3.1.2007

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

• Životnost voz je tradi n ov ována nazkušebních polygonech aelektrohydraulických simulátorech vozovky.

• Díky zkracování vývojových cykl nelze vývoj konstrukce automobilu podporovat pouzezkouškami a je nutné používat výpo tové metody ov ování životnosti.

• Výpo etní metody jsou zárove používány pro optimalizaci s cílem minimalizace hmotnosti apo tu svar p i zachování dostate né životnosti.

Ov ování životnosti

TKF V.Havlí ek, 3.1.2007

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– Vstup zatížení jako asová historie více zat žovacích

kanál– Rainflow– Multiaxiální kritéria únavového poškození

FEMFAT – program pro výpo et životnosti

TKF V.Havlí ek, 3.1.2007

Jednoduchá metodika analýzy nosné ásti karoserie1) Výpo et napjatosti holé karoserie p i statickém torzním zatížení- Torze je nejagresivn jší zp sob zatížení pro nosnou konstrukci, na n kolikaprojektech ov ena dobrá korelace mezi výpo tem s torzním zatížením a zkouškou sreálným zatížením od vozovky

- Model holé karoserie pro analýzu tuhosti s hrubou sítí (15 mm)

2) VyhodnoceníNa plechových dílech kontrolováno redukované nap tí HMH,p i p ekro ení meze stanovené podle zkušeností provedenaanalýza FEMFATem na modelu s jemn jší sítí.

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

Bodové svary hodnoceny na základ p enášenýchsil programem vytvo eným ve ŠkodaAuto, který bylvytvo en podle únavových zkoušek vzork a zahrnujevliv orientace p sobící síly ve svaru a tlouš kusva ovaných plech

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 tuzjišt no nap tí, nebo na místech s poruchami u p edchozích voz

q Velikost element 2,5 mm

q Bodové svary modelovány pomocí o ekse standardní sítí.

Vyhodnocení nap tí ve FEMFATu

Pro výpo et bodových svar použita k ivkaodlad ná podle zkoušek vzork

Pro výpo et životnosti v míst geometrickýchvrub je únavová k ivka základního materiálukorigována podle gradientu nap tí

Tuhá o ka

Podb h zadního kola

Mezikruží prohodnoceníživotnostibodového svaru

TKF V.Havlí ek, 3.1.2007

Simulace ty kanálového hydraulického stendu

Sou ástí vývoje je únavová zkouška vozu naty kanálovém elektrohydraulickém stendu.

Zatížení od vozovky je simulováno svislýmpohybem podložek pod koly.

S pomocí program ADAMS, NASTRAN a FEMFAT je možnézkoušku 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

asová historie silp sobících od podvozku

na karoserii

F

ADAMS/CarSimulace kompletního vozu naty kanálovém hydraulického stendu

FEMFAT

NASTRANVýpo et jednotkových p ípadzatížení od podvozku na ustrojenékaroserii

Rozložení nap tí vjednotkových p ípadech

Simulace ty kanálového hydraulického stendu

Výpo et asové historiecelkové napjatosti

Výpo et únavovéhopoškození pomocímultiaxiálního vyhodnocení

I p es zanedbání nevýznamnýchsil z stává stále 39 kanál !!!

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 J. Škoda, V. Havlí ek 3.1.2007

Fx

Zatížení:§ utažení šroub§ statická síla Fx

§ Kritické oblasti podmaticemi modeloványsolidov

102 791 solid element13 893 shell element10 426 GAP element

§ Velikost solid element :1,5 x 0,5 mm, 4 elementyna tlouš ku

Uchycení zadní nápravy Roomsteru

VÝPO TOVÝ MODEL

TKF J. Škoda, V. Havlí ek 3.1.2007

VÝPO ET POŠKOZENÍ FEMFAT- 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

konec svaruokraj segmentu p iva enímatice k výzt. podélníku

vnit ní radiushorní strana výztuhy,vnit ní povrch radiusu

pod hranou maticespodní strana výztuhy navn jším matice

okraj díryspodní strana výztuhy,okraj díry pro šroub

Uchycení zadní nápravy Roomsteru

SLEDOVANÁ MÍSTA POŠKOZENÍna solid elementech výztuhy podélníku

0,01290,0246okraj díry

0,01190,015konec svaru

0,0005970,00102vnit ní radius

0,00410,0070pod hranou mat.

VAR 4VÝCHOZÍPOŠKOZENÍ

VÝCHOZÍ VAR 4

TKF J.Kuba, V.Havlí ek 3.1.2007

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

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 rychlení25rad/s2

Výpo et životnosti bo ních dve í p i otvírání a zavírání

TKF J.Kuba, V.Havlí ek 3.1.2007

Otvírání bo ních dve í – hodnocení bodových svar

1) Nalezení potenciáln problémovýchbodových svar (prvky Fastener) dle velikostínormálových a te ných sil(Fn > 200N or Ft > 1000N)

Výztuhy záv suna A sloupku

Výztuhy záv suna dve ích

Nap tí Von Mises na bod. svaru

2) P esí ováníproblémových svaro kami s mezikružím

FEM Bodového svaru

MPC beam

1mm beam

3) Hodnocení nap tíHMH na mezikružíFEMFATem

Únavové k ivky bodových svar

10

100

1000

10000

1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 1,E+08

Po et cykl do poru chy [1]

0 1530 4560 7590

TKF J.Kuba, V.Havlí ek 3.1.2007

Horní výztuha záv su - dve e

216MPa

202MPa

192MPa

• Na únavové k ivce hladkého vzorku(Kt=1) odpovídá st ednímu životu1000000 cykl rozkmit nap tí 440MPa.

• Maxima nap tí na dve ích jsoudosahována na hranách kontaktzávitových desek s plechem. Hodnotynap tí jsou velmi citlivé na rádiusuhrany závitové desky a lícování díl .Neznalost t chto parametr vede knejistot ve výpo tu životnosti dve í.

• Protože maxima nap tí dosahujímaximáln poloviny mezní hodnotyrozkmitu pro požadovanou životnost, jekonstrukce považována za vyhovující.

Otvírání bo ních dve í – hodnocení vrub

TKF J.Kuba, V.Havlí ek 3.1.2007

Rozložení redukovaného nap tí HMH na nejvíce zatížených ástech

• Výpo ty životnosti karoserie v odd lení FEM výpo t ŠkodaAutopoužívány od roku 1995.

• Používané metody výpo t se neustále vyvíjí díky rostoucí výpo etníkapacit , možnostem používaného softwaru a znalostem omechanizm poškozování

• Simulace ty kanálového zkušebního stendu s podrobným modelemustrojené karoserie je mnohem blíže únavovému poškozováníautomobilu 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

Vývoj metodiky výpo tu životnosti