有限元分析 FEM ABAQUS CAE 电子油门踏板
1.1随着汽车工业和计算机技术的不断发展，在现代汽车上，汽车零部件的设计开发要求企业能够在保证更高质量、柔性和更低价格的前提下作出最快的响应。与计算机技术的有机集成，尤其是三维计算机辅助系统以及计算机辅助工程技术的应用，是当前产品设计开发过程的发展趋势。勿置疑，模拟仿真有助于改善产品质量及加速设计过程。计算机的模拟仿真缩短了产品开发的时间、节省了制造成本和资源，更有利于产品的创新，产品质量的提高。汽车电子油门踏板也不例外，汽车电子油门踏板的设计开发也需要计算机的模拟仿真。
1.2 油门踏板的发展历程
简单介绍了油门踏板的历史，从传统的汽车油门踏板到现在的汽车电子油门踏板。大家知道，操纵节气门开度就能控制可燃混合气的流量，改变发动机的转速和功率，以适应汽车行驶的需要。传统发动机节气门操纵机构是通过拉索(软钢丝)或者拉杆，一端联接油门踏板(加速踏板)，另一端联接节气门连动板而工作(如图 1.1)。但这种传统油门应用范畴受到限制并缺乏精确性，在日新月异的汽车电子技术发展形势下一种电子油门应运而生。
图1.1 汽车油门踏板示意图
与传统油门比较，电子油门明显的一点是可以用线束(导线)来代替拉索或者拉杆，在节气门那边装一只微型电动机，用电动机来驱动节气门开度。即所谓的“导线驾驶”，用导线代替了原来的机械传动机构。但这仅仅是电子油门表面的东西，它的实质和作用仅仅用连接代替方式来解析是远远不够的。电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU(电控单元)、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时监测油门踏板的位置。当监测到油门踏板高度位置有变化：会瞬间将此信息送往 ECU，ECU 对该信息和其它系统传来的数据信息进行运算处理，计算出一个控制信号，通过线路送到伺服电动机继电器，伺服电动机驱动节气门执行机构，数据总线则是负责系统ECU与其它ECU 之间的通讯。由于电子油门系统是通过ECU来调整节气门的，因此电子油门系统可以设置各种功能来改善驾驶的安全性和舒适性(如图1.2)。
图1.2 汽车电子油门踏板示意图
1.3 项目描述与问题提出
目前，汽车电子油门踏板已在许多汽车中配置了。因为它相对于机械式的油门踏板具有技术优势：高可靠性、高精度和随意的结构外形。根据主机厂的设计要求可确定连杆的具体几何尺寸。由于连杆的设计主要依赖于客户要求，因此有必要介绍一下的详细的设计要求。
l装配空间要求
每个主机厂都有自己本身的设计理念，从而产生了装配空间的限制也各不一样。对于汽车电子油门踏板来说，主要以下几个方面装配空间的限制：脚空间的限制、地板的限制、汽车侧壁的限制和刹车系统的限制等等(如图 1.3)。在这儿，装配空间的冲突必须加以避免。
l机械性能要求
出于安全性方面的考虑，连杆的强度必须符合要求。每样材料都具有本身的属性：许用应力和许用应变。当应力在某个特定的位置超过规定的应力值后，在该处出现裂纹等对安全不利因素的机会就会增加。也就是说，该处的应力不符合要求。
从客户所提供的装配空间、功能和强度要求设计连杆机构，由于这些要求的差异性，从而导致了连杆几何尺寸的多样性。本文以整个电子油门踏板为研究对象，叙述如何通过 ABAQUS进行CAE仿真，迅速设计符合客户外型及力学性能要求的产品模型。
Bremsensystem：刹车系统Boden：地板wand：汽车侧壁Fahrpedal：油门踏板
2 汽车电子油门踏板模型的有限元解析
2.1有限元模型描述及数模简化要点有限元模型(如图 2.1)：
图2.1 电子油门踏板有限元模型
数模简化要点
一般地，简化模型对于有限元运算来说具有优势，它能够降低结构离散化的难度和节约运算的时间。任何对于构件强度没有重要影响的元素应当不必在模型中保留。对于CATIA 模型的确立需要注意：先建立粗略、简化的模型结构；
l设计细节如倒圆、倒角等不要出现在有限元分析所用模型；
l设计细节(倒圆、倒角)应在仿真结果后添加。并且这些细节能够隐藏，也就是说，它们不以其他设计单元为参考；
l加强筋应作为“薄”空间元素加以设计。这样可使强度优化最简单；对于壳类设计单元在可能情况下使壁厚不同。凹槽应当通过材料截面建立设计单元。定义深度通过输入值或者限制曲面；
l避免带有自由曲面的构件。错误尺寸改动在离散化过程中几乎不可能；
l从外部导入的复制几何尺寸重新修改非常烦琐，最好避免；
l在装配零件中，零件可装配成单一的整体。对于任何零件来说，所使用的尺寸精度为0.01；
l避免小角度、缝隙、倒角和尖端突出。这些设计单元增加构件网格化的费用以及阻止构件的离散
l避免曲面或者倒角中带有的角度错误(例如：在草图中的非相切的过渡)；
l通过几何错误分析，尽可能排除 CATIA 模型中的错误。任何对于构件优化必需的信息应当全部包含在模型中：最大装配空间、确定的几何尺寸以及必要的自由空间：
l零件后续处理的接口(有限元分析的边界条件)；
l外载荷的位置和方向。
2.2 工况要求及边界条件
电子油门踏板属于底盘零部件，安装于防火墙上。从上述的有限元模型中可以看出，安装孔位为三个。
一般具有以下三个方面的要求：正向力、方向力以及侧向力。
从安装方式及受力情况不难理解电子油门踏板的边界条件。边界条件定义如图2.2：
图2.2 电子油门踏板的边界条件
2.3 材料特性及网格模型
网格模型如图 2.3：
图2.3 电子油门踏板的网格模型
材料参数：
3 仿真结果分析
图3.1 电子油门踏板的 Mises 应力云图
图3.2 壳体与壳体盖的应力及应变图
图3.3 油门踏板的变形图
上述应力应变分析情况是在施加正向力1200N通过 ABAQUS求解器所得到的。电子油门踏板出现的最大应力为 90MPa，小于该材料的破坏极限，满足强度性能要求。从变形图中可以找到电子油门踏板的变形情况:9.9mm.如果不能达到客户的要求，可以通过调整踏板臂的结构，满足更小的变形要求。
4 总结和展望
电子油门的设计问题不仅需要考虑装配空间要求，还要考虑强度要求。在这两方面的要求下，电子油门必须进行建模和模拟来达到要求。可是，电子油门结构比较复杂，如果没有进行计算机模拟，模具费用及开发时间会大大加大。为了解决这个问题，本文通过 ABAQUS进行模拟仿真，对仿真结果进行评价，对随后进行的电子油门踏板破坏力试验提供依据。
本论文主要完成以下方面的工作:
利用 CATIA V5 对汽车电子油门踏板的建模设计。提出对有限元分析有利的设计思路，能够减少有限元分析时间，并且设计的模型能够在后续修改中非常方便。
提出电子油门踏板有限元分析的配置参数，包括材料参数，边界条件，网格单元，网格密度，输出结果，载荷大小及方向等等，使其能再现电子油门踏板真实的物理性能，从而使连杆的模拟变得有意义。
电子油门踏板不仅要满足强度上的要求，而且要考虑通过疲劳试验后的变形情况。可以将疲劳试验的变形情况作为模拟的重点和方向。
资料来源：达索官方
