VÝVOJ ZADNÍCH HYBRIDNÍCH DVEŘÍ ŠKODA ROOMSTER DEVELOPMENT OF THE SKODA ROOMSTER REAR HYBRID DOOR J. Holata*, A. Potěšil*, P. Hasl* Anotace: Předmětem příspěvku je prezentace vlastního komplexního postupu a provedení numerické deformační analýzy a fyzikálního experimentu zadních dveří automobilu Škoda Roomster. Jednalo se o vývojový projekt firmy Cadence Innovation, s.r.o., ve které byly dveře navrženy a prototypově vyrobeny. První část příspěvku ukazuje postup tvorby konečněprvkového modelu hybridních dveří a následnou numerickou simulaci torzního zatížení. Druhá část příspěvku prezentuje provedení fyzikálního experimentu, který verifikuje výpočtem predikovanou torzní tuhost dveřní konstrukce. Cílem příspěvku je ukázat uspokojivou shodu mezi numerickými simulacemi a fyzikálním experimentem a také to, že konstrukční řešení hybridních dveří vyhovuje požadavkům zadání, je technologicky proveditelné a ekonomicky zdůvodnitelné. Annotation: Subject of this paper is presentation of individual complex method and numerical deformation analysis and physical experiment of Skoda Roomster car rear door. Described work was a research project of Cadence Innovation Ltd. where the door was designed and prototype was manufactured. First part of this paper focuses on creation of finite element computational model of hybrid door and following numerical simulation of torsional loading. In the second part experiment that verifies numerically predicated torsional stiffness of the rear door is carried out. The main aim of this paper is to show the agreement between numerical simulations and physical experiment and thus to prove that the structural solution of hybrid rear door meets submitted requirements, is technologically feasible and can be economically justified. * Ing. Jakub Holata: TU Liberec, Studentská 2, 461 17 Liberec 1, tel: +420 48 535 1111, e-mail: j.holata@lenam.cz, Doc. Ing. Antonín Potěšil, CSc.: LENAM, s.r.o., Klostermannova 690/15, 460 01 Liberec, tel: +420 485 222 369, fax: +420 485 222 399, e-mail: antonin.potesil@lenam.cz, Mgr. Paul Hasl: Cadence Innovation, s.r.o. - 1 -
1. Úvod Na úvod je vhodné uvést hlavní důvody, které vedly společnost Cadence Innovation, s.r.o. ve spolupráci se Škodou Auto, a.s. k vývoji hybridního (kombinace plastových a kovových dílů) modulu zadních dveří Škoda Roomster. Tradiční konstrukce zadních dveří tohoto vozu je z ocelového plechu. Tento typ výrobku splňuje všechny požadavky a z hlediska funkčnosti je naprosto vyhovující. Dnešním trendem v automobilovém průmyslu je náhrada kovových dílů plastovými, což je u řady světových výrobců vozidel standardem. Důvodem těchto inovačních snah je hlavně snížení hmotnosti, designová volnost, lepší užitné vlastnosti, energetické úspory atd. 2. Formulace problému, cílů a metoda řešení Abychom mohli zodpovědně přistoupit k náhradě původních, tj. plechových dveří dveřmi hybridními, musíme zajistit, aby byly splněny zákazníkovi požadavky a homologační předpisy. Mezi tyto požadavky patří vyhovět např. i tuhostním kritériím a to při různých zatěžovacích stavech. Z hlediska mechaniky jsou hybridní zadní dveře osobního vozidla složitá soustava, která se skládá z několika částí (výplň dveří, kovové nebo plastové výztuže, panty, zámek, sklo, lepidla atd.), které mají velmi odlišné materiálové vlastnosti. Z tohoto důvodu je ekonomicky a časově nemožné odladit experimentálně všechny tyto díly tak, aby splňovaly dané požadavky bez nasazení sofistikovaných metod. Navíc se zde naskýtá možnost nejrůznějších kombinací jednotlivých dílů mezi sebou, jejich rozměrů a materiálových parametrů. Hlavním problémem je tedy zjistit, při jakém konstrukčním uspořádání dílů dveřního modulu budou splněny bezpečnostní normy a zároveň bude zaručena technologická a ekonomická schopnost jej vyrobit. Zadáním bylo realizovat výpočtový model hybridních dveří s takovými vlastnostmi (materiál, geometrie, vazby, zatížení), který by simuloval torzní, resp. ohybové experimentální testy za účelem predikce tuhosti. Následně byla na tomto výpočtovém modelu provedena citlivostní analýza vlivu změn modulu pružnosti u vybraných komponent modelu dveří (plastová výztuž a vnitřní díl) na hodnoty posuvů ve vybraných místech, ze kterých se stanovuje tuhost sestavy dveří. Pro potřeby numerických simulací byl vytvořen objemový konečně-prvkový model dveřního modulu, analýza byla provedena prostřednictvím výpočtového systému ANSYS. 3. Tvorba výpočtového modelu V této části příspěvku bude představena metodika tvorby konečně-prvkového modelu jednotlivých segmentů dveří. Vizuální představení bude prezentováno pro jeden vybraný díl a to pro plastovou výztuž. Pro tvorbu geometrie výpočtového modelu byla využita vstupní data z CAD programu (obr. 1). Data dílů dveří byla převedena do formátu IGES. Konečněprvková síť byla vytvořena na polovině modelu v programu ANSA a až následně byla modifikována na celý model (obr. 2). Po vytvoření sítě byly postupně jednotlivé segmenty dveří importovány do sw VISUAL-MESH, kde proběhla kompletace modelu (obr. 4). Dále v tomto programu proběhla kontrola kolizí mezi díly a případná korekce. Poté byly jednotlivé objekty sestavy dveří převedeny do formátu cdb postupem zřejmým ze schématu na obr. 3 a - 2 -
následně importovány do nativního ANSYSu. Tím bylo sestavení výpočtového modelu dokončeno (obr. 4) a model byl připraven na zadání materiálových modelů, okrajových a zatěžovacích podmínek. Poznamenejme, že FEM síť byla tvořena elementy solid187 se středními uzly a obsahovala celkem 380 tisíc elementů a 720 tisíc uzlů. 4. Modely materiálu, vazeb a zatížení Modely materiálů: - Všechny jednotlivé komponenty zadních dveří mají předepsaný homogenní, izotropní, lineárně pružný model materiálu. Navzájem byly ovšem velmi odlišné (např. lepidlo vs. ocel), což v počátku způsobovalo špatnou konvergenci výpočtu a vyžádalo si tak jemné doladění kontaktu v místech vzájemného dotyku. Modely vazeb: - uchycení dveří v pantech o simulováno pomocí kontaktu, kdy je umístěn jeden uzel (tzv. pilotní uzel) na místo, kde se nachází skutečný otočný čep. Tento uzel je pomocí zmíněného kontaktu svázán s určitou skupinou uzlů (cílové uzly) na straně dveří (pant). Cílové uzly mají stejné stupně volnosti jako pilotní uzel. - uchycení v zámku dveří o simulováno obdobným způsobem jako uchycení dveří v pantech. Modely zatížení: - v případě typu zatížení A (výpočtová simulace oboustranné torze; obr. 5) je předepsána síla do uzlů odpovídající místu podpor dveří v zavřeném stavu. - v případě typu zatížení B (výpočtová simulace jednostranné torze; obr. 6) je předepsána síla také do uzlů odpovídající místu podpory dveří, jako v případě A, ale s tím rozdílem, že zde se síla předepsala pouze na jednu stranu. Druhá strana měla okrajovou podmínku nulového posunu ve směru působení původní síly. Jelikož je v této úloze větší množství dílů, které jsou ve vzájemné interakci, bylo potřeba zvýšené pozornosti při tvorbě a nastavení kontaktů mezi nimi. Všechny kontakty byly modelovány jako pevné slepené (tzv. bondované, bez vzájemného tření). Pro pevný kontakt se ukázal jako vhodný MPC algoritmus a tzv. pinball region, tj. oblast, ve které se kontakt realizuje. Posledním nastavením kontaktu byla volba Close gap and reduce penetration, která zaručovala uzavření případných nežádoucích vůlí a odstranění prolínání jednotlivých dílů v daném rozmezí. Pro všechna relevantní nastavení, včetně importu *inp, vygenerování *cdb, sestavení jednotlivých *cdb do kompletní sestavy a vytvoření vhodných komponent, bylo využito skriptovacího souboru napsaného v APDL. Tento postup se osvědčil později, kdy bylo nutné realizovat výměnu jednoho určitého dílu dveří za díl s modifikovanou geometrickou úpravou. Pomocí výše uvedených skriptů byla výměna dílů a nastavení okrajových podmínek realizována efektivně z hlediska časů potřebných na přípravu alternativních FEM modelů. - 3 -
5. Postprocessing Na vytvořeném a odladěném referenčním výpočtovém modelu (A01, B01) a modelu s materiálovými a geometrickými modifikacemi (A02-A04, B02-B04) byly realizovány požadované numerické simulace, které odpovídaly plánovaným fyzikálním experimentům. Jak již bylo zmíněno výše, sledovanou veličinou byla torzní tuhost hybridní konstrukce dveřního modulu. Ta byla stanovena z poměru mezi působícím silovým účinkem (torzním, resp. ohybovým momentem) v daném místě a posuvem v tomtéž místě a ve směru působení zatěžujících sil. Je zřejmé, že hodnoty stanovených tuhostí jsou funkcemi modulů pružnosti jednotlivých dílů. Tyto závislosti jsou uvedeny v grafech na obr. 6 a 9. 6. Fyzikální experiment Uspořádání fyzikálního experimentu pro jednotlivá torzní zatížení typu A je patrné z obr. 12. Zatěžování bylo realizováno gravitačně, přesnými závažími. Pro záznam dat z měřících řetězců byl použit Univerzální měřící systém firmy LENAM, s.r.o. jehož jádrem je měřicí karta National Instrument DAQCard-700. Vlastní měření a uložení naměřených dat bylo realizováno SW vybavením pracujícím v systému Labview National Instruments. Ke snímání posuvů ve vybraných lokálních místech byly použity indukční snímače výrobce HOTTINGER BALDWIN MESSTECHNIK GmbH řady WA vhodných dráhových rozsahů. Porovnání tuhostí výpočtem predikovaných a experimentálně stanovených je uveden v grafu na obr. 13. 7. Výsledky a závěr V příspěvku jsou prezentovány výsledky numerického modelování deformace zadních dveří Škoda Roomster a porovnání s realizovaným verifikačním fyzikálním experimentem. Na numerickém modelu hybridních dveří byla provedena citlivostní analýza vlivu materiálových a rozměrových parametrů u vybraných objektů dveří na hodnotu posuvu, resp. torzní tuhost. Tyto výsledky umožnily konstruktérům vyhodnotit všechna podstatná hlediska a navrhnout vyhovující konstrukci. 8. Poděkování Autoři příspěvku děkují firmám Cadence Innovation, s.r.o. a LENAM, s.r.o. za podporu a spolupráci při řešení shora uvedeného problému. - 4 -
9. Obrazová příloha Obr. 1 CAD model geometrie plastové výztuže vytvořený v sw Catia v5 Obr. 2 - FEM model vytvořený v softwaru ANSA Obr. 3 - Postup sestavení FEM výpočtového modelu jednotlivých dílů - 5 -
Obr. 4 - Kompletně sestavený výpočtový model zadních dveří Škoda Roomster Obr. 5 - Model vazeb a zatížení typ zatížení A Obr. 6 - Model vazeb a zatížení typ zatížení B - 6 -
Obr. 6 - Výsledky numerických simulací pro různé materiálové kombinace plastových dílů typ zatížení A Obr. 7 - Posuvy UX (směr působení zatěžující síly), var A02-7 -
Obr. 8 - Posuvy UX (směr působení zatěžující síly), var A02 Obr. 9 Výsledky numerických simulací pro různé materiálové kombinace plastových dílů typ zatížení B - 8 -
Obr. 10 - Posuvy UX (směr působení zatěžující síly), var B02 Obr. 11 Posuvy UX (směr působení zatěžující síly), var B02-9 -
Kladka Kalibrované závaží Kalibrované závaží Obr. 12 Uspořádání experimentu pro zatížení typu A Obr. 13 Porovnání výpočtem predikovaných a experimentálně stanovených tuhostí - 10 -