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大弯曲载荷作用下方向盘骨架非线性变形特性的仿真研究

王承

百利得安全气囊国际贸易（上海）有限公司

摘要：针对某方向盘骨架在静态弯曲大载荷作用下仿真与试验结果相比误差较大的情况，进行了仿真与试

验结果的对比分析，通过引入后屈曲分析模拟方向盘骨架在大载荷作用下的几何非线性变形，同时

对分析模型的网格阶次及材料塑性参数进行了调整，对该方向盘分析模型的非线性参数设置进行了

调整，改进了分析流程，最终仿真与分析结果有了较好的匹配。

关键词：几何非线性后屈曲方向盘骨架

前言：

某方向盘骨架在进行静态弯曲加载试验后，试验结果表明在小载荷作用下（300N）样

件的位移变形结果与先前进行仿真得到的结果匹配较好，而在大载荷（600N）作用下试验

与仿真结果相差较大。试验及仿真结果汇总如表1所示，试验结果如图1所示。

表1.方向盘骨架静态弯曲试验及仿真结果汇总表

300NStaticBending600NStaticBending

设计要求

最大变形A1≤20.0mm

最大永久变形A2≤2.0mm

最大变形B1≤35.0mm

最大永久变形B2≤6.0mm

测试结果A1=10.1mm

A2=0.0mm

B1=26.5mm

B2=3.0mm

分析结果A1=10.3mm

A2=0.0mm

B1=20.5mm

B2=0.21mm

图1600N弯曲载荷作用下试验结果图2考虑加载设备影响后的仿真分析结果

根据表1可知，虽然最终产品已满足设计要求，但在600N弯曲载荷作用下的最大变形

量B1、尤其是最大永久变形量B2的分析结果与试验结果相比误差较大，有必要改进分析

方法，以更好的匹配试验结果，也有利于指导今后的设计分析工作。

1.根据试验结果对仿真分析进行的初步改进

由试验结果可知：在载荷较小（300N）时，最大变形量A1及最大永久变形量A2的仿

真值与试验结果匹配较好，表明有限元网格模型及模型弹性材料的设置较佳，很好的表征了

模型在线弹性变形阶段的物理特性；而在载荷较大（600N）时，试件发生塑性变形后，最

大变形及最大永久变形的仿真值与试验结果匹配较差，表明有限元模型的非线性属性设置，

如与材料非线性及几何非线性的相关参数设置没有体现出物理样件在非线性变形阶段的物

理特性，仿真设置必须进行调整以提高仿真结果精度。

1.1改进分析一

原仿真分析中未考虑几何非线性特性，在改进仿真分析中增加该分析选项并重新进行仿

真，但分析结果表明：方向盘骨架最大变形量改变为21.6mm，变形量增加约1.1mm，而卸

除载荷后的最大永久变形量没有变化，仍为0.21mm。

1.2改进分析二

为了考察加载试验设备对仿真结果的影响，建立加载设备模型，将加载设备定义为刚体，

约束除弯曲加载方向位移的其他自由度，并将载荷施加在刚体上，通过定义刚体与方向盘骨

架接触，将弯曲载荷传递到方向盘骨架上。该模拟方式与原先将载荷直接施加在方向盘骨架

上更能真实模拟试验的加载过程。仿真分析结果如图2所示，分析结果表明该改进方案与原

先的分析结果基本相当，表明对于该弯曲工况的仿真分析，加载设备对仿真结果精度没有影

响，为节省分析时间，载荷可直接施加在方向盘骨架上。

2.根据试验结果对分析模型的非线性特性进行改进

根据前面的仿真分析可知，简单的改进分析，如增加几何非线性选项、模拟真实加载

工况，并不足以真实反映该方向盘骨架的非线性物理特性。必须找出能有效体现真实样件非

线性变形的相应仿真分析参数设置，下面从几何非线性、材料非线性及单元阶次等方面分别

进行讨论。

2.1改进分析模型的几何非线性计算方法

由试验及仿真结果可知，在300N弯曲载荷作用下，试件基本为100%的弹性变形，弹

性变形量为10.1mm；在600N弯曲载荷作用下，总变形量为26.5mm，由于塑性变形占总变

形量的比重较小，可以认为总变形量中材料弹塑性的变形量约为2×10.1=20.2mm，其余为

材料几何非线性产生的变形量，即在大载荷作用下试件的几何非线性变形量约为6.3mm，

超过总变形量的20%。要准确再现试验结果，必须首先准确模拟试件在大载荷作用下的几

何非线性变形特性。

对于方向盘骨架的轮辐，其结构为“U”形薄壁开口截面的曲梁，虽然只受到弯曲载荷作用，但在轮辐上产生弯扭耦合的应力，在载荷较大时，有发生较大程度的几何非线性变形、

导致结构不稳定、甚至屈曲的趋势[1]。

较大的几何非线性变形可以看做是在大载荷作用下结构变形不稳定或趋于产生不稳定的趋势，或者结构的几何或材料存在初始缺陷，导致整体结构在大载荷作用下产生额外的位

移[2]。通常在结构设计阶段，