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2013-07-01 by:廣州有限元中心 來源:仿真在線
摘要:本文概述了工程分析軟件ABAQUS在新產品開發中的應用及分析流程,同時,展示了ABAQUS軟件的一個應用示例---汽車遮陽板鏡盒的強度分析。最后,展望了工程分析在中國未來工業發展中的巨大前景。關鍵字: 工程分析, DFMEA, DOE, 分析流程, 多步驟分析, 非線性。
第一部分:ABAQUS在新產品開發中的應用及分析流程
1. ABAQUS在新產品開發中的應用
ABAQUS作為國際上最先進的通用大型有限元分析軟件,具有另人驚奇的模擬能力。它在分析復雜的固體力學和結構力學系統時所表現出的駕馭大型問題和非線性問題的能力,突顯其無可比擬的性能。ABAQUS的兩個主要的模塊:ABAQUS/STANDARD和ABAQUS/EXPLICIT幾乎可以模擬所有的固體力學和結構力學中的靜力學和動力學問題。ABAQUS/CAE可以很好地完成前處理和后處理流程。正是基于上述原因,ABAQUS在世界各國的機械、化工、土木、水利、電力、材料、冶金、航空、汽車和船舶等工業領域得到廣泛的應用。
ABAQUS作為優秀的工程分析軟件,在新產品開發中應的到充分的使用。作為汽車工業部門,新產品的開發大致分成這樣幾個階段:(1)概念開發階段,(2)設計階段,(3)設計驗證階段,(4)生產驗證階段,(5)投產階段。
一般來說,在(1)(2)(3)階段能夠較集中地應用工程分析,主要體現在以下幾方面:
(A) 在(1)階段,通過ABAQUS等有限元軟件對概念模型做初步的工程分析,支持概念開發。
(B) 在(2)階段,可依據相關法規或有關的產品工程標準做出設計驗證計劃(DVP)和設計失效模式分析(DFMEA),在這兩個文件中,可以形成工程分析的任務需求,為下一步的工程分析工作做前期輸入的準備,如:法規或標準中的試驗方法,相關材料數據的準備,分析方案的制定,進度計劃的形成以及人力資源的配備等。
(C) 在(3)階段,應用ABAQUS完成相關的工程分析,給出定量數據或定性的結論。定量的數據如:應力、應變、位移、固有頻率及模態等。這些數據和結論能夠給設計工程師一個很好的設計依據,以便在后繼的工作中完善設計。
在實際的開發過程中,工程分析工作不一定這樣“串行”在開發過程中,可能將工程分析工作與設計工作“并行”,如二者都在同步開發小組(SDT)之中,工程分析工程師與設計工程師進行交互式地工作。
另外,通過工程分析與實驗設計(DOE)進行有機結合,我們可以很好地進行優化設計,例如,在夾緊力一定的條件下,將U性彈簧夾片的底部彎角β與材料厚度T設為設計變量,利用ABAQUS進行分析優化,找出使用料最少的參數β與T;工程分析與設計失效模式分析(DFMEA)進行有效結合,可以幫助確定潛在的失效起因或機理,從而在設計中進行有效的控制。
可見,如能將工程分析很好地溶入開發過程的重要階段,對于保證產品的開發質量和縮短開發周期以及降低開發成本是至關重要的。
2. ABAQUS的分析流程
ABAQUS解決問題的范圍非常廣泛,它可以從簡單的線性分析到復雜的非線性分析,非線性問題涵蓋了材料非線性、幾何非線性以及邊界非線性。利用有限元求解任何工程力學問題,需要有清晰的分析流程,才能較好地模擬實際的情況。其實,ABAQUS/CAE已經給出了很好的分析流程,本文的流程是以ABAQUS/CAE為內核的工程分析管理方面的流程,它能幫助工程分析工程師高效地工作。以下為一基本的流程圖:
ABAQUS分析流程圖
1.問題的提出:
分析遮陽板鏡盒的打開過程中,轉軸頸部應力的變化,確認能否滿足設計要求。
2.模型處理:
根據產品的實際功能,將其轉化成如圖所示的形式:彈簧夾片和鏡盒本體。
依據裝配和使用情況,此問題可化成多步驟分析,即:STEP1:打開彈簧夾片;STEP2:彈簧夾片夾緊接觸部位;STEP3:將本體向下轉動90度。
3.材料: 彈簧夾片------彈簧鋼;鏡盒本體------ABS。
真實應力-應變表(注:材料數據已做處理,請勿引用)
由于這個問題具有較強的非線性,為使結果真實,將彈簧夾片和鏡盒本體的接觸區的單元細劃。STEP1中,接觸被去掉(*MODEL CHANGE, REMOVE, TYPE = CONTACT PAIR);STEP2中,接觸被加上(*MODEL CHANGE, ADD, TYPE = CONTACT PAIR);STEP3中,接觸仍然存在。
5.邊界條件的處理:
在STEP1中,可以只定義彈簧夾片下部的接點(DOF=1,6),將自由端取一排結點,通過結點位移方法使彈簧夾片打開(DOF3=-5);在STEP2中,將彈簧夾片卸載,即取消自由端結點的邊界條件(通過定義其它邊界條件時,令OP=NEW),讓其自由回彈,夾緊接觸部位。此時,附加合理約束來保證鏡盒本體平衡,在STEP3中再將它去掉;在STEP3中,在轉動點處向下加載位移(DOF3=65)來保證鏡盒本體向下饒轉軸轉動90度。
6.結果輸出要求: 輸出:應力、應變、位移,接觸力的時間曲線(用于判斷接觸的情況)
7.結果判斷準則:考慮到疲勞問題,要求一次操作時頸部應力不應超過15MPa。
8.前處理、求解及后處理: 用ABAQUS/CAE完成前后處理,用ABAQUS/Sandards來求解。
9.結果如下:
A:接觸反力曲線:
B:鏡盒本體應力云圖:
10.分析小結:
該模型雖然小,但它卻包含材料非線性、幾何非線性以及邊界條件非線性,這是一個較復雜的問題,但ABAQUS還是很好地解算出另人滿意的結果來。該算例應注意摩擦系數的合理使用。
總結:
前幾年,以ABAQUS軟件為代表的有限元軟件在中國一出現,就受到廣大工程師和學者的熱烈歡迎。這種現象是和中國經濟的發展和工業化進程是緊密相關的,中國還遠未達到工業現代化。“中國是未來的制造業大國,未來的中國急需大量的工程師,工程教育在中國前途不可限量”------美國工程教育協會(ASSE)這樣講道。這雖然講的是工程教育的問題,但我們從另一個角度進行思考,不難想象出工程分析在中國的遠大前景。相信ABAQUS能夠抓住這樣難得的歷史機遇,加快發展。
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