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2013-06-18 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
隨著汽車制造技術與汽車市場的發展,汽車制造向規模化和經濟化方向發展,越來越多的車輛設計超越了現行有關規范的規定,需要利用有限元直接計算的手段來評估車輛安全性。這類計算有的選用國內自主開發的軟件,有的采用各汽車制造公司的結構計算軟件。MSC 公司的系列軟件在我國汽車結構計算中占據著非常廣泛的市場。然而,直接應用這一類通用有限元軟件分析車輛結構需要較高的有限元技巧和較長建模時間,這種方式不能滿足現實車輛設計制造的要求,也不具備處理突發事件的能力。在采用有限元法研究某公司生產的車橋工程問題時,對同一類型不同幾何尺寸的車橋,需要采用不同的有限元模型,建模的工作量很大,考慮到車橋的類型相對穩定,拓撲結構沒有發生重大改變,這樣建模與分析過程中有許多重復性的工作,耗費大量寶貴的時間。為解決這個問題,采用Visual C++ 、PCL 語言結合會話文件對MSC. Patran 進行二次開發,同時采用UG 進行參數化建模,使得開發的功能模塊實現了結構建模與分析的參數化,且具有齊全的前、后處理功能。
1 Patran 與PCL 語言的功能特點
Patran 運行時,所有的操作都會記錄在會話文件(session file,. ses 文件)中,系統默認為pantran. ses. 01每次啟動時版本編號自動遞增。也可以將一段時間的操作記錄在某個指定的會話文件中。會話文件中記錄的操作可以通過回放的形式重做,里面也可以嵌入變量、函數定義等PCL 程序段,會話文件的這個功能為開發PCL 程序提供了方便,通過修改會話文件使建模過程程序化,工作效率能夠得到較大的提高。此外,日志文件(journal file,. jou 文件)中會保存整個模型數據庫db文件的建模過程,利用它也可以重建模型數據庫。
PCL(patran command language)語言的語法類似C語言,它提供一般高級語言所有的大部分數據類型。PCL 命令語言是集成于MSC. Patran 中的一個高級化、模塊化結構的全功能計算機編程語言和用戶自定義工具,可以讓用戶在MSC. Patran 軟件系統中集成自編開發的分析程序或特定的圖形界面。為了利用MSC.Patran 的前后處理功能,MSC 提供了一系列的PCL 函數,用來從MSC. Patran 的數據庫中讀取數據并生成計算時所需的數據輸入文件,以及將結果文件的數據寫入MSC. Patran 的數據庫中,供MSC. Patran 進行前后處理。開發用戶界面的目的是為了將這些自編譯的函數集中起來,通過直觀的圖形界面進行交互,方便使用。
從功能上說,PCL語言可以實現一般高級語言所能實現的大部分功能,同時它還提供與Fortran 和C 的訪問接口;另一方面,也由于PCL語言與MSC. Patran的緊密關系,應用PCL語言作為MSC. Patran 的開發工具是必然的選擇。應用PCL可以開發出界面漂亮、功能強大的應用程序。現在,幾乎所有的分析仿真軟件都采用PCL語言作為工具,建立了與Patran 的集成關系,有的也直接將Patran 作為分析系統的前后處理器。
2 應力計算分析
對車橋進行應力計算分析以保證其有足夠的強度和剛度,不同工況計算應力如下:
圖1 車橋受力示意圖
2.1 最大牽引力Pk = Pkmax工況
受力分析如圖1 所示。彎曲應力為:
式中:N1— 反作用力;L— 車輪到彈簧板距離;W — 橋殼抗彎斷 面模數;Ф—附著系數。
其扭矩應力т 為:
式中:rd— 車輪動力半徑,rd =
,Pk— 牽引力;Pf— 行使阻力,ML— 作用在車輪上扭矩;Wn— 橋殼扭轉面模數。
因此橋殼在最大牽引力Pkmax的工況下受到的彎扭復合應力σa為:
2.2 緊急制動工況
合成彎曲應力σ' 為:
式中:K— 橋殼上的重量分配系數;G— 靜載滿載時橋殼受到的載荷。扭應力т':
則緊急制動工況下復合應力:
2.3 凸凹不平路面行駛工況
在不平路面行駛時動載荷引起的垂直反力N3 (方向與圖1中的反力N1一致)達到最大時:
式中:K'— 動載荷系數,一般K' = 2 ~ 3。
則彎曲應力σc為:
以上三種工況下取最大應力:
應使σmax =[σ]。
上述傳統算法,只能算出某一斷面的應力平均值,而不能完全反映橋殼上應力及其分布的真實情況。因此,它僅用于橋殼強度的演算,或用作與其他車型的橋殼強度進行比較,而不能用于計算橋殼上某點(例如應力集中點)的真實應力值。使用有限元法對驅動橋殼進行強度分析,就可以得到比較詳細的應力與應變的分布情況,同時利用開發的軟件可實現模型的建立和后處理,對不同參數車橋可以通過軟件可以計算出其應力分布情況。
3 二次開發接口實現過程
對于某一類型車橋,一個模型的建模過程可能都要用到幾千條PCL 語句,如果整個建模過程都通過手工書寫代碼形式進行,是一項非常繁瑣費力的工作,容易出錯。Patran 的建模過程實際上是一組命令的執行過程,會話文件中就保存了這些命令。因此,可以將PCL 語言與會話文件結合起來。為了實現參數化,會話文件的編寫采用Patran 自動生成和手工編寫相結合的方式進行。首先手工在Patran 中建立模型,然后對保存下來的會話文件做必要的修改,在會話文件中增加變量聲明,必要的數據用變量替換,通過調用會話文件實現參數化建模,解決了建模中的重復操作。
下面以軟件中“ 網格劃分”功能按鈕對應的部分源代碼為例說明接口的實現方法和過程。在采用通用軟件如MSC. Patran 進行網格劃分時,需要確定網格類型、大小,劃分方法等一系列參數,使用過程中有許多技巧和經驗,一般需要在實際工程經過長期積累。由于本軟件的針對性,很多工作由程序在后臺運行,在模型成功導入后,用戶只需要點擊“網格劃分”出現如圖2所示對話框,并確定網格精度后單擊“開始劃分網格”按鈕,系統將對導入的橋殼本體幾何模型進行網格劃分創建有限元模型。網格劃分的部分源代碼如下.
4 PCL 應用開發實例
車橋總成由車橋主體、彈簧板、平衡架、軸端、法蘭盤和加強墊片等零件組成。其中車橋主體厚度、長度、直徑以及加強墊片厚度、彈簧板中心距等參數根據工程實際情況需要進行調整,而不同尺寸參數對應的加載應力情況不同,這種組合需要建立有限元模型有數十種之多。因此,參數變化后進行工程分析時的建模工作量很大。針對該問題,作者利用前面介紹的接口方法,開發了車橋CAE 分析系統,該系統主要由以下模塊組成:參數化建模并自動生成幾何模型( 在UG 中完成)、車橋工程分析、顯示分析結果等。
圖3 是軟件主界面。在該界面下,屏幕的上方是菜單欄和工具條,左面是所有車橋設計方案的樹形列表。在左邊的樹形列表中給出了方案的主要構成,包括:方案名稱、方案描述、設計原型和所用材料的名稱。如果在樹形列表中選中一個設計方案成為當前方案,則當前方案的名稱會出現在屏幕左上角的窗口標題欄中顯示。工具條是由最常使用的一些功能構成,按照使用的頻率依次排列。
下面介紹該軟件在工程實際中對車橋進行分析的過程和結果。使用本軟件進行車橋分析的流程為:首先生成幾何模型,此時軟件會自動調用UG 進行參數化設計,在界面上輸入相應參數尺寸就可以生成需要的幾何模型,同時將模型轉換成Patran 可以識別的. x-t 文件格式保存;然后,導入建立的幾何模型、網格劃分、模型材料屬性的確定、幾何模型的約束和加載;最后對模型進行分析生成結果視圖。如選擇界面上的“ 網格劃分”可以彈出如圖2 所示的對話框;選擇網格劃分中的“ 生成視圖”可以顯示建立的有限元模型。圖4 是程序運行后某車橋的有限元模型圖,圖5 是對應該幾何模型的應力分布云圖。
從圖中可以看出,由程序根據參數建立起來的有限元模型網格質量比較好。橋殼在實際載荷工況的作用下,總體結構的應力水平不高,但在車橋的圓弧和軸端區域應力大,應力變形的分布規律合理,與工程實際中車橋發生斷裂的位置相吻合,找出了該類型車橋的薄弱部位;在彈簧板處加了加強墊片后應力情況得到較好的改善,這些對于實際工程改進工作和優化設計起到了很好的指導作用。
5 結束語
應用PCL 語言結合Patran 會話文件,可以實現VC++ 與Patran 之間的無縫連接。利用這個接口實現的汽車車橋CAE軟件系統,一方面可以減少建模與分析過程中的重復勞動,提高工作效率,另一方面,用戶有了更多的時間用于建模,可以更準確地模擬實際結構。同時,此軟件是一個開放系統,可以在現有的數據庫的基礎上進行擴展,處理更多類型的車橋。
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