CAE在汽車開發中的應用與實施

2013-07-17 by:廣州Abaqus培訓中心來源:仿真在線

CAE在汽車開發中的應用與實施

一、引言

CAE在汽車等機械產品的開發中應用非常廣泛。如采用有限法(FEM)計算機械零件的應力和變形進行強度和剛度分析;采用多體動力學方法進行汽車整車的操縱穩定性和行駛平順性的動態仿真分析;采用有限元法進行汽車碰撞分析;采用有限元法和邊界方法(BEM)分析汽車的噪聲等等。可以說,CAE在汽車產品開發過程中所發揮的作用已經無法被取代。

CAE在汽車產品開發過程中的作用集中體現在三方面:

1.CAE極大地縮短了產品的研制周期,在建模和分析過程中采用實體造型和參數化,模型和參數的修改都很方便,最終確定合理的結構參數所需時間得到大幅度的縮短。

2.減少了開發費用。相對于道路試驗和室內臺架試驗而言,利用CAE分析汽車整車及零部件的各種性能所需要的費用大幅減少。

3.有利于通過優化等手段開發出性能更為優越的汽車整車和零部件。譬如通過優化車架和車身的結構參數減輕整車重量;通過優化行走系和轉向系的參數提高整車的操縱穩定性和行駛平順性等。

當然,從實際應用的角度來說,汽車CAE作用的發揮還依賴于兩個重要前提。其一是對CAE技術的熟練掌握,另一個是要提供最基本的實驗數據和相關數據庫。這里所指的基本實驗數據,是指像輪胎特性數據、道路特性數據、各種材料的力學特性等。所謂相關數據庫是指企業在產品設計和開發過程中不斷積累的、能夠提供結構形式和主要參數(包括價格、外協情況等)的數據庫。除此之外,要更好地實施CAE并發揮其作用,必需與CAD/CAPP/CAM、優化技術等結合起來加以綜合運用。

本文主要介紹CAE在汽車產品開發中的應用及具體實施,并對CAE與CAD、CAPP、CAM和優化技術的關系加以探討。

二、CAE在汽車產品開發中的應用

CAE在汽車產品開發中的應用范圍非常廣泛。這里就幾個主要方面的應用加以介紹。

1.結構強度和剛度的分析

有限元法在機械結構強度和剛度分析方面因具有較高的計算精度而到普遍采用,特別是在材料應力應變的線性范圍內更是如此。另外,當考慮機械應力與熱應力的偶合時,像ANSYS、NASTRAN等大型軟件都提供了極為方便的分析手段。

(1)車架和車身的強度和剛度分析

車架和車身是汽車中結構和受力都較復雜的部件,對于全承載式的客車車身更是如此。車架和車身有限元分析的目的在于提高其承載能力和抗變形能力、減輕其自身重量并節省材料。另外,就整個汽車而言,當車架和車身重量減輕后,整車重量也隨之降低,從而改善整車的動力性和經濟性等性能。

(2)齒輪的彎曲應力和接觸應力分析

齒輪是汽車發動機和傳動系中普遍采用的傳動零件。通過對齒輪齒根彎曲應力和齒面接觸應力的分析,優化齒輪結構參數,提高齒輪的承載載力和使用壽命。

(3)發動機零件的應力分析

以發動機的缸蓋為例,其工作工程中不僅受到氣缸內高壓氣體的作用,還會產生復雜的熱應力。缸蓋開裂事件時有發生。如果僅采用在開裂處局部加強的辦法加以改進,無法從根本上解決問題。有限元法提供了解決這一問題的根本途徑。

2.汽車被動安全性方面的應用

安全、環保和節能是汽車面臨的三大熱點問題。如何提高車身的抗碰撞能力是汽車被動安全性中需要解決的問題之一。利用有限元法進行汽車碰撞過程的模擬計算,涉及到大變形等非線性問題,不同于一般的有限元分析。由于模擬計算可以節省昂貴的實車碰撞試驗經費,且在設計階段模擬分析是唯一的分析手段,國內、外汽車公司普遍采用這一方法。ANSYS軟件中的LSDYNA模塊常被用來進行汽車碰撞過程的模擬分析。

3.汽車動力學仿真分析

采用多體(剛體和柔體)動力學分析方法進行汽車動力學仿真,可在研究階段預測整車的動力學性能,對這些性能進行優化,以達到提高產品性能、縮短開發時間、減少開發費用的目的。

以整車的操縱穩定性為例,由于影響因素涉及到輪胎、懸架、轉向等多個方面,簡單的計算難以得到合理的結論,哪怕是定性的結論往往也不可靠。為此,已開發出多種機械動力學仿真軟件。值得一提的是美國MDI公司的ADAMS軟件,被廣泛用來進行汽車操縱穩定性、汽車行駛平順性的動態仿真。ADAMS中的TIRE模塊提供若干種輪胎模型供分析時選用,以準確地建立輪胎的動力學模型。ADAMS中的CAR模塊是專為汽車動力學仿真而設計的,使用十分方便。國內已有多家汽車公司利用該軟件進行了貨車、轎車、汽車列車和大客車的動力學仿真分析,并取得了較好的效果。

三、CAE的具體實施和軟件介紹

CAE作為一種分析手段,即可單獨實施,又可與其他CAX一起使用。譬如有限元分析軟件,一般都提供了相應的前、后處理模塊,即可單獨使用,又可與CAD軟件集成使用。下面對有限元分析和機械動力學仿真的實施過程和軟件作一簡單介紹。

1.汽車零件有限元分析過程和有限元軟件

可以列出幾十種有限元分析商用軟件。這里僅介紹在汽車零件結構分析中使用最為廣泛的IDEAS、ANSYS和NASTRAN。

SDRC公司的IDEAS軟件是包括CAD、CAE、CAPP/CAM、PDM等在內的集成軟件。實體建模、網絡劃分、載荷和約束的施加、求解和后處理可由該軟件的不同模塊來完成。

ANSYS公司的ANSYS軟件是專門的有限元分析軟件,前、后處理和求解也都可由該軟件完成。MSC公司的NASTRAN有限元軟件有專門的前、后處理軟件PATRAN。其分析過程與IDEAS、ANSYS等大同小異。

CAE在汽車開發中的應用與實施cfd流體分析圖片1
圖1由proe建模并劃分網格的十字軸模型

以上說明各公司的有限元軟件都能獨立完成有限元分析任務。當然,上述各種軟件還提供了與多種CAD軟件的接口。一般來說,有限元軟件的建模功能不如專門的CAD軟件強大。只有將他們結合起來使用才能更好地發揮各自的功能。筆者在分析汽車傳動裝置零件十字軸的彎曲強度時,采取的路線是:先由proe建立十字軸的幾何模型并完成網絡劃分,并以ANSYS文件格式.ans輸出模型,然后由ANSYS讀入該模型并完成后續分析。圖1為由proe建模并劃分網格的十字軸模型。當然,ANSYS也可直接讀入proe的.prt文件,網格劃分及有限元分析的后續任務都由ANSYS完成。

幾乎所有的CAD軟件都可輸出IGES格式的幾何模型文件,但該格式中只包含線和面的信息,而沒有體的信息,而且IGES格式文件中會丟掉部分信息甚至產生錯誤幾何信息。以下介紹一種解決該問題的方法:

(1)用UGS公司的CAD/CAM軟件UG讀入待轉換的IGES格式文件。
(2)在UG中修改模型,并用縫合(即Sewing)命令將零件的所有面縫合在一起,從而生成實體模型。
(3)將實體模型存成UG格式的.prt文件。
(4)用NASTRAN的前處理軟件PATRAN讀入UG生成的.prt文件,將得到有限元分析所需的實體模型。
(5)由PATRAN和NASTRAN完成有限元分析的其他工作。

2.機械動力學仿真軟件在汽車中的應用

與有限元分析軟件一樣,機械動力學仿真分析軟件既可單獨使用,也可與其他CAX軟件集成使用。在汽車動力學仿真中使用較多的軟件是ADAMS和DADDS。以ADAMS為例,介紹機械動力學仿真分析的步驟。

當采用ADAMS軟件單獨進行分析時,可用其AVIEW模塊建立待分析的多體模型,然后用其SOLVER模塊求解。然而,為了使仿真分析得以更加順利地進行,常常采用多種軟件協同工作。以下是將機械動力學仿真軟件與CAD、FEM集成使用的一些好處:
(1)采用CAD軟件建模更加方便、準確,生成的圖形更加逼真,動態仿真效果更好。
(2)從準確的CAD模型中可更方便地得到準確的質量參數,即零件的質量、質心位置、慣性矩等。
(3)機械動力學仿真軟件建立柔體模型的功能非常有限,而利用有限元分析軟件的生成的MNF(模態中性文件)可輸入到機械動力學仿真軟件中生成的準確的柔體模型。
(4)盡管機械動力學軟件能夠確定零件間的相互動力關系和作用力,但不能分析零件的應力,只能借助有限元分析軟件來完成。

四、CAE與其他CAX的集成

CAE在汽車開發中的應用與實施cfd分析案例圖片2
圖2CAE與CAD集成的流程圖

從以上的分析知道,要想更好地完成CAE任務,將CAE軟件與其他的CAX集成使用會獲得更好的效果。作為一個例子,首先由CAD軟件生成幾何模型,按.IGES格式或其他格式將模型輸出,然后由有限元軟件和機械動力學軟件分別讀入幾何模型。有限元軟件根據CAD軟件生成的幾何模型和機械動力學軟件計算得到的結點力完成應力、應變和模態分析并輸出分析結果。機械動力學軟件所需要的模型分成兩種類型:剛體模型從CAD軟件獲得;柔體模型從有限元軟件獲得(.MNF格式文件)。另外,如果某些零件的模型由機械動力學軟件自己生成,根據需要可從CAD軟件得到質量參數。機械動力學仿真分析除了輸出最終結果外,還可輸出零件的運動關系和結點力供有限元分析之用。

再舉一個汽車變速器CAD/CAM系統的實例。該系統由CAD幾何建模、參數優化設計、有限元分析、CAPP/CAM組成。CAD軟件采用proe,由它完成幾何建模并生成模型特征文件。參數優化設計模塊讀入模型特征文件,對變速器的結構參數和性能參數進行優化。優化過程中,調用有限元軟件ANSYS計算零件的強度和剛度。優化后的模型返回到proe,并由它完成CAPP/CAM任務。

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