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2013-08-07 by:CAE/FEA技術推廣中心 來源:仿真在線
ANSYS對零部件設計中的解決方案
1、 發(fā)動機機體
發(fā)動機機體同時承受高著熱負荷和機械負荷工作,本質(zhì)上是多物理場偶合工作體,ANSYS 多物理場分析的功能為發(fā)動機的分析提供了完整的解決方案。
ADAPCO 公司用ANSYS 詳盡地進行了某V6發(fā)動機機體的熱分析、結構分析、動力分析和熱-結構耦合分析(圖13,14)。對產(chǎn)品開發(fā)作用特別明確。
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圖13 V6 發(fā)動機實物
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圖14 發(fā)動機整體模型
1.1 柄連桿機構運動件
活塞、曲柄連桿等運動件是高熱/機械負荷部件,因為往復運動,其質(zhì)量對整個發(fā)動機性能非常重要。ANSYS 分析熱和機械載荷下的形狀及應力為設計提供依據(jù)。
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圖15 曲柄連桿機構的柔體運動學、動力學分析
連桿強度向來是發(fā)動機設計關鍵,ANSYS 柔體-柔體接觸計算功能可以準確模擬連桿與大頭蓋、主銷、曲柄銷間聯(lián)合工作狀況。這是ANSYS 系統(tǒng)分析功能和強大的接觸功能體現(xiàn)。
ANSYS 曲軸結構分析和模態(tài)分析功能計算出曲軸扭轉與彎曲模態(tài),通過頻率優(yōu)化達到減震效果。ANSYS 的疲勞計算功能,精確的計算曲軸傳統(tǒng)疲勞強度,同時還可計算出曲軸的強度因子,從而預測疲勞裂紋的產(chǎn)生及疲勞壽命。應用ANSYS 對曲軸軸頸及油膜進行流-固耦合分析評價高曲軸的耐磨性。
曲軸連桿機構運動件的重量優(yōu)化設計,不僅是節(jié)省材料及發(fā)動機重量降低,運動件質(zhì)量對改善發(fā)動機整體的工作狀況特別有效,ANSYS 形狀優(yōu)化的功能可以對活塞內(nèi)腔、活塞銷孔、連桿形狀、曲軸圓角和曲柄臂尺寸進行優(yōu)化設計。
1.2 機體:
缸蓋、箱體、缸套
機體、缸蓋的熱分析特別重要,熱疲勞是失效和“拉缸”主要原因,為保證可靠性與耐久性,應用ANSYS分析機械和熱負荷下的剛度、強度是設計師的首選。ANSYS 可準確地計算出機體的自振頻率及模態(tài)。以控制噪聲源。此外ANSYS 可模擬機體的熱沖擊實驗、熱-結構耦合分析可計算出機械負載、熱負荷雙重作用下機體的變形,應力分布。流體-結構偶合分析軸承油膜狀態(tài)進行潤滑系設計等等。
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圖16 缸蓋、箱體分析
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圖17 廣州柴油機公司利用ANSYS 熱分析功能模
擬某型號發(fā)動機機體熱沖擊實驗,根據(jù)分析結果改進結構,效果明確。
1.3 氣機構:
進排氣門、氣門彈簧、搖臂、推桿、挺桿、凸輪軸、正時齒輪
配氣機構影響發(fā)動機性能,要求進行精確計算。ANSYS 系統(tǒng)分析能夠考慮配氣機構中各個部件的彈性變形,從而取得比剛體假定更精確凸輪-氣門規(guī)律。
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圖18 大連機車車輛廠利用ANSYS 結構分析
找到了構搖臂座裂紋發(fā)生的原因。提出改進方法。
氣門彈簧承受高頻交變載荷,伴隨著多氣門設計的發(fā)展趨勢,彈簧尺寸限制更大, ANSYS非線性瞬態(tài)動力分析及疲勞分析的功能,可較好地解決非線性變節(jié)距彈簧高應力破壞及疲勞損壞問題。排氣閥受高速沖擊載荷、受高溫燃氣沖刷,ANSYS 熱-結構耦合分析可仿真,熱疲勞分析預測可靠性都是十分有效。
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圖19 進氣螺旋圖
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圖20 消聲器熱分析圖
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圖21 增壓器渦輪分析
配氣機構分析中存在著大量的接觸問題,ANSYS 高級接觸單元、接觸向導、智能化接觸參數(shù)設置的功能引導設計工程師方便、有效、快速地進行配氣機構的非線性分析,解除了計算者非線性參數(shù)選取試湊的苦惱,大大加速了分析進度。
1.4 進排氣系:
空氣濾清器、進排氣道、增壓器、消聲器
進排氣系統(tǒng)的設計關系到結構-熱-流體-聲的綜合作用,是典型的多物理場問題。ANSYS 計算流體動力學可計算氣道的流場分布、壓力分布、溫度分布、湍流動能、湍流耗散率,得到氣道幾何形狀對進氣效率的影響,;通過ANSYS 獨一無二的流場優(yōu)化功能,可使發(fā)動機由于進排氣阻力而造成的功率損失減至最低。
進排氣系是汽車噪聲的重要噪聲源,ANSYS 聲場分析和聲場優(yōu)化可求解出聲壓分布及分貝級別,通過對消聲器的聲-流體-結構耦合的優(yōu)化仿真,可大大降低排氣噪聲、減小排氣阻力。增壓器渦輪有輪-軸過盈配合、超高速旋轉、和葉片振動等嚴格的工作條件,ANSYS 協(xié)助用戶完美解決了工程中提出的多項技術問題。
1.5 燃油供給系:
油箱、油泵、高壓油管
燃油噴射和進氣螺旋關系到燃燒充分和排放,ANSYS 流體動力學分析及優(yōu)化功能允許設計師在物理樣機制造之前考查多種氣道方案得到最優(yōu)設計。
國家已經(jīng)禁止化油器車銷售,電噴技術普遍應用,通過電控實現(xiàn)智能燃油供給,提高功率和控制排放,ANSYS 多物理場仿真技術可模擬電噴過程的“電-磁-結構多場耦合”的工作狀況,為電噴系統(tǒng)的設計提供了從性能評價到結構設計的完整解決方案。
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圖22 散熱片流-固耦合分析圖 圖23 散熱器模態(tài)分析
1.6 冷卻系:
冷卻系設計焦點是結構、空氣、水、油和熱的流動和傳遞過程,分析項目主要是計算流體力學和偶合分析。ANSYS 分析得到冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動、溫度分布、與結構壁面的對流換熱系數(shù)等,從而為冷卻系的設計提供參數(shù)。
2、 傳動系:
變速箱、離合器、萬向節(jié)、主減速器、差速器、半軸、液力偶合器與液力變速器等傳動系承擔功率傳遞功能,部件在隨機高載荷條件下工作,強度震動問題始終是主要矛盾。以主傳動螺旋傘齒輪為例,過去FEM 分析只能針對嚙合過程的一個狀態(tài)分析,現(xiàn)在ANSYS 可以在嚙合運動全過程中分析齒輪對的強度、剛度響應。因為分析對象可以包含齒輪軸和軸承座,這就可能發(fā)現(xiàn)因為齒輪軸或軸承座剛度不足而造成螺旋傘齒輪對碎齒問題(圖24)。
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圖24 齒輪滾動接觸分析
高檔汽車采用液力變速器是靠流體在泵輪、導向輪和渦輪間液體耦合的相互作用工作的。ANSYS 流體和非線性流-固耦合的分析功能,可預測其工作性能與可靠性。
傳動軸系統(tǒng)的扭轉振動是產(chǎn)品設計關鍵,ANSYS 模態(tài)分析可準確的預測其自振頻率及振型,指導設計。
萬向節(jié)密封套在大變形條件下工作,設計上壽命至少要求達到一個大修期。韓國大成公司采用ANSYS 軟件對封套進行損傷壽命及密封性能預測,得出了不同的軸交叉角與應力關系曲線,完好地解決了密封套的壽命設計問題。圖25 26 。
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圖25 圖26
3、 承載和行駛系:
車身車架、車橋、輪胎、懸掛(前后橋、鋼板彈簧、減振器)
汽車承載和行駛系是高負荷安全結構,可靠性特別重要,所以強度分析地位特別突出。ANSYS 全面多樣單元庫和多種分析功能及強大的前后處理能力的能力為承載系和行駛系的分析提供了完整、方便的解決方案。采用ANSYS 進行非線性柔體運動學、動力學仿真和優(yōu)化設計,可將設計水平推上一個新的層次。
車架和車身結構,基本是由梁組件焊接(鉚接)而成,分析中常應使用梁單元模型。ANSYS 有梁斷面幾何參數(shù)生成和記憶單元的斷面形狀功能、按真實斷面形狀顯示梁單元,后處理中能在斷面上顯示應力結果、按工程習慣繪制彎矩圖等極大方便了梁系模型應用。
現(xiàn)代車身車架的設計應充分考慮碰撞過程的能量吸收能力,以提高汽車的被動安全性。ANSYS 的沖擊碰撞模擬功能及非線性屈曲的分析功能,是車身車架吸能件設計、剛度分配設計的標準軟件。
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圖27 雙層客車計算模型用梁單元模擬骨架 圖28 車架全殼體單元分析模型
在車輪的設計中,車輪的輪轂、輪輞和輪胎的非線性分析是十分關鍵的。采用ANSYS的復合材料多層實體單元技術在保證輪胎求解同等精度的同時計算成本大幅度下降。
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圖29 ANSYS 車輪模型。
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圖30 采用ANSYS
分析發(fā)現(xiàn)潛在問題,根據(jù)計算結果調(diào)整了一些幾何參數(shù),使其滿足了強度及疲勞壽命條件。完成了某子午線輪胎的三維非線性計算,取得了與地面接觸狀態(tài)下,各層材料的應力分布。
懸架的設計中,ANSYS 的柔體運動學、動力學仿真比以往的剛體假設計算更加真實地反應了懸架的動力特性;ANSYS 非線性優(yōu)化設計的功能,可方便地設計出符合非線性力-位移曲線的懸掛彈簧;流場計算、流-固耦合分析可保證液壓式減振器的可靠性。
別克轎車彈簧是變線徑、變節(jié)距、變節(jié)圓半徑、下端套有塑料的復雜結構,代表了當前最先進、最復雜的彈簧設計。中國彈簧廠在設計該彈簧過程中,為達到非線性的力-位移曲線,利用ANSYS 進行優(yōu)化設計,一個月內(nèi)就設計出了符合要求的彈簧。圖32 圖33。
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圖31 后懸架的柔體動力學分析 圖32 前懸掛彈簧圖 33 應力分布
4、 轉向系與制動系:
動力轉向設計中,ANSYS 的流體分析可計算出管路中流經(jīng)各閥門、油罐、油泵等處的油液流量、壓力,流-固耦合分析可計算出動力油缸活塞的運動及應力,從而保證轉向特性。
制動是一個重要噪聲源,制動器本身的振動也影響其工作的可靠性與穩(wěn)定性,ANSYS 的矩陣單元和約束方程的手段,允許添加阻尼和方程約束,從而方便地建立更符合實際的制動器摩擦耦合模型,進行模態(tài)分析可對制動器的尖叫傾向進行估評,從而抑制制動噪聲。
清華大學用ANSYS 建立了制動器摩擦耦合模型,研究得出摩擦耦合系數(shù)對制動尖叫趨勢的影響以及抑制、消除尖叫的解決方法。圖34 為制動器有限元模型,圖35 為制動盤變形。
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圖34 圖35 圖36 流體流跡
5、 座椅、儀表板總成
座椅設計不單是舒適性,相關的安全性標準規(guī)定了座椅對乘員保護的嚴格要求,座椅大變形計算成為常規(guī)的分析;采用ANSYS 非線性計算功能,進行碰撞過程中座椅靠背和頭枕對乘員保護性能進行評判,已通過相應標準。
清華大學用ANSYS 軟件對座椅進行非線性大變形計算,與試驗結果的對比發(fā)現(xiàn),計算與試驗間的誤差只有2.8%。
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圖37 計算位移與試驗結果的對比
6、 汽車電子、電器
現(xiàn)代汽車已從單一的機械產(chǎn)品變?yōu)闄C電產(chǎn)品,ABS、電子噴射、微機電系統(tǒng)已占到相當?shù)谋壤?。ANSYS 多物理場仿真的能力,在汽車汽車電子、電氣領域有廣泛的應用。
柏林工業(yè)大學利用ANSYS 開發(fā)測量內(nèi)燃汽缸壓力的微機電傳感器,圖38 為封裝好的薄膜電阻傳感器芯片的熱應力分布。
Colibri Pro Development AB 公司利用ANSYS 開發(fā)MEMS 陀螺,用于高級汽車的懸掛控制傳感器及自動駕駛導航系統(tǒng)。圖39 是陀螺壓電梁在共振時的電壓分布以及結構中4 微米寬接頭處的應力集中。接頭的設計通過優(yōu)化,保證了足夠彈性。
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圖38
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圖39
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