搜索汽車零部件有限元分析中的應(yīng)用
2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的日趨成熟,設(shè)計(jì)人員迫切需要一種能對(duì)所做的設(shè)計(jì)進(jìn)行快速、精確評(píng)價(jià)分析的工具,而不再僅僅依靠以往積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)去估計(jì)。Altair 公司HyperWorks 軟件正是這樣一個(gè)有效的工具。他能與常用的 CAD 軟件相集成,實(shí)現(xiàn)"設(shè)計(jì)-校核-再設(shè)計(jì)"的功能,可以輕松的直接從 CAD 軟件中讀取幾何文件,并將最終的仿真計(jì)算結(jié)果反饋到 CAD 幾何模型的設(shè)計(jì)中。同時(shí)由于有限元計(jì)算的高精度,可以減少試驗(yàn)次數(shù),大大降低產(chǎn)品開發(fā)成本,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。
本文通過兩個(gè)案例,闡述了如何利用 HyperWorks 軟件簡(jiǎn)化邊界條件及計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,并通過與理論解的對(duì)比,驗(yàn)證 HyperWorks 軟件在有限元計(jì)算方面的準(zhǔn)確性。
2 案例一:摩擦片從動(dòng)盤的強(qiáng)度計(jì)算
由于摩擦片的形狀比較特殊,九個(gè)葉片和內(nèi)部八根加強(qiáng)筋呈同心圓分布,本案例介紹了如何靈活使用簡(jiǎn)化方法劃分有限元網(wǎng)格及簡(jiǎn)化加載。摩擦片從動(dòng)盤的幾何模型如圖 1 所示。
2.1 摩擦片從動(dòng)盤有限元模型的建立
由上述圖 1 可見,摩擦片從動(dòng)盤的九個(gè)葉片和八根加強(qiáng)筋呈同心圓分布,因此在劃分此摩擦片從動(dòng)盤有限元模型時(shí)可以將劃分過程分成兩部分:內(nèi)圈加強(qiáng)筋部分和葉片部分,在接合部分進(jìn)行局部修改縫合。首先可以將內(nèi)圈幾何模型分成八部分,葉片分成九部分,分別選取其中的一片進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖 2 所示。再使用 HyperMesh 的旋轉(zhuǎn)功能 Rotate 劃分出整個(gè)網(wǎng)格,最后進(jìn)行局部縫合,這樣,整個(gè)摩擦片從動(dòng)盤的 2D 網(wǎng)格就完成了,繼續(xù)使用3D 中的拉伸功能,完整的三維網(wǎng)格就建立成功了,如圖 3 所示。
2.2 材料和邊界條件
該摩擦片從動(dòng)盤采用 QT450 制成,其材料參數(shù)如表 1 所示。
模型的強(qiáng)度不僅與模型的建立有關(guān),還和模型邊界條件的定義有密切關(guān)系。上述摩擦片在運(yùn)行過程中靠外圍的九個(gè)葉片的相互摩擦來(lái)其到制動(dòng)作用。但是從圖 3 我們可以看出,有限元模型中葉片的單元節(jié)點(diǎn)數(shù)目非常巨大,并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)受力方向都是沿著其切線方向,因此如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都按實(shí)際情況加載,將非常困難。因此我建議將每個(gè)葉片上的載荷進(jìn)行簡(jiǎn)化,分別在每個(gè)葉片的中部做一個(gè)剛性元,把葉片上所有節(jié)點(diǎn)約束到一起,再分別對(duì)每個(gè)葉片加載,從動(dòng)盤載荷及約束有限元模型如圖 4 所示。
2.3 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果
摩擦片從動(dòng)片采用 QT450-10 球墨鑄鐵制成,上下兩面均與主動(dòng)片摩擦,最大受到2500N·M 的扭矩作用。換算后,每個(gè)小片受到 844N 的摩擦力。其 Von Mises 應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D如圖 5 和圖 6 所示,強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表 2 所示。
2.4 摩擦片從動(dòng)盤計(jì)算結(jié)果分析
由上述計(jì)算結(jié)果可知:案例使用的簡(jiǎn)化方法加載方法對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果影響不大,仿真計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算值相差很小,只有 2.7%,由此可知,簡(jiǎn)化方法應(yīng)用得當(dāng),仿真計(jì)算結(jié)果非常準(zhǔn)確。
3 案例二:某發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼及傳動(dòng)系剛度和模態(tài)分析
發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪殼是發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)重要的組成部分,它的剛度直接影響到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能。同時(shí)傳動(dòng)系作為一個(gè)大總成,在試驗(yàn)中很難測(cè)得其模態(tài),而借助于有限元技術(shù)很容易計(jì)算其固有模態(tài)。本文介紹了通過在飛輪殼圓心處加集中力矩和在每個(gè)受力位置分別加載外力的兩種方法計(jì)算飛輪殼的剛度,并對(duì)比計(jì)算結(jié)果,同時(shí)通過用HyperWorks 求解飛輪殼及傳動(dòng)系的剛度,來(lái)展示仿真分析在復(fù)雜結(jié)構(gòu)計(jì)算上的優(yōu)勢(shì)。
3.1 飛輪殼及傳動(dòng)系有限元模型的建立及載荷的確立
飛輪殼及傳動(dòng)系的有限元模型如圖 7﹑圖 8 和圖 9 所示,其中圖 7 和圖 8 分別為飛輪殼在集中力矩和均布力兩種加載方式下有限元模型圖。飛輪殼共劃分節(jié)點(diǎn) 41547 個(gè),單元148704 個(gè);傳動(dòng)系建模總共有節(jié)點(diǎn) 143403 個(gè),單元 590833 個(gè)。
飛輪殼剛度計(jì)算時(shí),約束殼體 12 個(gè)螺栓孔,載荷有兩種方案:
方案一:均布力作用,在頂部 12 個(gè)螺栓上分別加載 83.3N。
方案二:集中力矩作用,通過剛性連接,在飛輪殼的中間位置加載一個(gè) 1000N·M 的力矩。
飛輪殼的密度 ρ=6950Kg/m3,缸體質(zhì)量為 214Kg,缸蓋質(zhì)量為 77Kg,起動(dòng)機(jī)質(zhì)量為 24.2Kg,配載的大同 9js 變速箱質(zhì)量為 375Kg。
3.2 飛輪殼及傳動(dòng)系結(jié)算結(jié)果
飛輪殼在兩種加載方案下的應(yīng)力,應(yīng)變?cè)茍D類似,圖 10 和圖 11 給出了飛輪殼在均布力作用下的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D,其計(jì)算結(jié)果如表 3 所示。飛輪殼和傳動(dòng)系的模態(tài)計(jì)算結(jié)果如表4 和表 5 所示。
由表 3 可知,兩種加載方案的計(jì)算結(jié)果相差只有 0.93%,因此兩種加載方案在剛度計(jì)算中都適用。
4 結(jié)論
由上述兩個(gè)案例可見,HyperWorks 在汽車零部件的各種有限元分析中都能發(fā)揮極大的作用,快速的建模,良好的可操作性,優(yōu)秀的可視化效果都使我們?cè)诜治銎嚵悴考r(shí),更加省時(shí)省力。HyperWorks 操作簡(jiǎn)單,對(duì)零部件的計(jì)算,精度比較高,它的應(yīng)用將大大減少試驗(yàn)費(fèi)用,提高分析效率,加快產(chǎn)品研發(fā)的進(jìn)程。
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