汽車人最愛的CAE分析應(yīng)用實(shí)例

上回書說到《看看汽車與CAE是怎么相愛的》,來了個CAE汽車應(yīng)用大盤點(diǎn),俗話說“光說不練假把式”,今天小編就繼續(xù)深挖,給大家?guī)韼讉€活生生的應(yīng)用實(shí)例,歡迎大家一起學(xué)習(xí)、探討!

1970年,NASA 引入NASTRAN ,標(biāo)志著以有限元分析為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的開始。經(jīng)過近四十年的發(fā)展,現(xiàn)在其應(yīng)用領(lǐng)域主要有:工程數(shù)值分析 、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 、運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)仿真等。

以有限元分析方法為代表的CAE技術(shù)已應(yīng)用于對車輛的各種模擬和分析之中,從汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析,設(shè)計(jì)的剛度與變形分析到聲場分析等等,使我們在汽車還未制造出來之前就對整車的特性有了一個詳細(xì)的了解。

傳統(tǒng)的CAE主要是指用計(jì)算機(jī)對工程和產(chǎn)品的運(yùn)行性能與安全可靠性分析,對其未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬?，F(xiàn)如今,汽車結(jié)構(gòu)CAE分析的發(fā)展己經(jīng)分工十分精細(xì),包括汽車結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)特性,NVH特性,碰撞特性等。

在CAE領(lǐng)域, Hypermesh最著名的特點(diǎn)是它強(qiáng)大的有限元前后處理功能。一般來說,CAE分析工程師80%的時間都花費(fèi)在有限元模型的建立和修改上,而真正的分析求解時間是消耗在計(jì)算機(jī)工組站上的。

所以采用一個功能強(qiáng)大,使用靈活,并能夠與眾多CAD系統(tǒng)和有限元求解器進(jìn)行方便的數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具,對于提高有限元分析工作的質(zhì)量和效率具有十分重要的意義。

① 面的處理:刪除重合的面和線以及線上所包含的多余的點(diǎn);縫合沒有公共邊的相鄰曲面。

② 細(xì)小特征處理:刪除細(xì)小幾何特征(如掛鉤、門鎖裝置、小孔、圓角),以提高計(jì)算經(jīng)濟(jì)性。

③劃分網(wǎng)格特征線:根據(jù)曲面幾何特征的不同,用幾何特征線劃分成不同的區(qū)域,分別對不同的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格處理。

① 網(wǎng)格大小的確立:兼顧精度和效率。

② 網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)的確立:單元最小長度、單元最大長度、長寬比、翹曲度、雅戈比、三角形百分比等 。

③連接部位的處理:焊點(diǎn)、MPC,節(jié)點(diǎn)相連等。

網(wǎng)格大小:12mm

共包含212607個殼單元,其中有四邊形單元204964個,三角形單元4925個,占全部單元的2.3%。還有2367個焊點(diǎn),351個MPC單元 。

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性。用于反映模態(tài)特征的參數(shù)稱為模態(tài)參數(shù),包括固有頻率、阻尼和振型等。

模態(tài)分析過程如果是利用解析法來得到模態(tài)參數(shù),則稱為計(jì)算模態(tài)分析;如果是通過試驗(yàn)法獲得模態(tài)參數(shù),則稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。

通過計(jì)算模態(tài)分析得到的模態(tài)參數(shù)與通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行對比,就可以驗(yàn)證有限元模型是否正確,從而保證剛度、強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果能夠反映真實(shí)情況。

通過計(jì)算模態(tài)分析還可以得到試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中無法得到的模態(tài)參數(shù),從而更準(zhǔn)確的了解結(jié)構(gòu)的振動特性,為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。

將駕駛室有限元模型導(dǎo)入MSC.Patran進(jìn)行前處理,設(shè)置計(jì)算類型、輸出文件格式、計(jì)算頻率范圍等,再提交Nastran計(jì)算,得到駕駛室的自由模態(tài)參數(shù)。

駕駛室一階計(jì)算模態(tài)振型圖

YZ平面的一階扭轉(zhuǎn)

駕駛室四階計(jì)算模態(tài)振型圖

Z向,上下反向一階彎曲

駕駛室五階計(jì)算模態(tài)振型圖

Z向,上下同向一階彎曲

駕駛室六階計(jì)算模態(tài)振型圖

彎扭結(jié)合,XY平面扭轉(zhuǎn)和YZ平面彎曲

剛度是指彈性體抵抗變形(彎曲、拉伸、壓縮等)的能力。

強(qiáng)度是指機(jī)械零件在工作時抵抗破壞,包括結(jié)構(gòu)斷裂、塑性變形、表面損壞的能力。

各部件必須有足夠的靜剛度和靜強(qiáng)度以保證其裝配和使用的要求。

在Hypermesh中設(shè)置好約束和載荷條件后導(dǎo)出駕駛室彎曲工況有限元模型,利用MSC.Patran載入該模型并提交MSC.Nastran進(jìn)行計(jì)算。

駕駛室的約束和載荷條件如下:

約束條件:釋放前懸置點(diǎn)X軸平動和Y軸的轉(zhuǎn)動。

釋放后懸置點(diǎn)Y軸的轉(zhuǎn)動。

載荷條件:在座椅處施加垂直向下,大小為784N的力。

彎曲工況下駕駛室的變形云圖

地板中間位置變形量最大,為0.261mm。

計(jì)算得其彎曲剛度為6.01kN/mm。

彎曲工況下駕駛室的應(yīng)力云圖

應(yīng)力主要集中在地板上加載位置周圍以及地板邊梁上。

最大應(yīng)力出現(xiàn)在駕駛員座椅的右后固定位置處,為25.3MPa。

材料的許用應(yīng)力為156.7MPa ,大于其最大應(yīng)力,因此在此工況下,駕駛室不會發(fā)生破壞。

疲勞是指材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下,在一處或者幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或者忽然發(fā)生完全斷裂的過程 。

名義應(yīng)力法(S-N法)是最早形成的抗疲勞設(shè)計(jì)方法,它以材料或零件的S-N曲線為基礎(chǔ),對照結(jié)構(gòu)疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力,結(jié)合疲勞積累損傷理論,校核疲勞強(qiáng)度或計(jì)算疲勞壽命。

此方法廣泛應(yīng)用于外加應(yīng)力名義上在材料的彈性范圍內(nèi),而且材料的失效循環(huán)次數(shù)很高時,即高周疲勞區(qū)。

MSC.Fatigue是在MSC.Software公司與英國nCode國際公司緊密合作的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的疲勞仿真分析軟件系統(tǒng)。

可用于結(jié)構(gòu)的初始裂紋分析、裂紋擴(kuò)展分析、應(yīng)力壽命分析、焊接壽命分析、整體壽命預(yù)估分析、疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)、振動疲勞分析、多軸疲勞分析、點(diǎn)焊疲勞分析及數(shù)據(jù)采集等各種分析,同時該軟件還擁有豐富的疲勞斷裂相關(guān)材料庫、疲勞載荷和時間歷程庫等,能夠可視化疲勞分析的各類損傷、壽命結(jié)果。

Fatigue分析流程

首先進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度分析,得到其應(yīng)力分布情況作為載荷條件。

扭轉(zhuǎn)約束及載荷情況:

約束條件:釋放后懸置點(diǎn)X軸的轉(zhuǎn)動。

載荷條件:座椅處施加垂直向下,大小為784N的力。左右前懸置點(diǎn)施加方向相反,大小為1000N垂直載荷。

駕駛室扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

應(yīng)力主要集中在后懸置點(diǎn)、車窗窗框、前圍、駕駛室地板大梁附近等處。

最大應(yīng)力出現(xiàn)在駕駛室右后懸置點(diǎn)處,大小為94.9MPa 。

在Fatigue中設(shè)置其載荷條件、材料屬性等。

載荷曲線為峰值為1,周期為2s的sin函數(shù)

材料的S-N曲線抗拉強(qiáng)度為375MP彈性模量為2.06E11 N/m2

駕駛室疲勞壽命云圖

駕駛室疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)云圖

駕駛室最小壽命為3.47×106次。

疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在后懸置點(diǎn)、車窗窗框附近。

隨著我國汽車保有量的不斷增加, 交通事故呈上升趨勢, 汽車的被動安全性問題是汽車研究和設(shè)計(jì)人員必須面對的新課題, 所開發(fā)車型的耐撞性能最終要通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)來檢驗(yàn)。

但是碰撞試驗(yàn)對車輛進(jìn)行的是破壞性試驗(yàn), 為了檢驗(yàn)一項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)往往需要反復(fù)的碰撞試驗(yàn), 試驗(yàn)費(fèi)用相當(dāng)昂貴。

通過模擬仿真計(jì)算, 可以在汽車設(shè)計(jì)和改進(jìn)的過程中經(jīng)濟(jì)有效的提供一些基本規(guī)律和指導(dǎo)方向, 減少試驗(yàn)次數(shù), 避免大量嘗試性工作, 這樣既能減少研發(fā)成本, 也能縮短開發(fā)周期。

LS-DYNA 是以顯式為主、隱式為輔的通用非線性動力分析有限元程序,能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜問題,特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題。

LS-DYNA的前后處理非常多,例如ANSYS、PATRAN、TrueGrid、INGRID、HYPERMESH,后處理軟件為LS-POST和LS-PREPOST。

將設(shè)置好的座椅頭枕碰撞模型導(dǎo)入LS-DYNA 中計(jì)算,可得到碰撞過程的動畫。

也可在LS-DYNA的后處理軟件LS-prepost中提取節(jié)點(diǎn)上的加速度曲線、速度曲線等特征值。

座椅前方碰撞加速度曲線

座椅后方碰撞加速度曲線

有限元法在車輛行業(yè)中的運(yùn)用還有很多,比如:聲場分析、熱場分析等等。

隨著分析軟件的完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,CAE技術(shù)的運(yùn)用將更加廣泛。

轉(zhuǎn)自:“工程事”