利用知識工程快速對汽車轉向節(jié)有限元非線性分析

2013-08-08 by:廣州有限元培訓實踐中心來源:仿真在線

轉向節(jié)是汽車轉向橋上的主要零件之一,能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向,轉向節(jié)的功用是承受汽車前部載荷,支承并帶動前輪繞主銷轉動而使汽車轉向。在汽車行駛狀態(tài)下,它承受著多變的沖擊載荷,因此,對其有很高的要求。

由于有多種設計方案,在傳統的CAE軟件中進行分析,就需要對每個設計方案都要做一次分析,包括網格劃分、邊界條件加載和后處理,再加上都是同樣的工況,這樣的分析只能重復工作,顯得單調而無聊。如果能有一種軟件可以進行多種方案的快速分析和比較,就可以提高分析效率。本文利用CATIA CAE對轉向節(jié)進行結構靜強度分析。在CATIA CAE中可以建立CAE分析模板,充分利用知識工程的功能進行多種方案的快速分析,另外還可以利用設計表格設定多種工況分析。

一、幾何描述

本文涉及兩種設計方案,如圖1所示。

圖1設計方案

所有的設計模型都是利用CATIA軟件繪制。兩種設計方案有較大的差別,其中最大的區(qū)別在于是否有凹槽。

二、分析任務

分析任務主要是針對在兩種不同的輪胎半徑下,對指定工況的轉向節(jié)設計模型作應力評估。在本文中,將考慮兩種工況:a 73 degree square工況(73°直角邊凹穴工況)和a camber stiffness工況(彎曲剛度工況),如圖2所示。

這兩種工況會同時對應兩個不同的輪胎半徑尺寸,工況會出現如圖3所示的4種情況。

三、具體步驟

1.對關鍵特征進行發(fā)布

創(chuàng)建一個裝配體,插入設計方案1,然后在幾何體上雙擊,切換到零部件設計(PartDesign)界面。點選“Tools”→“Publication”,激活如下選項:“allow publication of faces”、“edges”、“vertices”和“axesextremities”。選擇相關的面、點進行發(fā)布,并且參照圖4所示進行重命名。

關掉如下參數:“allow publication of faces”、“edges”、“vertices”和“axesextremities”。發(fā)布該幾何體并命名為“KnuckleBody”。當所有的發(fā)布定義完成后,點擊“Export”來保持這些發(fā)布的名字為文本格式。最后點擊“OK”,這些發(fā)布會在結構樹上顯示出來。

打開設計方案2,部件名字為“Knuckle-modified.CATPart”,進入“Tools”→“Publication”,點擊“Import”,打開剛才保存的文本文件。針對每一個發(fā)布名字,重新關聯相應的幾何特征。點擊“OK”,關閉Publication對話框。再保存該文件。需要注意,這兩個設計方案發(fā)布的名字必須要完全相同,這是創(chuàng)建分析模板的關鍵。

2.創(chuàng)建分析模板

每一個分析特征都是基于幾何特征的發(fā)布來代替幾何本身,在分析中,這種方法方便置換整個幾何部件。從主菜單中選擇“Start”→“Analysis&Simulation”→“NonlinearStructuralAnalysis”,系統會默認創(chuàng)建一個“General Static Step”。

(1)網格。

刪除自動創(chuàng)建的“OctreeMeshPart”和“3Dproperty”,點擊OctreeTetrahedronMesher圖標,從結構樹上選擇名為“KnuckleBody”的發(fā)布作為要劃分網格的幾何支撐。在全局Global參數中,選擇二階單元

(Parabolic)作為單元類型(Elementtype)。網格尺寸設置為5mm,不激活“Absolute sag and Proportional sag”選項。這樣會生成一個更加規(guī)則的網格。在質量準則(Quality)欄目中,選擇Skewness作為優(yōu)化單元質量的準則,并設置雅克布參數(Jacobian)為0.8。在其他欄目中,激活“Mesh edges suppression”,并設置系數為0.15。網格部件就會不包含一些小于全局網格尺寸乘以“the mesh edges suppression”系數的網格邊長的單元,點擊“OK”關閉對話框。

點擊3Dproperty圖標,選擇“OctreeTetrahedronmesh”網格部件作為支持。點擊“OK”。

(2)創(chuàng)建剛性虛擬體(rigidvirtualparts)。

在CATIA CAE中的虛擬體是和我們傳統上所講的MPC作用相同,其中剛性虛擬體就相當于MPC里面的RBE2單元。創(chuàng)建四個剛性虛擬體是用來代表與轉向節(jié)相連的4個幾何部件,分別為the upper shock absorber(上避震器),the steering arm(控制臂),the lower ball joint(下球型副)和thehub(輪轂)。

點擊Rigid Virtual Part圖標,選擇名為“hub”的發(fā)布作為支撐,選擇名為“hub_point”的發(fā)布作為控制點(圖7a),點擊“OK”關閉對話框。重復同樣的步驟生成剛性虛擬體,模擬如圖6a所示的“the upper shock absorber”、“the steering arm”和“the lower ball joint”(圖7b)。

(3)創(chuàng)建剛性連接(rigidconnection)。定義一個連接,模擬車輪對轉向節(jié)的影響(圖8),其方法是先創(chuàng)建一個通用分析連接(GeneralAnalysisConnection),分別選擇名為“hub_point”的發(fā)布和名為“tire_point”發(fā)布作為“firstcomponent”第一組件和“secondcomponent”第二組件,然后定義一個剛性連接屬性(RigidConnection),使用剛才創(chuàng)建的通用分析連接(GeneralAnalysisConnection)作為支撐(support)。

圖8剛性連接定義

(4)定義載荷和邊界條件。首先,定義位移邊界條件(Displacement Boundary Conditions)如表1。所選擇的支撐均為發(fā)布。然后,創(chuàng)建集中載荷(PointLoads),如表2。

3.用設計表進行參數化研究

(1)幾何參數重命名。

點擊Formula圖標,選擇“tirepatchpoint”,所有與該點相關的參數都會在該表中顯示出來。選擇“Knuckle”→“GeometricalSet.1”→“tire_point”→“Z”,并重命名“Tire_Radius”(圖9)。

(2)重命名載荷參數。

在特征樹上選擇“CenterHub”載荷,如圖10所示,重命名為:

FiniteElementModel.1\CenterHub\ConcForce.1\Force.1為CenterHub_Fx;

FiniteElementModel.1\CenterHub\ConcForce.1\Force.3為CenterHub_Fz;

FiniteElementModel.1\CenterHub\ConcForceMoment.1\Moment.1為CenterHub_Mx。

從特征樹上選擇“TirePatch”載荷,重命名:

FiniteElementModel.1\TirePatch\ConcForce.1\Force.2為TirePatch_Fy。

點擊“OK”關閉對話框。

(3)創(chuàng)建設計表。

點擊設計表(DesignTable)圖標,選擇參數“Createa design table with current parameter values”,重命名設計表的名字為“knuckle_Design Table”,然后點擊“OK”,將出現一個新的對話框。選擇重命名參數(Renamed parameter),插入五個參數到設計表中(圖11)。點擊“OK”,然后用Microsoft Excel格式來顯示設計表。

(4)編輯設計表。

點擊“Edittable”,打開excel表格,編輯如圖12所示的電子表格。插入一列,輸入相應參數,設置不同的配置,一個輪胎半徑對應兩種工況。保持并關閉電子表格。設計表就會自動更新,如圖13所示。

設計表編輯完成后,可以在結構樹上雙擊“centerHub_load”載荷,如圖14所示,所有參數的地方都已經與設計表關聯起來。

4.創(chuàng)建job和后處理

創(chuàng)建“job”,命名為“job1”,memory為使用內存比率,設置為90%,parallelization為求解時CPU并行的數量,設置為2,點擊“OK”,如圖15。

同時,可以設置一下分析步,幾何非線性設置為on,初始增量步長為0.01s,如圖16。

提交分析任務,選擇“submit”(圖17),然后選擇“monitor”觀察迭代過程,如圖18。位移云圖如圖19所示。

四、利用分析模板進行設計方案的快速置換和分析

1.置換轉向節(jié)設計方案

前面已經使用了發(fā)布建立CAE分析模板,接下來只需要置換(replace)一下其他的設計方案即可,其他所有的網格和邊界條件的設定都不需要重新設定,只需按照前面設定好的進行加載。

具體步驟是:如圖20所示,在“Link.1”下面的“Knuckle_Design1”,雙擊切換到裝配體界面(Assembly Design),右鍵點擊“Component”,然后選擇“ReplaceComponent”,通過瀏覽器打開另外的設計方案“Knuckle-modified.CATPart”,就會彈出“ImpactsOnReplace”對話框,點擊“OK”。

2.更新計算和后處理

置換后,就可以在job管理器里面進行提交分析任務和計算,點擊“attachresults”,觀看后處理和位移云圖。在非線性分析中,可能需要的時間要多一些,因為需要不斷的迭代計算,如果用線性進行分析,就可以非?？焖俚剡M行結果更新。計算出的結果如圖21所示。

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