CAE在汽車開發(fā)中的應(yīng)用與實(shí)施

2013-07-17 by:廣州Abaqus培訓(xùn)中心來源:仿真在線

CAE在汽車開發(fā)中的應(yīng)用與實(shí)施

一、引言

CAE在汽車等機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)中應(yīng)用非常廣泛。如采用有限法(FEM)計(jì)算機(jī)械零件的應(yīng)力和變形進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析;采用多體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行汽車整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性的動(dòng)態(tài)仿真分析;采用有限元法進(jìn)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(chǎn)品開發(fā)過程中所發(fā)揮的作用已經(jīng)無法被取代。

CAE在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中的作用集中體現(xiàn)在三方面:

1.CAE極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期,在建模和分析過程中采用實(shí)體造型和參數(shù)化,模型和參數(shù)的修改都很方便,最終確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)所需時(shí)間得到大幅度的縮短。

2.減少了開發(fā)費(fèi)用。相對于道路試驗(yàn)和室內(nèi)臺架試驗(yàn)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(fèi)用大幅減少。

3.有利于通過優(yōu)化等手段開發(fā)出性能更為優(yōu)越的汽車整車和零部件。譬如通過優(yōu)化車架和車身的結(jié)構(gòu)參數(shù)減輕整車重量;通過優(yōu)化行走系和轉(zhuǎn)向系的參數(shù)提高整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性等。

當(dāng)然,從實(shí)際應(yīng)用的角度來說,汽車CAE作用的發(fā)揮還依賴于兩個(gè)重要前提。其一是對CAE技術(shù)的熟練掌握,另一個(gè)是要提供最基本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)庫。這里所指的基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),是指像輪胎特性數(shù)據(jù)、道路特性數(shù)據(jù)、各種材料的力學(xué)特性等。所謂相關(guān)數(shù)據(jù)庫是指企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中不斷積累的、能夠提供結(jié)構(gòu)形式和主要參數(shù)(包括價(jià)格、外協(xié)情況等)的數(shù)據(jù)庫。除此之外,要更好地實(shí)施CAE并發(fā)揮其作用,必需與CAD/CAPP/CAM、優(yōu)化技術(shù)等結(jié)合起來加以綜合運(yùn)用。

本文主要介紹CAE在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用及具體實(shí)施,并對CAE與CAD、CAPP、CAM和優(yōu)化技術(shù)的關(guān)系加以探討。

二、CAE在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

CAE在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用范圍非常廣泛。這里就幾個(gè)主要方面的應(yīng)用加以介紹。

1.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的分析

有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面因具有較高的計(jì)算精度而到普遍采用,特別是在材料應(yīng)力應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。另外,當(dāng)考慮機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力的偶合時(shí),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(qiáng)度和剛度分析

車架和車身是汽車中結(jié)構(gòu)和受力都較復(fù)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(jié)省材料。另外,就整個(gè)汽車而言,當(dāng)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(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能。

(2)齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力分析

齒輪是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系中普遍采用的傳動(dòng)零件。通過對齒輪齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力的分析,優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù),提高齒輪的承載載力和使用壽命。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的應(yīng)力分析

以發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋為例,其工作工程中不僅受到氣缸內(nèi)高壓氣體的作用,還會產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力。缸蓋開裂事件時(shí)有發(fā)生。如果僅采用在開裂處局部加強(qiáng)的辦法加以改進(jìn),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(dòng)安全性方面的應(yīng)用

安全、環(huán)保和節(jié)能是汽車面臨的三大熱點(diǎn)問題。如何提高車身的抗碰撞能力是汽車被動(dòng)安全性中需要解決的問題之一。利用有限元法進(jìn)行汽車碰撞過程的模擬計(jì)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(jì)算可以節(jié)省昂貴的實(shí)車碰撞試驗(yàn)經(jīng)費(fèi),且在設(shè)計(jì)階段模擬分析是唯一的分析手段,國內(nèi)、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(jìn)行汽車碰撞過程的模擬分析。

3.汽車動(dòng)力學(xué)仿真分析

采用多體(剛體和柔體)動(dòng)力學(xué)分析方法進(jìn)行汽車動(dòng)力學(xué)仿真,可在研究階段預(yù)測整車的動(dòng)力學(xué)性能,對這些性能進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到提高產(chǎn)品性能、縮短開發(fā)時(shí)間、減少開發(fā)費(fèi)用的目的。

以整車的操縱穩(wěn)定性為例,由于影響因素涉及到輪胎、懸架、轉(zhuǎn)向等多個(gè)方面,簡單的計(jì)算難以得到合理的結(jié)論,哪怕是定性的結(jié)論往往也不可靠。為此,已開發(fā)出多種機(jī)械動(dòng)力學(xué)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(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性、汽車行駛平順性的動(dòng)態(tài)仿真。ADAMS中的TIRE模塊提供若干種輪胎模型供分析時(shí)選用,以準(zhǔn)確地建立輪胎的動(dòng)力學(xué)模型。ADAMS中的CAR模塊是專為汽車動(dòng)力學(xué)仿真而設(shè)計(jì)的,使用十分方便。國內(nèi)已有多家汽車公司利用該軟件進(jìn)行了貨車、轎車、汽車列車和大客車的動(dòng)力學(xué)仿真分析,并取得了較好的效果。

三、CAE的具體實(shí)施和軟件介紹

CAE作為一種分析手段,即可單獨(dú)實(shí)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(yīng)的前、后處理模塊,即可單獨(dú)使用,又可與CAD軟件集成使用。下面對有限元分析和機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真的實(shí)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(jié)構(gòu)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(nèi)的集成軟件。實(shí)體建模、網(wǎng)絡(luò)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(fā)中的應(yīng)用與實(shí)施cfd流體分析圖片1
圖1由proe建模并劃分網(wǎng)格的十字軸模型

以上說明各公司的有限元軟件都能獨(dú)立完成有限元分析任務(wù)。當(dāng)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(qiáng)大。只有將他們結(jié)合起來使用才能更好地發(fā)揮各自的功能。筆者在分析汽車傳動(dòng)裝置零件十字軸的彎曲強(qiáng)度時(shí),采取的路線是:先由proe建立十字軸的幾何模型并完成網(wǎng)絡(luò)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(xù)分析。圖1為由proe建模并劃分網(wǎng)格的十字軸模型。當(dāng)然,ANSYS也可直接讀入proe的.prt文件,網(wǎng)格劃分及有限元分析的后續(xù)任務(wù)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(chǎn)生錯(cuò)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(zhuǎn)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(shí)體模型。
(3)將實(shí)體模型存成UG格式的.prt文件。
(4)用NASTRAN的前處理軟件PATRAN讀入U(xiǎn)G生成的.prt文件,將得到有限元分析所需的實(shí)體模型。
(5)由PATRAN和NASTRAN完成有限元分析的其他工作。

2.機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件在汽車中的應(yīng)用

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

當(dāng)采用ADAMS軟件單獨(dú)進(jìn)行分析時(shí),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(jìn)行,常常采用多種軟件協(xié)同工作。以下是將機(jī)械動(dòng)力學(xué)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(zhǔn)確,生成的圖形更加逼真,動(dòng)態(tài)仿真效果更好。
(2)從準(zhǔn)確的CAD模型中可更方便地得到準(zhǔn)確的質(zhì)量參數(shù),即零件的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩等。
(3)機(jī)械動(dòng)力學(xué)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(tài)中性文件)可輸入到機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件中生成的準(zhǔn)確的柔體模型。
(4)盡管機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件能夠確定零件間的相互動(dòng)力關(guān)系和作用力,但不能分析零件的應(yīng)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(fā)中的應(yīng)用與實(shí)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(wù),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(gè)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(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件分別讀入幾何模型。有限元軟件根據(jù)CAD軟件生成的幾何模型和機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算得到的結(jié)點(diǎn)力完成應(yīng)力、應(yīng)變和模態(tài)分析并輸出分析結(jié)果。機(jī)械動(dòng)力學(xué)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(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件自己生成,根據(jù)需要可從CAD軟件得到質(zhì)量參數(shù)。機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真分析除了輸出最終結(jié)果外,還可輸出零件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和結(jié)點(diǎn)力供有限元分析之用。

再舉一個(gè)汽車變速器CAD/CAM系統(tǒng)的實(shí)例。該系統(tǒng)由CAD幾何建模、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊讀入模型特征文件,對變速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過程中,調(diào)用有限元軟件ANSYS計(jì)算零件的強(qiáng)度和剛度。優(yōu)化后的模型返回到proe,并由它完成CAPP/CAM任務(wù)。

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