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theapplicationofANSYS
ANSYS在汽车零部件设计中的应用
2006-3-2115:
05:
52
编辑:
龙云天
类别:
汽车
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1、发动机机体
发动机机体同时承受高着热负荷和机械负荷工作,本质上是多物理场偶合工作体,ANSYS多物理场分析的功能为发动机的分析提供了完整的解决方案。
ADAPCO公司用ANSYS详尽地进行了某V6发动机机体的热分析、结构分析、动力分析和热-结构耦合分析(图1,2)。
对产品开发作用特别明确。
图13V6发动机实物图14发动机整体模型
1.1柄连杆机构运动件
活塞、曲柄连杆等运动件是高热/机械负荷部件,因为往复运动,其质量对整个发动机性能非常重要。
ANSYS分析热和机械载荷下的形状及应力为设计提供依据。
图3曲柄连杆机构的柔体运动学、动力学分析
连杆强度向来是发动机设计关键,ANSYS柔体-柔体接触计算功能可以准确模拟连杆与大头盖、主销、曲柄销间联合工作状况。
这是ANSYS系统分析功能和强大的接触功能体现。
ANSYS曲轴结构分析和模态分析功能计算出曲轴扭转与弯曲模态,通过频率优化达到减震效果。
ANSYS的疲劳计算功能,精确的计算曲轴传统疲劳强度,同时还可计算出曲轴的强度因子,从而预测疲劳裂纹的产生及疲劳寿命。
应用ANSYS对曲轴轴颈及油膜进行流-固耦合分析评价高曲轴的耐磨性。
曲轴连杆机构运动件的重量优化设计,不仅是节省材料及发动机重量降低,运动件质量对改善发动机整体的工作状况特别有效,ANSYS形状优化的功能可以对活塞内腔、活塞销孔、连杆形状、曲轴圆角和曲柄臂尺寸进行优化设计。
1.2机体:
缸盖、箱体、缸套
机体、缸盖的热分析特别重要,热疲劳是失效和“拉缸”主要原因,为保证可靠性与耐久性,应用ANSYS分析机械和热负荷下的刚度、强度是设计师的首选。
ANSYS可准确地计算出机体的自振频率及模态。
以控制噪声源。
此外ANSYS可模拟机体的热冲击实验、热-结构耦合分析可计算出机械负载、热负荷双重作用下机体的变形,应力分布。
流体-结构偶合分析轴承油膜状态进行润滑系设计等等。
图4缸盖、箱体分析图5上海柴油机公司利用ANSYS热分析功能模
拟某型号发动机机体热冲击实验,根据分析结果改进结构,效果明确。
1.3气机构:
进排气门、气门弹簧、摇臂、推杆、挺杆、凸轮轴、正时齿轮
配气机构影响发动机性能,要求进行精确计算。
ANSYS系统分析能够考虑配气机构中各个部件的弹性变形,从而取得比刚体假定更精确凸轮-气门规律。
图6大连机车车辆厂利用ANSYS结构分析
找到了构摇臂座裂纹发生的原因。
提出改进方法。
气门弹簧承受高频交变载荷,伴随着多气门设计的发展趋势,弹簧尺寸限制更大,ANSYS非线性瞬态动力分析及疲劳分析的功能,可较好地解决非线性变节距弹簧高应力破坏及疲劳损坏问题。
排气阀受高速冲击载荷、受高温燃气冲刷,ANSYS热-结构耦合分析可仿真,热疲劳分析预测可靠性都是十分有效。
图7进气螺旋图图8消声器热分析图图9增压器涡轮分析
配气机构分析中存在着大量的接触问题,ANSYS高级接触单元、接触向导、智能化接触参数设置的功能引导设计工程师方便、有效、快速地进行配气机构的非线性分析,解除了计算者非线性参数选取试凑的苦恼,大大加速了分析进度。
1.4进排气系:
空气滤清器、进排气道、增压器、消声器
进排气系统的设计关系到结构-热-流体-声的综合作用,是典型的多物理场问题。
ANSYS计算流体动力学可计算气道的流场分布、压力分布、温度分布、湍流动能、湍流耗散率,得到气道几何形状对进气效率的影响,;通过ANSYS独一无二的流场优化功能,可使发动机由于进排气阻力而造成的功率损失减至最低。
进排气系是汽车噪声的重要噪声源,ANSYS声场分析和声场优化可求解出声压分布及分贝级别,通过对消声器的声-流体-结构耦合的优化仿真,可大大降低排气噪声、减小排气阻力。
增压器涡轮有轮-轴过盈配合、超高速旋转、和叶片振动等严格的工作条件,ANSYS协助用户完美解决了工程中提出的多项技术问题。
1.5燃油供给系:
油箱、油泵、高压油管
燃油喷射和进气螺旋关系到燃烧充分和排放,ANSYS流体动力学分析及优化功能允许设计师在物理样机制造之前考查多种气道方案得到最优设计。
国家已经禁止化油器车销售,电喷技术普遍应用,通过电控实现智能燃油供给,提高功率和控制排放,ANSYS多物理场仿真技术可模拟电喷过程的“电-磁-结构多场耦合”的工作状况,为电喷系统的设计提供了从性能评价到结构设计的完整解决方案。
图10散热片流-固耦合分析图图11散热器模态分析
1.6冷却系:
冷却系设计焦点是结构、空气、水、油和热的流动和传递过程,分析项目主要是计算流体力学和偶合分析。
ANSYS分析得到冷却系统内的流动、温度分布、与结构壁面的对流换热系数等,从而为冷却系的设计提供参数。
2、传动系:
变速箱、离合器、万向节、主减速器、差速器、半轴、液力偶合器与液力变速器等传动系承担功率传递功能,部件在随机高载荷条件下工作,强度震动问题始终是主要矛盾。
以主传动螺旋伞齿轮为例,过去FEM分析只能针对啮合过程的一个状态分析,现在ANSYS可以在啮合运动全过程中分析齿轮对的强度、刚度响应。
因为分析对象可以包含齿轮轴和轴承座,这就可能发现因为齿轮轴或轴承座刚度不足而造成螺旋伞齿轮对碎齿问题(图12)。
图12齿轮滚动接触分析
高档汽车采用液力变速器是靠流体在泵轮、导向轮和涡轮间液体耦合的相互作用工作的。
ANSYS流体和非线性流-固耦合的分析功能,可预测其工作性能与可靠性。
传动轴系统的扭转振动是产品设计关键,ANSYS模态分析可准确的预测其自振频率及振型,指导设计。
万向节密封套在大变形条件下工作,设计上寿命至少要求达到一个大修期。
韩国大成公司采用ANSYS软件对封套进行损伤寿命及密封性能预测,得出了不同的轴交叉角与应力关系曲线,完好地解决了密封套的寿命设计问题。
图13、14。
图13图14
3、承载和行驶系:
车身车架、车桥、轮胎、悬挂(前后桥、钢板弹簧、减振器)
汽车承载和行驶系是高负荷安全结构,可靠性特别重要,所以强度分析地位特别突出。
ANSYS全面多样单元库和多种分析功能及强大的前后处理能力的能力为承载系和行驶系的分析提供了完整、方便的解决方案。
采用ANSYS进行非线性柔体运动学、动力学仿真和优化设计,可将设计水平推上一个新的层次。
车架和车身结构,基本是由梁组件焊接(铆接)而成,分析中常应使用梁单元模型。
ANSYS有梁断面几何参数生成和记忆单元的断面形状功能、按真实断面形状显示梁单元,后处理中能在断面上显示应力结果、按工程习惯绘制弯矩图等极大方便了梁系模型应用。
现代车身车架的设计应充分考虑碰撞过程的能量吸收能力,以提高汽车的被动安全性。
ANSYS的冲击碰撞模拟功能及非线性屈曲的分析功能,是车身车架吸能件设计、刚度分配设计的标准软件。
图15双层客车计算模型用梁单元模拟骨架图16车架全壳体单元分析模型
在车轮的设计中,车轮的轮毂、轮辋和轮胎的非线性分析是十分关键的。
采用ANSYS的复合材料多层实体单元技术在保证轮胎求解同等精度的同时计算成本大幅度下降。
图17ANSYS上海办事处直接造型的车轮模型。
图18北京化工大学采用ANSYS
分析发现潜在问题,根据计算结果调整了一些几何参数,使其满足了强度及疲劳寿命条件。
完成了某子午线轮胎的三维非线性计算,取得了与地面接触状态下,各层材料的应力分布。
悬架的设计中,ANSYS的柔体运动学、动力学仿真比以往的刚体假设计算更加真实地反应了悬架的动力特性;ANSYS非线性优化设计的功能,可方便地设计出符合非线性力-位移曲线的悬挂弹簧;流场计算、流-固耦合分析可保证液压式减振器的可靠性。
别克轿车弹簧是变线径、变节距、变节圆半径、下端套有塑料的复杂结构,代表了当前最先进、最复杂的弹簧设计。
中国弹簧厂在设计该弹簧过程中,为达到非线性的力-位移曲线,利用ANSYS进行优化设计,一个月内就设计出了符合要求的弹簧。
图20图21。
图19后悬架的柔体动力学分析图20前悬挂弹簧图21应力分布
4、转向系与制动系:
动力转向设计中,ANSYS的流体分析可计算出管路中流经各阀门、油罐、油泵等处的油液流量、压力,流-固耦合分析可计算出动力油缸活塞的运动及应力,从而保证转向特性。
制动是一个重要噪声源,制动器本身的振动也影响其工作的可靠性与稳定性,ANSYS的矩阵单元和约束方程的手段,允许添加阻尼和方程约束,从而方便地建立更符合实际的制动器摩擦耦合模型,进行模态分析可对制动器的尖叫倾向进行估评,从而抑制制动噪声。
清华大学用ANSYS建立了制动器摩擦耦合模型,研究得出摩擦耦合系数对制动尖叫趋势的影响以及抑制、消除尖叫的解决方法。
图22为制动器有限元模型,图23为制动盘变形。
图22图23图24流体流迹
5、座椅、仪表板总成
座椅设计不单是舒适性,相关的安全性标准规定了座椅对乘员保护的严格要求,座椅大变形计算成为常规的分析;采用ANSYS非线性计算功能,进行碰撞过程中座椅靠背和头枕对乘员保护性能进行评判,已通过相应标准。
清华大学用ANSYS软件对座椅进行非线性大变形计算,与试验结果的对比发现,计算与试验间的误差只有2.8%。
图25计算位移与试验结果的对比
6、汽车电子、电器
现代汽车已从单一的机械产品变为机电产品,ABS、电子喷射、微机电系统已占到相当的比例。
ANSYS多物理场仿真的能力,在汽车汽车电子、电气领域有广泛的应用。
柏林工业大学利用ANSYS开发测量内燃汽缸压力的微机电传感器,图26为封装好的薄膜电阻传感器芯片的热应力分布。
ColibriProDevelopmentAB公司利用ANSYS开发MEMS陀螺,用于高级汽车的悬挂控制传感器及自动驾驶导航系统。
图27是陀螺压电梁在共振时的电压分布以及结构中4微米宽接头处的应力集中。
接头的设计通过优化,保证了足够弹性。
一、引言
CAE在汽车等机械产品的开发中应用非常广泛。
如采用有限法(FEM)计算机械零件的应力和变形进行强度和刚度分析;采用多体动力学方法进行汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性的动态仿真分析;采用有限元法进行汽车碰撞分析;采用有限元法和边界方法(BEM)分析汽车的噪声等等。
可以说,CAE在汽车产品开发过程中所发挥的作用已经无法被取代。
CAE在汽车产品开发过程中的作用集中体现在三方面:
1.CAE极大地缩短了产品的研制周期,在建模和分析过程中采用实体造型和参数化,模型和参数的修改都很方便,最终确定合理的结构参数所需时间得到大幅度的缩短。
2.减少了开发费用。
相对于道路试验和室内台架试验而言,利用CAE分析汽车整车及零部件的各种性能所需要的费用大幅减少。
3.有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。
譬如通过优化车架和车身的结构参数减轻整车重量;通过优化行走系和转向系的参数提高整车的操纵稳定性和行驶平顺性等。
当然,从实际应用的角度来说,汽车CAE作用的发挥还依赖于两个重要前提。
其一是对CAE技术的熟练掌握,另一个是要提供最基本的实验数据和相关数据库。
这里所指的基本实验数据,是指像轮胎特性数据、道路特性数据、各种材料的力学特性等。
所谓相关数据库是指企业在产品设计和开发过程中不断积累的、能够提供结构形式和主要参数(包括价格、外协情况等)的数据库。
除此之外,要更好地实施CAE并发挥其作用,必需与CAD/CAPP/CAM、优化技术等结合起来加以综合运用。
本文主要介绍CAE在汽车产品开发中的应用及具体实施,并对CAE与CAD、CAPP、CAM和优化技术的关系加以探讨。
二、CAE在汽车产品开发中的应用
CAE在汽车产品开发中的应用范围非常广泛。
这里就几个主要方面的应用加以介绍。
1.结构强度和刚度的分析
有限元法在机械结构强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而到普遍采用,特别是在材料应力-应变的线性范围内更是如此。
另外,当考虑机械应力与热应力的偶合时,像ANSYS、NASTRAN等大型软件都提供了极为方便的分析手段。
(1)车架和车身的强度和刚度分析
车架和车身是汽车中结构和受力都较复杂的部件,对于全承载式的客车车身更是如此。
车架和车身有限元分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料。
另外,就整个汽车而言,当车架和车身重量减轻后,整车重量也随之降低,从而改善整车的动力性和经济性等性能。
(2)齿轮的弯曲应力和接触应力分析
齿轮是汽车发动机和传动系中普遍采用的传动零件。
通过对齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析,优化齿轮结构参数,提高齿轮的承载载力和使用寿命。
(3)发动机零件的应力分析
以发动机的缸盖为例,其工作工程中不仅受到气缸内高压气体的作用,还会产生复杂的热应力。
缸盖开裂事件时有发生。
如果仅采用在开裂处局部加强的办法加以改进,无法从根本上解决问题。
有限元法提供了解决这一问题的根本途径。
2.汽车被动安全性方面的应用
安全、环保和节能是汽车面临的三大热点问题。
如何提高车身的抗碰撞能力是汽车被动安全性中需要解决的问题之一。
利用有限元法进行汽车碰撞过程的模拟计算,涉及到大变形等非线性问题,不同于一般的有限元分析。
由于模拟计算可以节省昂贵的实车碰撞试验经费,且在设计阶段模拟分析是唯一的分析手段,国内、外汽车公司普遍采用这一方法。
ANSYS软件中的LS-DYNA模块常被用来进行汽车碰撞过程的模拟分析。
3.汽车动力学仿真分析
采用多体(刚体和柔体)动力学分析方法进行汽车动力学仿真,可在研究阶段预测整车的动力学性能,对这些性能进行优化,以达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。
以整车的操纵稳定性为例,由于影响因素涉及到轮胎、悬架、转向等多个方面,简单的计算难以得到合理的结论,哪怕是定性的结论往往也不可靠。
为此,已开发出多种机械动力学仿真软件。
值得一提的是美国MDI公司的ADAMS软件,被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。
ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用,以准确地建立轮胎的动力学模型。
ADAMS中的CAR模块是专为汽车动力学仿真而设计的,使用十分方便。
国内已有多家汽车公司利用该软件进行了货车、轿车、汽车列车和大客车的动力学仿真分析,并取得了较好的效果。
三、CAE的具体实施和软件介绍
CAE作为一种分析手段,即可单独实施,又可与其他CAX一起使用。
譬如有限元分析软件,一般都提供了相应的前、后处理模块,即可单独使用,又可与CAD软件集成使用。
下面对有限元分析和机械动力学仿真的实施过程和软件作一简单介绍。
1.汽车零件有限元分析过程和有限元软件
可以列出几十种有限元分析商用软件。
这里仅介绍在汽车零件结构分析中使用最为广泛的I-DEAS、ANSYS和NASTRAN。
SDRC公司的I-DEAS软件是包括CAD、CAE、CAPP/CAM、PDM等在内的集成软件。
实体建模、网络划分、载荷和约束的施加、求解和后处理可由该软件的不同模块来完成。
ANSYS公司的ANSYS软件是专门的有限元分析软件,前、后处理和求解也都可由该软件完成。
MSC公司的NASTRAN有限元软件有专门的前、后处理软件PATRAN。
其分析过程与I-DEAS、ANSYS等大同小异。
以上说明各公司的有限元软件都能独立完成有限元分析任务。
当然,上述各种软件还提供了与多种CAD软件的接口。
一般来说,有限元软件的建模功能不如专门的CAD软件强大。
只有将他们结合起来使用才能更好地发挥各自的功能。
笔者在分析汽车传动装置零件十字轴的弯曲强度时,采取的路线是:
先由Pro/E建立十字轴的几何模型并完成网络划分,并以ANSYS文件格式.ans输出模型,然后由ANSYS读入该模型并完成后续分析。
图1为由Pro/E建模并划分网格的十字轴模型。
当然,ANSYS也可直接读入Pro/E的.prt文件,网格划分及有限元分析的后续任务都由ANSYS完成。
几乎所有的CAD软件都可输出IGES格式的几何模型文件,但该格式中只包含线和面的信息,而没有体的信息,而且IGES格式文件中会丢掉部分信息甚至产生错误几何信息。
以下介绍一种解决该问题的方法:
(1)用UGS公司的CAD/CAM软件UG读入待转换的IGES格式文件。
(2)在UG中修改模型,并用缝合(即Sewing)命令将零件的所有面缝合在一起,从而生成实体模型。
(3)将实体模型存成UG格式的.prt文件。
(4)用NASTRAN的前处理软件PATRAN读入UG生成的.prt文件,将得到有限元分析所需的实体模型。
(5)由PATRAN和NASTRAN完成有限元分析的其他工作。
2.机械动力学仿真软件在汽车中的应用
与有限元分析软件一样,机械动力学仿真分析软件既可单独使用,也可与其他CAX软件集成使用。
在汽车动力学仿真中使用较多的软件是ADAMS和DADDS。
以ADAMS为例,介绍机械动力学仿真分析的步骤。
当采用ADAMS软件单独进行分析时,可用其AVIEW模块建立待分析的多体模型,然后用其SOLVER模块求解。
然而,为了使仿真分析得以更加顺利地进行,常常采用多种软件协同工作。
以下是将机械动力学仿真软件与CAD、FEM集成使用的一些好处:
(1)采用CAD软件建模更加方便、准确,生成的图形更加逼真,动态仿真效果更好。
(2)从准确的CAD模型中可更方便地得到准确的质量参数,即零件的质量、质心位置、惯性矩等。
(3)机械动力学仿真软件建立柔体模型的功能非常有限,而利用有限元分析软件的生成的MNF(模态中性文件)可输入到机械动力学仿真软件中生成的准确的柔体模型。
(4)尽管机械动力学软件能够确定零件间的相互动力关系和作用力,但不能分析零件的应力,只能借助有限元分析软件来完成。
四、CAE与其他CAX的集成
从以上的分析知道,要想更好地完成CAE任务,将CAE软件与其他的CAX集成使用会获得更好的效果。
作为一个例子,图2是实施这一集成的流程图。
这个例子中,首先由CAD软件生成几何模型,按.IGES格式或其他格式将模型输出,然后由有限元软件和机械动力学软件分别读入几何模型。
有限元软件根据CAD软件生成的几何模型和机械动力学软件计算得到的结点力完成应力、应变和模态分析并输出分析结果。
机械动力学软件所需要的模型分成两种类型:
刚体模型从CAD软件获得;柔体模型从有限元软件获得(.MNF格式文件)。
另外,如果某些零件的模型由机械动力学软件自己生成,根据需要可从CAD软件得到质量参数。
机械动力学仿真分析除了输出最终结果外,还可输出零件的运动关系和结点力供有限元分析之用。
再举一个汽车变速器CAD/CAM系统的实例。
该系统由CAD几何建模、参数优化设计、有限元分析、CAPP/CAM组成。
CAD软件采用Pro/E,由它完成几何建模并生成模型特征文件。
参数优化设计模块读入模型特征文件,对变速器的结构参数和性能参数进行优化。
优化过程中,调用有限元软件ANSYS计算零件的强度和刚度。
优化后的模型返回到Pro/E,并由它完成CAPP/CAM任务。
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