汽車人最愛的CAE分析應用實例

上回書說到《看看汽車與CAE是怎么相愛的》,來了個CAE汽車應用大盤點,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€活生生的應用實例,歡迎大家一起學習、探討!

1970年,NASA 引入NASTRAN ,標志著以有限元分析為基礎的結構設計與分析的開始。經(jīng)過近四十年的發(fā)展,現(xiàn)在其應用領域主要有:工程數(shù)值分析 、結構優(yōu)化設計 、運動學/動力學仿真等。

以有限元分析方法為代表的CAE技術已應用于對車輛的各種模擬和分析之中,從汽車結構的強度分析,設計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的了解。

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

在CAE領域, Hypermesh最著名的特點是它強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算機工組站上的。

所以采用一個功能強大,使用靈活,并能夠與眾多CAD系統(tǒng)和有限元求解器進行方便的數(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;縫合沒有公共邊的相鄰曲面。

② 細小特征處理:刪除細小幾何特征(如掛鉤、門鎖裝置、小孔、圓角),以提高計算經(jīng)濟性。

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)格劃分標準的確立: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、MPC,節(jié)點相連等。

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,351個MPC單元 。

模態(tài)是結構的固有振動特性。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),則稱為計算模態(tài)分析;如果是通過試驗法獲得模態(tài)參數(shù),則稱為試驗模態(tài)分析。

通過計算模態(tài)分析得到的模態(tài)參數(shù)與通過試驗模態(tài)分析得到的模態(tài)參數(shù)進行對比,就可以驗證有限元模型是否正確,從而保證剛度、強度的計算結果能夠反映真實情況。

通過計算模態(tài)分析還可以得到試驗模態(tài)分析中無法得到的模態(tài)參數(shù),從而更準確的了解結構的振動特性,為結構改進提供依據(jù)。

將駕駛室有限元模型導入MSC.Patran進行前處理,設置計算類型、輸出文件格式、計算頻率范圍等,再提交Nastran計算,得到駕駛室的自由模態(tài)參數(shù)。

駕駛室一階計算模態(tài)振型圖

YZ平面的一階扭轉

駕駛室四階計算模態(tài)振型圖

Z向,上下反向一階彎曲

駕駛室五階計算模態(tài)振型圖

Z向,上下同向一階彎曲

駕駛室六階計算模態(tài)振型圖

彎扭結合,XY平面扭轉和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。

強度是指機械零件在工作時抵抗破壞,包括結構斷裂、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度以保證其裝配和使用的要求。

在Hypermesh中設置好約束和載荷條件后導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進行計算。

駕駛室的約束和載荷條件如下:

約束條件:釋放前懸置點X軸平動和Y軸的轉動。

釋放后懸置點Y軸的轉動。

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。

計算得其彎曲剛度為6.01kN/mm。

彎曲工況下駕駛室的應力云圖

應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。

材料的許用應力為156.7MPa ,大于其最大應力,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)應力和應變作用下,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 。

名義應力法(S-N法)是最早形成的抗疲勞設計方法,它以材料或零件的S-N曲線為基礎,對照結構疲勞危險部位的應力集中系數(shù)和名義應力,結合疲勞積累損傷理論,校核疲勞強度或計算疲勞壽命。

此方法廣泛應用于外加應力名義上在材料的彈性范圍內,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上發(fā)展起來的疲勞仿真分析軟件系統(tǒng)。

可用于結構的初始裂紋分析、裂紋擴展分析、應力壽命分析、焊接壽命分析、整體壽命預估分析、疲勞優(yōu)化設計、振動疲勞分析、多軸疲勞分析、點焊疲勞分析及數(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、壽命結果。

Fatigue分析流程

首先進行扭轉強度分析,得到其應力分布情況作為載荷條件。

扭轉約束及載荷情況:

約束條件:釋放后懸置點X軸的轉動。

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

駕駛室扭轉工況應力云圖

應力主要集中在后懸置點、車窗窗框、前圍、駕駛室地板大梁附近等處。

最大應力出現(xiàn)在駕駛室右后懸置點處,大小為94.9MPa 。

在Fatigue中設置其載荷條件、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

駕駛室疲勞危險點云圖

駕駛室最小壽命為3.47×106次。

疲勞危險點出現(xiàn)在后懸置點、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計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車碰撞試驗來檢驗。

但是碰撞試驗對車輛進行的是破壞性試驗, 為了檢驗一項設計目標往往需要反復的碰撞試驗, 試驗費用相當昂貴。

通過模擬仿真計算, 可以在汽車設計和改進的過程中經(jīng)濟有效的提供一些基本規(guī)律和指導方向, 減少試驗次數(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,能夠模擬真實世界的各種復雜問題,特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、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。

將設置好的座椅頭枕碰撞模型導入LS-DYNA 中計算,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算機技術的發(fā)展,CAE技術的運用將更加廣泛。

轉自:“工程事”