#悅享達(dá)索#福特汽車公司使用Abaqusfor3DSCATIA和Isight，加快錐形鉸接可制造性的設(shè)計(jì)速度

2016-10-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

據(jù)估計(jì),在照顧到其他日常工作的同時(shí),完成所有35次操作大約需要70天,我們卻只用了大約四天即完成了這項(xiàng)任務(wù)?！Ｌ仄嚬镜妆PCAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)工程師 Satyendra Savanur

研發(fā)高質(zhì)量的螺栓連接是汽車底盤設(shè)計(jì)不可分割的一部分。雖然與連接件的設(shè)計(jì)相比更鮮為人知,如連接副車架和轉(zhuǎn)向節(jié)連接的趾型連接臂連接,但是堅(jiān)固的螺栓連接對于提高操作性能和延長汽車性能壽命至關(guān)重要。松動(dòng)的接頭可影響校準(zhǔn)等的質(zhì)量問題,并最終影響連接部件的耐久性。一個(gè)設(shè)計(jì)合理的接頭效率更高,可以以更小尺寸的緊固件支撐更大的負(fù)載而不出現(xiàn)松動(dòng)。

福特汽車公司工程師的任務(wù)就是,為中型客車的后懸掛系統(tǒng)提供堅(jiān)固的懸臂式錐形鉸接設(shè)計(jì)(見圖一)。為了在滿足功能的情況下將時(shí)間和成本降至最低,團(tuán)隊(duì)使用針對結(jié)構(gòu)分析的Abaqus for 3DS CATIA(AFC)和針對流程自動(dòng)化和優(yōu)化的Isight,開發(fā)了自動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)流程。

“我們團(tuán)隊(duì)采用了AFC,以便以模板形式,為設(shè)計(jì)組織內(nèi)的更大的工程師團(tuán)隊(duì)提供標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力建模和仿真實(shí)踐。”福特底盤CAE工程師Satyendra Savanur說,“Isight與AFC的聯(lián)合,可以使我們研制出強(qiáng)大的自動(dòng)設(shè)計(jì)分析方法。我們使用近似模型中的響應(yīng)面模型,來找出接頭尺寸的最佳參數(shù)?！?

分析錐形鉸接的性能

螺栓連接是汽車懸掛系統(tǒng)中最常用的連接方法。在此連接方法中,錐形鉸接使用懸臂式連接方式,將趾型連接臂與后轉(zhuǎn)向節(jié)連接進(jìn)行連接。錐形鉸接的兩個(gè)接合部件——內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)——對錐角都有唯一的制造公差。

為了在內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)間實(shí)現(xiàn)牢固的錐形連接,應(yīng)考慮以下方面:

? 各個(gè)元件的制造公差

? 錐體和錐形座接觸面

? 錐角角度

? 工作負(fù)載移除后的轉(zhuǎn)矩?fù)p耗

為了對設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬測試,福特公司工程師根據(jù)使用3DS CATIA創(chuàng)建的模型的幾何信息和材料屬性,使用AFC來創(chuàng)建內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元模型。AFC與3DS CATIA模型保持關(guān)聯(lián),以確保CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))模型在設(shè)計(jì)變量范圍內(nèi)變更后,Abaqus 更新后的模型保持一致。

在物理裝配過程中,鍛鋼內(nèi)錐與鋁材轉(zhuǎn)向節(jié)座相連接。由于各個(gè)部件的制造工藝不同,內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)嚙合面的錐形設(shè)計(jì)的角公差也不同。

“由于角公差可能存在不對等,兩個(gè)表面嚙合,并完全施以扭動(dòng)力時(shí),接觸面積可能出現(xiàn)變化。”Savanur 說。嚙合材料可能出現(xiàn)局部變形現(xiàn)象,導(dǎo)致接觸面積和壓力分布在接頭組裝過程中出現(xiàn)變化。當(dāng)施加工作負(fù)載后,接觸面積和接觸壓力可能進(jìn)一步發(fā)生變化。

“因此,在分析時(shí),要對接頭組裝和接頭工作負(fù)載的施加或移除進(jìn)行模擬,這至關(guān)重要?！彼f,“我們的目標(biāo)就是針對錐體和轉(zhuǎn)向節(jié)所有的錐形不匹配情況提供穩(wěn)健的錐形鉸接計(jì)?！?

圖一:組裝前,使用錐形鉸接連接的趾型連接臂(黑色)和后轉(zhuǎn)向節(jié)(銀色)近視圖。

為了確保穩(wěn)健的接觸分析,以及接觸壓力分布,內(nèi)套管的網(wǎng)格被設(shè)計(jì)地與轉(zhuǎn)向節(jié)座的網(wǎng)格相匹配。為了在接觸面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格匹配,在樞軸連接座上創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的‘區(qū)域’(見圖二藍(lán)綠色部分),以簡化建網(wǎng)格過程。在Abaqus中,使用固連接觸將該部件與轉(zhuǎn)向節(jié)的其他部分相連。

為了模擬螺栓組裝過程,先在內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)接合座間創(chuàng)建一個(gè)虛擬螺栓。然后對內(nèi)套管中部施加外部的工作負(fù)載。在AFC中導(dǎo)入鋁和鋼的非線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線,以促進(jìn)非線性分析。在AFC中創(chuàng)建接觸對和螺栓張力。通過AFC,接觸面積輸出(CAREA)和接觸力值(CFNM)可用于后期處理。最后,Abaqus分析文件被導(dǎo)出并提交至高效能計(jì)算集群,以進(jìn)行分析。

管理DOE流程

福特需要對不同參數(shù)組合的大量設(shè)計(jì)進(jìn)行評估,這促使工程師開發(fā)了自動(dòng)化DOE流程。在該流程中,CAD幾何內(nèi)容更新和FEA(有限元分析)模型更新在同一環(huán)中完成,因此形成全自動(dòng)的DOE方法。

在福特公司,外部產(chǎn)品管理系統(tǒng)和3DS CATIA啟動(dòng)進(jìn)行了定制。腳本在對3DS CATIA界面進(jìn)行初始化前,會(huì)首先斷開與產(chǎn)品管理系統(tǒng)的連接。

圖二:錐形鉸接的CAE網(wǎng)格細(xì)節(jié)

圖三:使用Isight實(shí)現(xiàn)的一體化DOE自動(dòng)化環(huán)

通過外部Excel文件,將設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入3DS CATIA中,這是3DS CATIA更新設(shè)計(jì)表的通常方法。Excel文件的輸入?yún)?shù)再映射至Isight管理器的DOE任務(wù)中。在每一循環(huán)中,這可以實(shí)現(xiàn)Excel工作表的自動(dòng)更新。由于Excel與設(shè)計(jì)表實(shí)行同步,因此3DS CATIA中CAD幾何信息的更新都會(huì)反映在表中。在AFC中,幾何信息與FE(有限元)網(wǎng)格相關(guān)聯(lián),因此網(wǎng)格操作也更新至變更后的CAD數(shù)據(jù)中。

“通過開發(fā)一種單一的集成式流程,我們可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)幾何信息和網(wǎng)格的自動(dòng)更新?！盨avanur說。為了管理和控制DOE流程,使用Isight作為流程自動(dòng)化管理器。所產(chǎn)生的自動(dòng)化環(huán)會(huì)完全集成于3DS CATIA和AFC中,以進(jìn)行CAD更新,創(chuàng)建Abaqus FE模型,提交作業(yè),用于分析和后處理結(jié)果。

Isight環(huán)內(nèi)的Abaqus組件用于提取輸出內(nèi)容,包括DOE每次操作的CAREA和CFNM(見圖三)。然后,將Excel文件的輸入?yún)?shù)映射至這些輸出參數(shù)中,以創(chuàng)建Isight的近似模型。

“就我們而言,我們使用了響應(yīng)面模型的近似方法?！盨avanur說。這種錐形鉸接行為的近似模型可用于顯示輸入信息是如何影響輸出信息,并快速優(yōu)化錐形鉸接的。

“這是福特首次借助3DS CATIA的Abaqus軟件,使用集成式DOE自動(dòng)化環(huán)對幾何信息進(jìn)行改變?！盨avanur說。

Isight實(shí)現(xiàn)更高效的流程

3DS CATIA和AFC腳本、高性能計(jì)算作業(yè)提交批處理文件、Windows批處理命令文件的建立和驗(yàn)證均需要時(shí)間和資源,但只需進(jìn)行少量更改即可在后續(xù)項(xiàng)目中重復(fù)使用,因此值得采用。

“開發(fā)相同的3DS CATIA模型以及關(guān)聯(lián)的Excel設(shè)計(jì)表,并與相關(guān)的AFC模型相關(guān)聯(lián),這需要大約三天時(shí)間?！盨avanur說,“對之前開發(fā)的腳本進(jìn)行修改并調(diào)試,以用于新模型,這也需要一天時(shí)間。借助Isight,只需3個(gè)半小時(shí)即可完成35次分析操作?！?

“通常情況下,工程師手頭都有幾個(gè)項(xiàng)目,并在各個(gè)項(xiàng)目中取得平衡,這種情況下,手動(dòng)CAE操作需要兩天時(shí)間才完成一個(gè)操作。當(dāng)然,如果項(xiàng)目重要,時(shí)間也可以縮短?！备Ｌ氐妆PCAE主管Joe Peters說。

在CAE和CAD機(jī)構(gòu)間來回轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)通常導(dǎo)致效率低下,因?yàn)槊總€(gè)人員有多項(xiàng)任務(wù),當(dāng)需要新設(shè)計(jì)時(shí),也不會(huì)馬上停下手中的工作。這類似于CPU時(shí)間和掛鐘時(shí)間。

“據(jù)估計(jì),在照顧到其他日常工作的同時(shí),完成所有35次操作大約需要70天;然而,我們的新流程消除了手動(dòng)CAD/CAE操作導(dǎo)致的低效率。”Savanur說,“通過Isight,創(chuàng)建集成的、自動(dòng)的閉環(huán)DOE流程,我們大約四天就完成這項(xiàng)任務(wù)。這是CAE機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精益管理,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目在成本和時(shí)間上的目標(biāo)的唯一方法?！?

“使用自動(dòng)化的DOE流程,我們大大縮短了開發(fā)穩(wěn)固的錐形鉸接的時(shí)間,并將資源使量降至最低?！盤eters說,“從CAD中創(chuàng)建CAE模型的自動(dòng)化流程,最大程度地為我們節(jié)省了時(shí)間。這也證明,使用創(chuàng)新技術(shù)的小型CAE團(tuán)隊(duì)可幫助福特實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)?！?

使用AFC,并創(chuàng)建基于Isight的集成式閉環(huán)DOE流程,福特可制造出穩(wěn)固的錐形鉸接設(shè)計(jì)。該接頭具有良好的接觸面,并在規(guī)定的制造公差范圍內(nèi),在移除負(fù)載后保持夾緊力。

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