【案例分析】汽車設(shè)計(jì)：高級(jí)非線性仿真

2016-11-03 by:CAE仿真在線來源:ANSYS

作者:Toru Hiyake

本文為利用ANSYS的各種非線性結(jié)構(gòu)仿真功能,幫助汽車公司迅速將可靠產(chǎn)品投放市場(chǎng)的一個(gè)典型案例。

汽車公司必須開發(fā)出相關(guān)流程,以盡可能短的時(shí)間完成從繪圖板到裝配線的設(shè)計(jì)

公司必須通過創(chuàng)新保持競(jìng)爭(zhēng)力,因此工程團(tuán)隊(duì)承受著快速設(shè)計(jì)和交付高質(zhì)量零部件的壓力。為贏得成功,汽車公司必須開發(fā)出相關(guān)流程,以盡可能短的時(shí)間完成從繪圖板到裝配線的設(shè)計(jì)。工程仿真是能夠縮短開發(fā)時(shí)間的關(guān)鍵要素,它可遠(yuǎn)早于開展測(cè)試前在虛擬環(huán)境中預(yù)測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際行為,便于汽車公司開展迭代設(shè)計(jì),以迅速滿足產(chǎn)品要求。采用高保真度、經(jīng)過驗(yàn)證功能的分析能讓工程師低成本地判斷各種汽車應(yīng)用的性能與可靠性。仿真在汽車行業(yè)有著巨大的潛力。下文只介紹了仿真為汽車工程師提供的一部分結(jié)構(gòu)功能、應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)。

減振橡膠

減振橡膠同時(shí)具備彈性和粘性特征。在用于汽車部件相接接的地方時(shí),它可阻擋振動(dòng)傳遞。為減振橡膠建模的方法之一是使用ANSYS Mechanical中的一維非線性彈簧阻尼器COMBIN14單元。該單元可直接使用彈簧特性和通過實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)為橡膠的非線性行為建立模型。這種技術(shù)的應(yīng)用方法例子如:懸掛系統(tǒng)下控制臂的強(qiáng)度分析,這里需要在兩個(gè)襯套位置定義非線性彈簧。

但減振橡膠產(chǎn)品性能的詳細(xì)評(píng)估需要對(duì)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行分析。這要求正確識(shí)別這種非線性材料的特性,以確保準(zhǔn)確的收斂分析。ANSYS Mechanical提供10多種本構(gòu)超彈性模型(包括Mooney-Rivlin和Ogden模型)。這些材料模型中包含的參數(shù)可使用提供的曲線擬合工具根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)確定。為克服可能的收斂問題,ANSYSMechanical中提供一種采用混合u-P方法(同時(shí)將位移和壓力作為變量處理)的特殊低階四面體單元,在近似不可壓縮性橡膠材料的情況可以使用。使用這種單元有助于求解大型橡膠變形和復(fù)雜接觸條件,使用其它單元類型求解時(shí)可能會(huì)耗時(shí)較多或難度較大。

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圖1 定義非線性彈簧特性

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圖2 下控制臂襯套安裝仿真

部分減振橡膠產(chǎn)品內(nèi)含流體,能提供流體阻力來優(yōu)化衰減。這方面的例子如液封發(fā)動(dòng)機(jī)架。此類產(chǎn)品的詳細(xì)分析必須說明結(jié)構(gòu)和流體特性。為幫助解決這些問題,ANSYS提供了功能強(qiáng)大的多物理場(chǎng)技術(shù),它將結(jié)構(gòu)求解器(ANSYSMechanical)和流體求解器(ANSYSFluent或ANSYS CFX)耦合在一起。該技術(shù)可得到流體—結(jié)構(gòu)耦合解(雙向流固耦合[FSI]分析)。

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圖3 用于計(jì)算材料模型參數(shù)的曲線擬合窗口

圖4 橡膠襯套的應(yīng)力等值線圖

輪胎與懸掛

輪胎是車輛與地面接觸的唯一部件,所以輪胎會(huì)嚴(yán)重影響車輛的性能,從安全性到?jīng)Q定駕乘舒適性的振動(dòng)/噪聲水平。輪胎仿真需要用于復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建模技術(shù)。ANSYS提供專門的增強(qiáng)型單元(REINF263-265)為輪胎內(nèi)的許多增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

輪胎工作時(shí),內(nèi)部氣壓并不隨時(shí)間保持恒定,因?yàn)榕c地面接觸會(huì)造成變形。這種因幾何結(jié)構(gòu)變化造成的壓力變化可通過定義輪胎的靜液壓流體單元(HSFLD241-242)進(jìn)行表達(dá)。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)架的流速矢量和應(yīng)力等值線圖

圖6 雙向FSI耦合技術(shù)

懸掛能改善駕乘質(zhì)量和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。懸掛與輪胎在控制車輛的動(dòng)態(tài)特性方面非常重要。懸掛只有在承受整個(gè)車輛的重量時(shí)才會(huì)發(fā)揮自己的功能,因此初始狀態(tài)的特性很重要。對(duì)于這類仿真,ANSYS Workbench環(huán)境提供名為線性攝動(dòng)的分析過程。要執(zhí)行鋼板彈簧懸掛的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)分析,首先應(yīng)將車輛重量的分載荷應(yīng)用在懸掛模型上,確定靜載荷造成的變形(靜分析)。在本例中,這個(gè)階段包含了涉及鋼板彈簧間接觸的非線性分析和前文所述的輪胎建模。接下來使用相同的模型開展本征值分析(模態(tài)分析)。這個(gè)階段所需的所有初始條件,如靜載荷造成的變形和產(chǎn)生的初始應(yīng)力將通過Workbench中的簡(jiǎn)單拖放操作傳遞給模態(tài)分析。最后進(jìn)行模態(tài)頻率響應(yīng)分析(諧波響應(yīng))。這時(shí)同樣通過拖放把頻率響應(yīng)計(jì)算所需的設(shè)置信息從本征值模態(tài)分析中傳遞到另一個(gè)系統(tǒng)。

隨著仿真具有更高的保真度和包含更多的物理場(chǎng),穩(wěn)定可靠的HPC結(jié)構(gòu)能夠推動(dòng)求解過程。

制動(dòng)

制動(dòng)無疑是車輛最重要的安全特性之一,因?yàn)橹苿?dòng)能讓車輛減速并停止。因此制動(dòng)每一次都能正常發(fā)揮作用相當(dāng)關(guān)鍵。制動(dòng)由旋轉(zhuǎn)制動(dòng)盤和從兩側(cè)夾緊它的剎車片組成。制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱、磨損和尖叫噪聲,制造商需要在設(shè)計(jì)中對(duì)每種現(xiàn)象進(jìn)行審核。ANSYS Mechanical能借助接觸單元為這些現(xiàn)象建立模型,確保性能、安全和乘客舒適性。

圖7 車輪和輪胎模型

圖8 接地面的變形(上圖)和壓力等值線圖(下圖)

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圖9 非線性靜態(tài)分析

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圖10 本征值/模態(tài)分析(含初始應(yīng)力)

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圖11 頻率響應(yīng)分析(應(yīng)用模式)

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圖12 ANSYS Workbench實(shí)現(xiàn)三種分析的鏈接并在其之間傳遞數(shù)據(jù)

許多卡扣裝配體在非常小的載荷下就會(huì)出現(xiàn)大幅位移。把載荷分割成眾多小步有助于平滑收斂;另外還可以獲取關(guān)鍵夾持點(diǎn)。

ANSYS HPC將仿真時(shí)間縮短了50%,使該公司能夠在一個(gè)星期時(shí)間內(nèi)完成夾持和開鋏過程的結(jié)構(gòu)仿真。

分析設(shè)置

用于ANSYS Mechanical的分布式內(nèi)存并行求解器通?？梢蕴峁┳羁烨蠼鈺r(shí)間。這種求解器把模型分解成域,然后把各個(gè)域發(fā)送到不同內(nèi)核進(jìn)行求解。不同內(nèi)核之間需要進(jìn)行大量通信。在求解結(jié)束時(shí)自動(dòng)合并相關(guān)結(jié)果。有些情況下(通常涉及大變形單元和過高應(yīng)變)分布式求解器會(huì)突然中止。此時(shí)工程師可以采用共享內(nèi)存并行求換器。

后處理

關(guān)鍵是了解卡扣裝配體需要的最大力;當(dāng)涉及多個(gè)步驟時(shí),各個(gè)步驟需要的力值也很重要。為了更加明確,法雷奧的工程師在反作用力曲線每個(gè)峰值旁邊覆蓋相應(yīng)變形模型。在壓縮過程中熱塑性材料非常強(qiáng)勁下,拉伸區(qū)域的結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)過程至關(guān)重要。但是,如果在壓縮過程中出現(xiàn)高應(yīng)力與應(yīng)變,則有可能出現(xiàn)塑性變形。此情況下則根據(jù)材料與卡扣設(shè)計(jì)逐例處理壓縮結(jié)果。

借助非線性仿真方面的最佳實(shí)踐與ANSYS Mechanical軟件,法雷奧的工程師確信其卡扣產(chǎn)品能夠可靠工作。在設(shè)計(jì)過程初期進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真有助于避免產(chǎn)生多個(gè)原型、返工和加工變更相關(guān)的費(fèi)用。ANSYS高性能計(jì)算解決方案將仿真時(shí)間縮短了50%,使該公司能夠在一個(gè)星期時(shí)間內(nèi)完成夾持和開鋏過程的結(jié)構(gòu)仿真。