搜索汽車零部件有限元分析中的應(yīng)用
2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
隨著計算機輔助設(shè)計和制造技術(shù)的日趨成熟,設(shè)計人員迫切需要一種能對所做的設(shè)計進(jìn)行快速、精確評價分析的工具,而不再僅僅依靠以往積累的經(jīng)驗和知識去估計。Altair 公司HyperWorks 軟件正是這樣一個有效的工具。他能與常用的 CAD 軟件相集成,實現(xiàn)"設(shè)計-校核-再設(shè)計"的功能,可以輕松的直接從 CAD 軟件中讀取幾何文件,并將最終的仿真計算結(jié)果反饋到 CAD 幾何模型的設(shè)計中。同時由于有限元計算的高精度,可以減少試驗次數(shù),大大降低產(chǎn)品開發(fā)成本,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。
本文通過兩個案例,闡述了如何利用 HyperWorks 軟件簡化邊界條件及計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強度,并通過與理論解的對比,驗證 HyperWorks 軟件在有限元計算方面的準(zhǔn)確性。
2 案例一:摩擦片從動盤的強度計算
由于摩擦片的形狀比較特殊,九個葉片和內(nèi)部八根加強筋呈同心圓分布,本案例介紹了如何靈活使用簡化方法劃分有限元網(wǎng)格及簡化加載。摩擦片從動盤的幾何模型如圖 1 所示。
2.1 摩擦片從動盤有限元模型的建立
由上述圖 1 可見,摩擦片從動盤的九個葉片和八根加強筋呈同心圓分布,因此在劃分此摩擦片從動盤有限元模型時可以將劃分過程分成兩部分:內(nèi)圈加強筋部分和葉片部分,在接合部分進(jìn)行局部修改縫合。首先可以將內(nèi)圈幾何模型分成八部分,葉片分成九部分,分別選取其中的一片進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖 2 所示。再使用 HyperMesh 的旋轉(zhuǎn)功能 Rotate 劃分出整個網(wǎng)格,最后進(jìn)行局部縫合,這樣,整個摩擦片從動盤的 2D 網(wǎng)格就完成了,繼續(xù)使用3D 中的拉伸功能,完整的三維網(wǎng)格就建立成功了,如圖 3 所示。
2.2 材料和邊界條件
該摩擦片從動盤采用 QT450 制成,其材料參數(shù)如表 1 所示。
模型的強度不僅與模型的建立有關(guān),還和模型邊界條件的定義有密切關(guān)系。上述摩擦片在運行過程中靠外圍的九個葉片的相互摩擦來其到制動作用。但是從圖 3 我們可以看出,有限元模型中葉片的單元節(jié)點數(shù)目非常巨大,并且每個節(jié)點受力方向都是沿著其切線方向,因此如果每個節(jié)點都按實際情況加載,將非常困難。因此我建議將每個葉片上的載荷進(jìn)行簡化,分別在每個葉片的中部做一個剛性元,把葉片上所有節(jié)點約束到一起,再分別對每個葉片加載,從動盤載荷及約束有限元模型如圖 4 所示。
2.3 強度計算結(jié)果
摩擦片從動片采用 QT450-10 球墨鑄鐵制成,上下兩面均與主動片摩擦,最大受到2500N·M 的扭矩作用。換算后,每個小片受到 844N 的摩擦力。其 Von Mises 應(yīng)力及應(yīng)變云圖如圖 5 和圖 6 所示,強度計算結(jié)果如表 2 所示。
2.4 摩擦片從動盤計算結(jié)果分析
由上述計算結(jié)果可知:案例使用的簡化方法加載方法對仿真計算結(jié)果影響不大,仿真計算結(jié)果與理論計算值相差很小,只有 2.7%,由此可知,簡化方法應(yīng)用得當(dāng),仿真計算結(jié)果非常準(zhǔn)確。
3 案例二:某發(fā)動機飛輪殼及傳動系剛度和模態(tài)分析
發(fā)動機飛輪殼是發(fā)動機中一個重要的組成部分,它的剛度直接影響到整個發(fā)動機系統(tǒng)的性能。同時傳動系作為一個大總成,在試驗中很難測得其模態(tài),而借助于有限元技術(shù)很容易計算其固有模態(tài)。本文介紹了通過在飛輪殼圓心處加集中力矩和在每個受力位置分別加載外力的兩種方法計算飛輪殼的剛度,并對比計算結(jié)果,同時通過用HyperWorks 求解飛輪殼及傳動系的剛度,來展示仿真分析在復(fù)雜結(jié)構(gòu)計算上的優(yōu)勢。
3.1 飛輪殼及傳動系有限元模型的建立及載荷的確立
飛輪殼及傳動系的有限元模型如圖 7﹑圖 8 和圖 9 所示,其中圖 7 和圖 8 分別為飛輪殼在集中力矩和均布力兩種加載方式下有限元模型圖。飛輪殼共劃分節(jié)點 41547 個,單元148704 個;傳動系建?？偣灿泄?jié)點 143403 個,單元 590833 個。
飛輪殼剛度計算時,約束殼體 12 個螺栓孔,載荷有兩種方案:
方案一:均布力作用,在頂部 12 個螺栓上分別加載 83.3N。
方案二:集中力矩作用,通過剛性連接,在飛輪殼的中間位置加載一個 1000N·M 的力矩。
飛輪殼的密度 ρ=6950Kg/m3,缸體質(zhì)量為 214Kg,缸蓋質(zhì)量為 77Kg,起動機質(zhì)量為 24.2Kg,配載的大同 9js 變速箱質(zhì)量為 375Kg。
3.2 飛輪殼及傳動系結(jié)算結(jié)果
飛輪殼在兩種加載方案下的應(yīng)力,應(yīng)變云圖類似,圖 10 和圖 11 給出了飛輪殼在均布力作用下的應(yīng)力和應(yīng)變云圖,其計算結(jié)果如表 3 所示。飛輪殼和傳動系的模態(tài)計算結(jié)果如表4 和表 5 所示。
由表 3 可知,兩種加載方案的計算結(jié)果相差只有 0.93%,因此兩種加載方案在剛度計算中都適用。
4 結(jié)論
由上述兩個案例可見,HyperWorks 在汽車零部件的各種有限元分析中都能發(fā)揮極大的作用,快速的建模,良好的可操作性,優(yōu)秀的可視化效果都使我們在分析汽車零部件時,更加省時省力。HyperWorks 操作簡單,對零部件的計算,精度比較高,它的應(yīng)用將大大減少試驗費用,提高分析效率,加快產(chǎn)品研發(fā)的進(jìn)程。
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