【案例分析】汽車設計：高級非線性仿真

2016-11-03 by:CAE仿真在線來源:ANSYS

作者:Toru Hiyake

本文為利用ANSYS的各種非線性結構仿真功能,幫助汽車公司迅速將可靠產品投放市場的一個典型案例。

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

公司必須通過創(chuàng)新保持競爭力,因此工程團隊承受著快速設計和交付高質量零部件的壓力。為贏得成功,汽車公司必須開發(fā)出相關流程,以盡可能短的時間完成從繪圖板到裝配線的設計。工程仿真是能夠縮短開發(fā)時間的關鍵要素,它可遠早于開展測試前在虛擬環(huán)境中預測產品的實際行為,便于汽車公司開展迭代設計,以迅速滿足產品要求。采用高保真度、經過驗證功能的分析能讓工程師低成本地判斷各種汽車應用的性能與可靠性。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構功能、應用和優(yōu)勢。

減振橡膠

減振橡膠同時具備彈性和粘性特征。在用于汽車部件相接接的地方時,它可阻擋振動傳遞。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驗獲得的數(shù)據(jù)為橡膠的非線性行為建立模型。這種技術的應用方法例子如:懸掛系統(tǒng)下控制臂的強度分析,這里需要在兩個襯套位置定義非線性彈簧。

但減振橡膠產品性能的詳細評估需要對產品的三維模型進行分析。這要求正確識別這種非線性材料的特性,以確保準確的收斂分析。ANSYS Mechanical提供10多種本構超彈性模型(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)實驗數(shù)據(jù)自動確定。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雜接觸條件,使用其它單元類型求解時可能會耗時較多或難度較大。

圖1 定義非線性彈簧特性

圖2 下控制臂襯套安裝仿真

部分減振橡膠產品內含流體,能提供流體阻力來優(yōu)化衰減。這方面的例子如液封發(fā)動機架。此類產品的詳細分析必須說明結構和流體特性。為幫助解決這些問題,ANSYS提供了功能強大的多物理場技術,它將結構求解器(ANSYSMechanical)和流體求解器(ANSYSFluent或ANSYS CFX)耦合在一起。該技術可得到流體—結構耦合解(雙向流固耦合[FSI]分析)。

圖3 用于計算材料模型參數(shù)的曲線擬合窗口

圖4 橡膠襯套的應力等值線圖

輪胎與懸掛

輪胎是車輛與地面接觸的唯一部件,所以輪胎會嚴重影響車輛的性能,從安全性到決定駕乘舒適性的振動/噪聲水平。輪胎仿真需要用于復雜內部結構的建模技術。ANSYS提供專門的增強型單元(REINF263-265)為輪胎內的許多增強結構進行建模。

輪胎工作時,內部氣壓并不隨時間保持恒定,因為與地面接觸會造成變形。這種因幾何結構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)進行表達。

圖5 發(fā)動機架的流速矢量和應力等值線圖

圖6 雙向FSI耦合技術

懸掛能改善駕乘質量和轉向穩(wěn)定性。懸掛與輪胎在控制車輛的動態(tài)特性方面非常重要。懸掛只有在承受整個車輛的重量時才會發(fā)揮自己的功能,因此初始狀態(tài)的特性很重要。對于這類仿真,ANSYS Workbench環(huán)境提供名為線性攝動的分析過程。要執(zhí)行鋼板彈簧懸掛的靜態(tài)/動態(tài)分析,首先應將車輛重量的分載荷應用在懸掛模型上,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)。這個階段所需的所有初始條件,如靜載荷造成的變形和產生的初始應力將通過Workbench中的簡單拖放操作傳遞給模態(tài)分析。最后進行模態(tài)頻率響應分析(諧波響應)。這時同樣通過拖放把頻率響應計算所需的設置信息從本征值模態(tài)分析中傳遞到另一個系統(tǒng)。

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

制動

制動無疑是車輛最重要的安全特性之一,因為制動能讓車輛減速并停止。因此制動每一次都能正常發(fā)揮作用相當關鍵。制動由旋轉制動盤和從兩側夾緊它的剎車片組成。制動時會產生熱、磨損和尖叫噪聲,制造商需要在設計中對每種現(xiàn)象進行審核。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)

圖9 非線性靜態(tài)分析

圖10 本征值/模態(tài)分析(含初始應力)

圖11 頻率響應分析(應用模式)

圖12 ANSYS Workbench實現(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;另外還可以獲取關鍵夾持點。

ANSYS HPC將仿真時間縮短了50%,使該公司能夠在一個星期時間內完成夾持和開鋏過程的結構仿真。

分析設置

用于ANSYS Mechanical的分布式內存并行求解器通常可以提供最快求解時間。這種求解器把模型分解成域,然后把各個域發(fā)送到不同內核進行求解。不同內核之間需要進行大量通信。在求解結束時自動合并相關結果。有些情況下(通常涉及大變形單元和過高應變)分布式求解器會突然中止。此時工程師可以采用共享內存并行求換器。

后處理

關鍵是了解卡扣裝配體需要的最大力;當涉及多個步驟時,各個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峰值旁邊覆蓋相應變形模型。在壓縮過程中熱塑性材料非常強勁下,拉伸區(qū)域的結果對設計過程至關重要。但是,如果在壓縮過程中出現(xiàn)高應力與應變,則有可能出現(xiàn)塑性變形。此情況下則根據(jù)材料與卡扣設計逐例處理壓縮結果。

借助非線性仿真方面的最佳實踐與ANSYS Mechanical軟件,法雷奧的工程師確信其卡扣產品能夠可靠工作。在設計過程初期進行結構仿真有助于避免產生多個原型、返工和加工變更相關的費用。ANSYS高性能計算解決方案將仿真時間縮短了50%,使該公司能夠在一個星期時間內完成夾持和開鋏過程的結構仿真。