ANSYS對零部件設(shè)計(jì)中的解決方案

2013-08-07 by:CAE/FEA技術(shù)推廣中心來源:仿真在線

1、發(fā)動機(jī)機(jī)體

發(fā)動機(jī)機(jī)體同時(shí)承受高著熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷工作,本質(zhì)上是多物理場偶合工作體,ANSYS 多物理場分析的功能為發(fā)動機(jī)的分析提供了完整的解決方案。

ADAPCO 公司用ANSYS 詳盡地進(jìn)行了某V6發(fā)動機(jī)機(jī)體的熱分析、結(jié)構(gòu)分析、動力分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析(圖13,14)。對產(chǎn)品開發(fā)作用特別明確。

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圖13 V6 發(fā)動機(jī)實(shí)物

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圖14 發(fā)動機(jī)整體模型

1.1 柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動件
活塞、曲柄連桿等運(yùn)動件是高熱/機(jī)械負(fù)荷部件,因?yàn)橥鶑?fù)運(yùn)動,其質(zhì)量對整個(gè)發(fā)動機(jī)性能非常重要。ANSYS 分析熱和機(jī)械載荷下的形狀及應(yīng)力為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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圖15 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的柔體運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析

連桿強(qiáng)度向來是發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵,ANSYS 柔體-柔體接觸計(jì)算功能可以準(zhǔn)確模擬連桿與大頭蓋、主銷、曲柄銷間聯(lián)合工作狀況。這是ANSYS 系統(tǒng)分析功能和強(qiáng)大的接觸功能體現(xiàn)。

ANSYS 曲軸結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析功能計(jì)算出曲軸扭轉(zhuǎn)與彎曲模態(tài),通過頻率優(yōu)化達(dá)到減震效果。ANSYS 的疲勞計(jì)算功能,精確的計(jì)算曲軸傳統(tǒng)疲勞強(qiáng)度,同時(shí)還可計(jì)算出曲軸的強(qiáng)度因子,從而預(yù)測疲勞裂紋的產(chǎn)生及疲勞壽命。應(yīng)用ANSYS 對曲軸軸頸及油膜進(jìn)行流-固耦合分析評價(jià)高曲軸的耐磨性。

曲軸連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動件的重量優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅是節(jié)省材料及發(fā)動機(jī)重量降低,運(yùn)動件質(zhì)量對改善發(fā)動機(jī)整體的工作狀況特別有效,ANSYS 形狀優(yōu)化的功能可以對活塞內(nèi)腔、活塞銷孔、連桿形狀、曲軸圓角和曲柄臂尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 機(jī)體:
缸蓋、箱體、缸套

機(jī)體、缸蓋的熱分析特別重要,熱疲勞是失效和“拉缸”主要原因,為保證可靠性與耐久性,應(yīng)用ANSYS分析機(jī)械和熱負(fù)荷下的剛度、強(qiáng)度是設(shè)計(jì)師的首選。ANSYS 可準(zhǔn)確地計(jì)算出機(jī)體的自振頻率及模態(tài)。以控制噪聲源。此外ANSYS 可模擬機(jī)體的熱沖擊實(shí)驗(yàn)、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析可計(jì)算出機(jī)械負(fù)載、熱負(fù)荷雙重作用下機(jī)體的變形,應(yīng)力分布。流體-結(jié)構(gòu)偶合分析軸承油膜狀態(tài)進(jìn)行潤滑系設(shè)計(jì)等等。

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圖16 缸蓋、箱體分析

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圖17 廣州柴油機(jī)公司利用ANSYS 熱分析功能模

擬某型號發(fā)動機(jī)機(jī)體熱沖擊實(shí)驗(yàn),根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)結(jié)構(gòu),效果明確。

1.3 氣機(jī)構(gòu):
進(jìn)排氣門、氣門彈簧、搖臂、推桿、挺桿、凸輪軸、正時(shí)齒輪

配氣機(jī)構(gòu)影響發(fā)動機(jī)性能,要求進(jìn)行精確計(jì)算。ANSYS 系統(tǒng)分析能夠考慮配氣機(jī)構(gòu)中各個(gè)部件的彈性變形,從而取得比剛體假定更精確凸輪-氣門規(guī)律。

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圖18 大連機(jī)車車輛廠利用ANSYS 結(jié)構(gòu)分析

找到了構(gòu)搖臂座裂紋發(fā)生的原因。提出改進(jìn)方法。

氣門彈簧承受高頻交變載荷,伴隨著多氣門設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢,彈簧尺寸限制更大, ANSYS非線性瞬態(tài)動力分析及疲勞分析的功能,可較好地解決非線性變節(jié)距彈簧高應(yīng)力破壞及疲勞損壞問題。排氣閥受高速沖擊載荷、受高溫燃?xì)鉀_刷,ANSYS 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析可仿真,熱疲勞分析預(yù)測可靠性都是十分有效。

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圖19 進(jìn)氣螺旋圖

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圖20 消聲器熱分析圖

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圖21 增壓器渦輪分析

配氣機(jī)構(gòu)分析中存在著大量的接觸問題,ANSYS 高級接觸單元、接觸向?qū)?、智能化接觸參數(shù)設(shè)置的功能引導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師方便、有效、快速地進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)的非線性分析,解除了計(jì)算者非線性參數(shù)選取試湊的苦惱,大大加速了分析進(jìn)度。

1.4 進(jìn)排氣系:
空氣濾清器、進(jìn)排氣道、增壓器、消聲器

進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系到結(jié)構(gòu)-熱-流體-聲的綜合作用,是典型的多物理場問題。ANSYS 計(jì)算流體動力學(xué)可計(jì)算氣道的流場分布、壓力分布、溫度分布、湍流動能、湍流耗散率,得到氣道幾何形狀對進(jìn)氣效率的影響,;通過ANSYS 獨(dú)一無二的流場優(yōu)化功能,可使發(fā)動機(jī)由于進(jìn)排氣阻力而造成的功率損失減至最低。

進(jìn)排氣系是汽車噪聲的重要噪聲源,ANSYS 聲場分析和聲場優(yōu)化可求解出聲壓分布及分貝級別,通過對消聲器的聲-流體-結(jié)構(gòu)耦合的優(yōu)化仿真,可大大降低排氣噪聲、減小排氣阻力。增壓器渦輪有輪-軸過盈配合、超高速旋轉(zhuǎn)、和葉片振動等嚴(yán)格的工作條件,ANSYS 協(xié)助用戶完美解決了工程中提出的多項(xiàng)技術(shù)問題。

1.5 燃油供給系:
油箱、油泵、高壓油管

燃油噴射和進(jìn)氣螺旋關(guān)系到燃燒充分和排放,ANSYS 流體動力學(xué)分析及優(yōu)化功能允許設(shè)計(jì)師在物理樣機(jī)制造之前考查多種氣道方案得到最優(yōu)設(shè)計(jì)。

國家已經(jīng)禁止化油器車銷售,電噴技術(shù)普遍應(yīng)用,通過電控實(shí)現(xiàn)智能燃油供給,提高功率和控制排放,ANSYS 多物理場仿真技術(shù)可模擬電噴過程的“電-磁-結(jié)構(gòu)多場耦合”的工作狀況,為電噴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了從性能評價(jià)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整解決方案。

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圖22 散熱片流-固耦合分析圖圖23 散熱器模態(tài)分析

1.6 冷卻系:
冷卻系設(shè)計(jì)焦點(diǎn)是結(jié)構(gòu)、空氣、水、油和熱的流動和傳遞過程,分析項(xiàng)目主要是計(jì)算流體力學(xué)和偶合分析。ANSYS 分析得到冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動、溫度分布、與結(jié)構(gòu)壁面的對流換熱系數(shù)等,從而為冷卻系的設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

2、傳動系:

變速箱、離合器、萬向節(jié)、主減速器、差速器、半軸、液力偶合器與液力變速器等傳動系承擔(dān)功率傳遞功能,部件在隨機(jī)高載荷條件下工作,強(qiáng)度震動問題始終是主要矛盾。以主傳動螺旋傘齒輪為例,過去FEM 分析只能針對嚙合過程的一個(gè)狀態(tài)分析,現(xiàn)在ANSYS 可以在嚙合運(yùn)動全過程中分析齒輪對的強(qiáng)度、剛度響應(yīng)。因?yàn)榉治鰧ο罂梢园X輪軸和軸承座,這就可能發(fā)現(xiàn)因?yàn)辇X輪軸或軸承座剛度不足而造成螺旋傘齒輪對碎齒問題(圖24)。

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圖24 齒輪滾動接觸分析

高檔汽車采用液力變速器是靠流體在泵輪、導(dǎo)向輪和渦輪間液體耦合的相互作用工作的。ANSYS 流體和非線性流-固耦合的分析功能,可預(yù)測其工作性能與可靠性。

傳動軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動是產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵,ANSYS 模態(tài)分析可準(zhǔn)確的預(yù)測其自振頻率及振型,指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

萬向節(jié)密封套在大變形條件下工作,設(shè)計(jì)上壽命至少要求達(dá)到一個(gè)大修期。韓國大成公司采用ANSYS 軟件對封套進(jìn)行損傷壽命及密封性能預(yù)測,得出了不同的軸交叉角與應(yīng)力關(guān)系曲線,完好地解決了密封套的壽命設(shè)計(jì)問題。圖25 26 。

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圖25 圖26

3、承載和行駛系:

車身車架、車橋、輪胎、懸掛(前后橋、鋼板彈簧、減振器)

汽車承載和行駛系是高負(fù)荷安全結(jié)構(gòu),可靠性特別重要,所以強(qiáng)度分析地位特別突出。ANSYS 全面多樣單元庫和多種分析功能及強(qiáng)大的前后處理能力的能力為承載系和行駛系的分析提供了完整、方便的解決方案。采用ANSYS 進(jìn)行非線性柔體運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì),可將設(shè)計(jì)水平推上一個(gè)新的層次。

車架和車身結(jié)構(gòu),基本是由梁組件焊接(鉚接)而成,分析中常應(yīng)使用梁單元模型。ANSYS 有梁斷面幾何參數(shù)生成和記憶單元的斷面形狀功能、按真實(shí)斷面形狀顯示梁單元,后處理中能在斷面上顯示應(yīng)力結(jié)果、按工程習(xí)慣繪制彎矩圖等極大方便了梁系模型應(yīng)用。

現(xiàn)代車身車架的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮碰撞過程的能量吸收能力,以提高汽車的被動安全性。ANSYS 的沖擊碰撞模擬功能及非線性屈曲的分析功能,是車身車架吸能件設(shè)計(jì)、剛度分配設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軟件。

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圖27 雙層客車計(jì)算模型用梁單元模擬骨架圖28 車架全殼體單元分析模型

在車輪的設(shè)計(jì)中,車輪的輪轂、輪輞和輪胎的非線性分析是十分關(guān)鍵的。采用ANSYS的復(fù)合材料多層實(shí)體單元技術(shù)在保證輪胎求解同等精度的同時(shí)計(jì)算成本大幅度下降。

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圖29 ANSYS 車輪模型。

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圖30 采用ANSYS

分析發(fā)現(xiàn)潛在問題,根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整了一些幾何參數(shù),使其滿足了強(qiáng)度及疲勞壽命條件。完成了某子午線輪胎的三維非線性計(jì)算,取得了與地面接觸狀態(tài)下,各層材料的應(yīng)力分布。

懸架的設(shè)計(jì)中,ANSYS 的柔體運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真比以往的剛體假設(shè)計(jì)算更加真實(shí)地反應(yīng)了懸架的動力特性;ANSYS 非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能,可方便地設(shè)計(jì)出符合非線性力-位移曲線的懸掛彈簧;流場計(jì)算、流-固耦合分析可保證液壓式減振器的可靠性。

別克轎車彈簧是變線徑、變節(jié)距、變節(jié)圓半徑、下端套有塑料的復(fù)雜結(jié)構(gòu),代表了當(dāng)前最先進(jìn)、最復(fù)雜的彈簧設(shè)計(jì)。中國彈簧廠在設(shè)計(jì)該彈簧過程中,為達(dá)到非線性的力-位移曲線,利用ANSYS 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),一個(gè)月內(nèi)就設(shè)計(jì)出了符合要求的彈簧。圖32 圖33。

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圖31 后懸架的柔體動力學(xué)分析圖32 前懸掛彈簧圖 33 應(yīng)力分布

4、轉(zhuǎn)向系與制動系:

動力轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)中,ANSYS 的流體分析可計(jì)算出管路中流經(jīng)各閥門、油罐、油泵等處的油液流量、壓力,流-固耦合分析可計(jì)算出動力油缸活塞的運(yùn)動及應(yīng)力,從而保證轉(zhuǎn)向特性。

制動是一個(gè)重要噪聲源,制動器本身的振動也影響其工作的可靠性與穩(wěn)定性,ANSYS 的矩陣單元和約束方程的手段,允許添加阻尼和方程約束,從而方便地建立更符合實(shí)際的制動器摩擦耦合模型,進(jìn)行模態(tài)分析可對制動器的尖叫傾向進(jìn)行估評,從而抑制制動噪聲。

清華大學(xué)用ANSYS 建立了制動器摩擦耦合模型,研究得出摩擦耦合系數(shù)對制動尖叫趨勢的影響以及抑制、消除尖叫的解決方法。圖34 為制動器有限元模型,圖35 為制動盤變形。

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圖34 圖35 圖36 流體流跡

5、座椅、儀表板總成

座椅設(shè)計(jì)不單是舒適性,相關(guān)的安全性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了座椅對乘員保護(hù)的嚴(yán)格要求,座椅大變形計(jì)算成為常規(guī)的分析;采用ANSYS 非線性計(jì)算功能,進(jìn)行碰撞過程中座椅靠背和頭枕對乘員保護(hù)性能進(jìn)行評判,已通過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

清華大學(xué)用ANSYS 軟件對座椅進(jìn)行非線性大變形計(jì)算,與試驗(yàn)結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn),計(jì)算與試驗(yàn)間的誤差只有2.8%。

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圖37 計(jì)算位移與試驗(yàn)結(jié)果的對比

6、汽車電子、電器

現(xiàn)代汽車已從單一的機(jī)械產(chǎn)品變?yōu)闄C(jī)電產(chǎn)品,ABS、電子噴射、微機(jī)電系統(tǒng)已占到相當(dāng)?shù)谋壤?。ANSYS 多物理場仿真的能力,在汽車汽車電子、電氣領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

柏林工業(yè)大學(xué)利用ANSYS 開發(fā)測量內(nèi)燃汽缸壓力的微機(jī)電傳感器,圖38 為封裝好的薄膜電阻傳感器芯片的熱應(yīng)力分布。

Colibri Pro Development AB 公司利用ANSYS 開發(fā)MEMS 陀螺,用于高級汽車的懸掛控制傳感器及自動駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)。圖39 是陀螺壓電梁在共振時(shí)的電壓分布以及結(jié)構(gòu)中4 微米寬接頭處的應(yīng)力集中。接頭的設(shè)計(jì)通過優(yōu)化,保證了足夠彈性。

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圖38

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圖39

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