利用知識(shí)工程快速對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)有限元非線性分析

2013-08-08 by:廣州有限元培訓(xùn)實(shí)踐中心來源:仿真在線

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一,能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向,轉(zhuǎn)向節(jié)的功用是承受汽車前部載荷,支承并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)向。在汽車行駛狀態(tài)下,它承受著多變的沖擊載荷,因此,對(duì)其有很高的要求。

由于有多種設(shè)計(jì)方案,在傳統(tǒng)的CAE軟件中進(jìn)行分析,就需要對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)方案都要做一次分析,包括網(wǎng)格劃分、邊界條件加載和后處理,再加上都是同樣的工況,這樣的分析只能重復(fù)工作,顯得單調(diào)而無聊。如果能有一種軟件可以進(jìn)行多種方案的快速分析和比較,就可以提高分析效率。本文利用CATIA CAE對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析。在CATIA CAE中可以建立CAE分析模板,充分利用知識(shí)工程的功能進(jìn)行多種方案的快速分析,另外還可以利用設(shè)計(jì)表格設(shè)定多種工況分析。

一、幾何描述

本文涉及兩種設(shè)計(jì)方案,如圖1所示。

圖1設(shè)計(jì)方案

所有的設(shè)計(jì)模型都是利用CATIA軟件繪制。兩種設(shè)計(jì)方案有較大的差別,其中最大的區(qū)別在于是否有凹槽。

二、分析任務(wù)

分析任務(wù)主要是針對(duì)在兩種不同的輪胎半徑下,對(duì)指定工況的轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)模型作應(yīng)力評(píng)估。在本文中,將考慮兩種工況:a 73 degree square工況(73°直角邊凹穴工況)和a camber stiffness工況(彎曲剛度工況),如圖2所示。

這兩種工況會(huì)同時(shí)對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的輪胎半徑尺寸,工況會(huì)出現(xiàn)如圖3所示的4種情況。

三、具體步驟

1.對(duì)關(guān)鍵特征進(jìn)行發(fā)布

創(chuàng)建一個(gè)裝配體,插入設(shè)計(jì)方案1,然后在幾何體上雙擊,切換到零部件設(shè)計(jì)(PartDesign)界面。點(diǎn)選“Tools”→“Publication”,激活如下選項(xiàng):“allow publication of faces”、“edges”、“vertices”和“axesextremities”。選擇相關(guān)的面、點(diǎn)進(jìn)行發(fā)布,并且參照?qǐng)D4所示進(jìn)行重命名。

關(guān)掉如下參數(shù):“allow publication of faces”、“edges”、“vertices”和“axesextremities”。發(fā)布該幾何體并命名為“KnuckleBody”。當(dāng)所有的發(fā)布定義完成后,點(diǎn)擊“Export”來保持這些發(fā)布的名字為文本格式。最后點(diǎn)擊“OK”,這些發(fā)布會(huì)在結(jié)構(gòu)樹上顯示出來。

打開設(shè)計(jì)方案2,部件名字為“Knuckle-modified.CATPart”,進(jìn)入“Tools”→“Publication”,點(diǎn)擊“Import”,打開剛才保存的文本文件。針對(duì)每一個(gè)發(fā)布名字,重新關(guān)聯(lián)相應(yīng)的幾何特征。點(diǎn)擊“OK”,關(guān)閉Publication對(duì)話框。再保存該文件。需要注意,這兩個(gè)設(shè)計(jì)方案發(fā)布的名字必須要完全相同,這是創(chuàng)建分析模板的關(guān)鍵。

2.創(chuàng)建分析模板

每一個(gè)分析特征都是基于幾何特征的發(fā)布來代替幾何本身,在分析中,這種方法方便置換整個(gè)幾何部件。從主菜單中選擇“Start”→“Analysis&Simulation”→“NonlinearStructuralAnalysis”,系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)創(chuàng)建一個(gè)“General Static Step”。

(1)網(wǎng)格。

刪除自動(dòng)創(chuàng)建的“OctreeMeshPart”和“3Dproperty”,點(diǎn)擊OctreeTetrahedronMesher圖標(biāo),從結(jié)構(gòu)樹上選擇名為“KnuckleBody”的發(fā)布作為要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的幾何支撐。在全局Global參數(shù)中,選擇二階單元

(Parabolic)作為單元類型(Elementtype)。網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm,不激活“Absolute sag and Proportional sag”選項(xiàng)。這樣會(huì)生成一個(gè)更加規(guī)則的網(wǎng)格。在質(zhì)量準(zhǔn)則(Quality)欄目中,選擇Skewness作為優(yōu)化單元質(zhì)量的準(zhǔn)則,并設(shè)置雅克布參數(shù)(Jacobian)為0.8。在其他欄目中,激活“Mesh edges suppression”,并設(shè)置系數(shù)為0.15。網(wǎng)格部件就會(huì)不包含一些小于全局網(wǎng)格尺寸乘以“the mesh edges suppression”系數(shù)的網(wǎng)格邊長的單元,點(diǎn)擊“OK”關(guān)閉對(duì)話框。

點(diǎn)擊3Dproperty圖標(biāo),選擇“OctreeTetrahedronmesh”網(wǎng)格部件作為支持。點(diǎn)擊“OK”。

(2)創(chuàng)建剛性虛擬體(rigidvirtualparts)。

在CATIA CAE中的虛擬體是和我們傳統(tǒng)上所講的MPC作用相同,其中剛性虛擬體就相當(dāng)于MPC里面的RBE2單元。創(chuàng)建四個(gè)剛性虛擬體是用來代表與轉(zhuǎn)向節(jié)相連的4個(gè)幾何部件,分別為the upper shock absorber(上避震器),the steering arm(控制臂),the lower ball joint(下球型副)和thehub(輪轂)。

點(diǎn)擊Rigid Virtual Part圖標(biāo),選擇名為“hub”的發(fā)布作為支撐,選擇名為“hub_point”的發(fā)布作為控制點(diǎn)(圖7a),點(diǎn)擊“OK”關(guān)閉對(duì)話框。重復(fù)同樣的步驟生成剛性虛擬體,模擬如圖6a所示的“the upper shock absorber”、“the steering arm”和“the lower ball joint”(圖7b)。

(3)創(chuàng)建剛性連接(rigidconnection)。定義一個(gè)連接,模擬車輪對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的影響(圖8),其方法是先創(chuàng)建一個(gè)通用分析連接(GeneralAnalysisConnection),分別選擇名為“hub_point”的發(fā)布和名為“tire_point”發(fā)布作為“firstcomponent”第一組件和“secondcomponent”第二組件,然后定義一個(gè)剛性連接屬性(RigidConnection),使用剛才創(chuàng)建的通用分析連接(GeneralAnalysisConnection)作為支撐(support)。

圖8剛性連接定義

(4)定義載荷和邊界條件。首先,定義位移邊界條件(Displacement Boundary Conditions)如表1。所選擇的支撐均為發(fā)布。然后,創(chuàng)建集中載荷(PointLoads),如表2。

3.用設(shè)計(jì)表進(jìn)行參數(shù)化研究

(1)幾何參數(shù)重命名。

點(diǎn)擊Formula圖標(biāo),選擇“tirepatchpoint”,所有與該點(diǎn)相關(guān)的參數(shù)都會(huì)在該表中顯示出來。選擇“Knuckle”→“GeometricalSet.1”→“tire_point”→“Z”,并重命名“Tire_Radius”(圖9)。

(2)重命名載荷參數(shù)。

在特征樹上選擇“CenterHub”載荷,如圖10所示,重命名為:

FiniteElementModel.1\CenterHub\ConcForce.1\Force.1為CenterHub_Fx;

FiniteElementModel.1\CenterHub\ConcForce.1\Force.3為CenterHub_Fz;

FiniteElementModel.1\CenterHub\ConcForceMoment.1\Moment.1為CenterHub_Mx。

從特征樹上選擇“TirePatch”載荷,重命名:

FiniteElementModel.1\TirePatch\ConcForce.1\Force.2為TirePatch_Fy。

點(diǎn)擊“OK”關(guān)閉對(duì)話框。

(3)創(chuàng)建設(shè)計(jì)表。

點(diǎn)擊設(shè)計(jì)表(DesignTable)圖標(biāo),選擇參數(shù)“Createa design table with current parameter values”,重命名設(shè)計(jì)表的名字為“knuckle_Design Table”,然后點(diǎn)擊“OK”,將出現(xiàn)一個(gè)新的對(duì)話框。選擇重命名參數(shù)(Renamed parameter),插入五個(gè)參數(shù)到設(shè)計(jì)表中(圖11)。點(diǎn)擊“OK”,然后用Microsoft Excel格式來顯示設(shè)計(jì)表。

(4)編輯設(shè)計(jì)表。

點(diǎn)擊“Edittable”,打開excel表格,編輯如圖12所示的電子表格。插入一列,輸入相應(yīng)參數(shù),設(shè)置不同的配置,一個(gè)輪胎半徑對(duì)應(yīng)兩種工況。保持并關(guān)閉電子表格。設(shè)計(jì)表就會(huì)自動(dòng)更新,如圖13所示。

設(shè)計(jì)表編輯完成后,可以在結(jié)構(gòu)樹上雙擊“centerHub_load”載荷,如圖14所示,所有參數(shù)的地方都已經(jīng)與設(shè)計(jì)表關(guān)聯(lián)起來。

4.創(chuàng)建job和后處理

創(chuàng)建“job”,命名為“job1”,memory為使用內(nèi)存比率,設(shè)置為90%,parallelization為求解時(shí)CPU并行的數(shù)量,設(shè)置為2,點(diǎn)擊“OK”,如圖15。

同時(shí),可以設(shè)置一下分析步,幾何非線性設(shè)置為on,初始增量步長為0.01s,如圖16。

提交分析任務(wù),選擇“submit”(圖17),然后選擇“monitor”觀察迭代過程,如圖18。位移云圖如圖19所示。

四、利用分析模板進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的快速置換和分析

1.置換轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)方案

前面已經(jīng)使用了發(fā)布建立CAE分析模板,接下來只需要置換(replace)一下其他的設(shè)計(jì)方案即可,其他所有的網(wǎng)格和邊界條件的設(shè)定都不需要重新設(shè)定,只需按照前面設(shè)定好的進(jìn)行加載。

具體步驟是:如圖20所示,在“Link.1”下面的“Knuckle_Design1”,雙擊切換到裝配體界面(Assembly Design),右鍵點(diǎn)擊“Component”,然后選擇“ReplaceComponent”,通過瀏覽器打開另外的設(shè)計(jì)方案“Knuckle-modified.CATPart”,就會(huì)彈出“ImpactsOnReplace”對(duì)話框,點(diǎn)擊“OK”。

2.更新計(jì)算和后處理

置換后,就可以在job管理器里面進(jìn)行提交分析任務(wù)和計(jì)算,點(diǎn)擊“attachresults”,觀看后處理和位移云圖。在非線性分析中,可能需要的時(shí)間要多一些,因?yàn)樾枰粩嗟牡?jì)算,如果用線性進(jìn)行分析,就可以非?？焖俚剡M(jìn)行結(jié)果更新。計(jì)算出的結(jié)果如圖21所示。

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