汽車車橋CAE 軟件設(shè)計(jì)及接口技術(shù)研究

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

隨著汽車制造技術(shù)與汽車市場的發(fā)展,汽車制造向規(guī)?；徒?jīng)濟(jì)化方向發(fā)展,越來越多的車輛設(shè)計(jì)超越了現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的規(guī)定,需要利用有限元直接計(jì)算的手段來評估車輛安全性。這類計(jì)算有的選用國內(nèi)自主開發(fā)的軟件,有的采用各汽車制造公司的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件。MSC 公司的系列軟件在我國汽車結(jié)構(gòu)計(jì)算中占據(jù)著非常廣泛的市場。然而,直接應(yīng)用這一類通用有限元軟件分析車輛結(jié)構(gòu)需要較高的有限元技巧和較長建模時(shí)間,這種方式不能滿足現(xiàn)實(shí)車輛設(shè)計(jì)制造的要求,也不具備處理突發(fā)事件的能力。在采用有限元法研究某公司生產(chǎn)的車橋工程問題時(shí),對同一類型不同幾何尺寸的車橋,需要采用不同的有限元模型,建模的工作量很大,考慮到車橋的類型相對穩(wěn)定,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有發(fā)生重大改變,這樣建模與分析過程中有許多重復(fù)性的工作,耗費(fèi)大量寶貴的時(shí)間。為解決這個(gè)問題,采用Visual C ++ 、PCL 語言結(jié)合會(huì)話文件對MSC. Patran 進(jìn)行二次開發(fā),同時(shí)采用UG 進(jìn)行參數(shù)化建模,使得開發(fā)的功能模塊實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)建模與分析的參數(shù)化,且具有齊全的前、后處理功能。

    1 Patran 與PCL 語言的功能特點(diǎn)

Patran 運(yùn)行時(shí),所有的操作都會(huì)記錄在會(huì)話文件(session file,. ses 文件)中,系統(tǒng)默認(rèn)為pantran. ses. 01每次啟動(dòng)時(shí)版本編號自動(dòng)遞增。也可以將一段時(shí)間的操作記錄在某個(gè)指定的會(huì)話文件中。會(huì)話文件中記錄的操作可以通過回放的形式重做,里面也可以嵌入變量、函數(shù)定義等PCL 程序段,會(huì)話文件的這個(gè)功能為開發(fā)PCL 程序提供了方便,通過修改會(huì)話文件使建模過程程序化,工作效率能夠得到較大的提高。此外,日志文件(journal file,. jou 文件)中會(huì)保存整個(gè)模型數(shù)據(jù)庫db 文件的建模過程,利用它也可以重建模型數(shù)據(jù)庫。

PCL(patran command language)語言的語法類似C 語言,它提供一般高級語言所有的大部分?jǐn)?shù)據(jù)類型。PCL 命令語言是集成于MSC. Patran 中的一個(gè)高級化、模塊化結(jié)構(gòu)的全功能計(jì)算機(jī)編程語言和用戶自定義工具,可以讓用戶在MSC. Patran 軟件系統(tǒng)中集成自編開發(fā)的分析程序或特定的圖形界面。為了利用MSC.Patran 的前后處理功能,MSC 提供了一系列的PCL 函數(shù),用來從MSC. Patran 的數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并生成計(jì)算時(shí)所需的數(shù)據(jù)輸入文件,以及將結(jié)果文件的數(shù)據(jù)寫入MSC. Patran 的數(shù)據(jù)庫中,供MSC. Patran 進(jìn)行前后處理。開發(fā)用戶界面的目的是為了將這些自編譯的函數(shù)集中起來,通過直觀的圖形界面進(jìn)行交互,方便使用。

從功能上說,PCL 語言可以實(shí)現(xiàn)一般高級語言所能實(shí)現(xiàn)的大部分功能,同時(shí)它還提供與Fortran 和C 的訪問接口;另一方面,也由于PCL 語言與MSC. Patran的緊密關(guān)系,應(yīng)用PCL 語言作為MSC. Patran 的開發(fā)工具是必然的選擇。應(yīng)用PCL 可以開發(fā)出界面漂亮、功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。現(xiàn)在,幾乎所有的分析仿真軟件都采用PCL 語言作為工具,建立了與Patran 的集成關(guān)系,有的也直接將Patran 作為分析系統(tǒng)的前后處理器。

    2 應(yīng)力計(jì)算分析。

對車橋進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析以保證其有足夠的強(qiáng)度和剛度,不同工況計(jì)算應(yīng)力如下:

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    2. 1 最大牽引力P_k= P_kmax工況

    受力分析如圖1 所示。彎曲應(yīng)力為:

    式中:N₁- 反作用力;L- 車輪到彈簧板距離;W - 橋殼抗彎斷面模數(shù);Ф- 附著系數(shù)。其扭矩應(yīng)力т 為:

    т= N₁Фr_d/W_n

    式中:r_d- 車輪動(dòng)力半徑,r_d = M_L/P_k- P_f,Pk- 牽引力;P_k- 行使阻力,M_L-作用在車輪上扭矩;W_n- 橋殼扭轉(zhuǎn)面模數(shù)。

    因此橋殼在最大牽引力P_kmax的工況下受到的彎扭復(fù)合應(yīng)力σ_a為:

     2.2 緊急制動(dòng)工況

    合成彎曲應(yīng)力σ' 為:

    式中:K- 橋殼上的重量分配系數(shù);

    G- 靜載滿載時(shí)橋殼受到的載荷。

    扭應(yīng)力т':

    т' = M'_n/W_n= KGФrd/2W_n

    則緊急制動(dòng)工況下復(fù)合應(yīng)力:

   2. 3 凸凹不平路面行駛工況

在不平路面行駛時(shí)動(dòng)載荷引起的垂直反力N₃( 方向與圖1中的反力N₁一致)達(dá)到最大時(shí):

     N₃=K'G/2W

    式中:K'- 動(dòng)載荷系數(shù),一般K' = 2 ~ 3。則彎曲應(yīng)力σ_c為:

    σ_c=K'GL/2W

    以上三種工況下取最大應(yīng)力:

               σmax = max[σ_a,σ_b,σ_c]

    應(yīng)使 σ_max =[σ]。

上述傳統(tǒng)算法,只能算出某一斷面的應(yīng)力平均值,而不能完全反映橋殼上應(yīng)力及其分布的真實(shí)情況。因此,它僅用于橋殼強(qiáng)度的演算,或用作與其他車型的橋殼強(qiáng)度進(jìn)行比較,而不能用于計(jì)算橋殼上某點(diǎn)(例如應(yīng)力集中點(diǎn))的真實(shí)應(yīng)力值。使用有限元法對驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)行強(qiáng)度分析,就可以得到比較詳細(xì)的應(yīng)力與應(yīng)變的分布情況,同時(shí)利用開發(fā)的軟件可實(shí)現(xiàn)模型的建立和后處理,對不同參數(shù)車橋可以通過軟件可以計(jì)算出其應(yīng)力分布情況。