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2013-08-07 by:CAE/FEA技术推广中心 来源:仿真在线
ANSYS对零部件设计中的解决方案
1、 发动机机体
发动机机体同时承受高着热负荷和机械负荷工作,本质上是多物理场偶合工作体,ANSYS 多物理场分析的功能为发动机的分析提供了完整的解决方案。
ADAPCO 公司用ANSYS 详尽地进行了某V6发动机机体的热分析、结构分析、动力分析和热-结构耦合分析(图13,14)。对产品开发作用特别明确。
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图13 V6 发动机实物
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图14 发动机整体模型
1.1 柄连杆机构运动件
活塞、曲柄连杆等运动件是高热/机械负荷部件,因为往复运动,其质量对整个发动机性能非常重要。ANSYS 分析热和机械载荷下的形状及应力为设计提供依据。
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图15 曲柄连杆机构的柔体运动学、动力学分析
连杆强度向来是发动机设计关键,ANSYS 柔体-柔体接触计算功能可以准确模拟连杆与大头盖、主销、曲柄销间联合工作状况。这是ANSYS 系统分析功能和强大的接触功能体现。
ANSYS 曲轴结构分析和模态分析功能计算出曲轴扭转与弯曲模态,通过频率优化达到减震效果。ANSYS 的疲劳计算功能,精确的计算曲轴传统疲劳强度,同时还可计算出曲轴的强度因子,从而预测疲劳裂纹的产生及疲劳寿命。应用ANSYS 对曲轴轴颈及油膜进行流-固耦合分析评价高曲轴的耐磨性。
曲轴连杆机构运动件的重量优化设计,不仅是节省材料及发动机重量降低,运动件质量对改善发动机整体的工作状况特别有效,ANSYS 形状优化的功能可以对活塞内腔、活塞销孔、连杆形状、曲轴圆角和曲柄臂尺寸进行优化设计。
1.2 机体:
缸盖、箱体、缸套
机体、缸盖的热分析特别重要,热疲劳是失效和“拉缸”主要原因,为保证可靠性与耐久性,应用ANSYS分析机械和热负荷下的刚度、强度是设计师的首选。ANSYS 可准确地计算出机体的自振频率及模态。以控制噪声源。此外ANSYS 可模拟机体的热冲击实验、热-结构耦合分析可计算出机械负载、热负荷双重作用下机体的变形,应力分布。流体-结构偶合分析轴承油膜状态进行润滑系设计等等。
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图16 缸盖、箱体分析
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图17 广州柴油机公司利用ANSYS 热分析功能模
拟某型号发动机机体热冲击实验,根据分析结果改进结构,效果明确。
1.3 气机构:
进排气门、气门弹簧、摇臂、推杆、挺杆、凸轮轴、正时齿轮
配气机构影响发动机性能,要求进行精确计算。ANSYS 系统分析能够考虑配气机构中各个部件的弹性变形,从而取得比刚体假定更精确凸轮-气门规律。
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图18 大连机车车辆厂利用ANSYS 结构分析
找到了构摇臂座裂纹发生的原因。提出改进方法。
气门弹簧承受高频交变载荷,伴随着多气门设计的发展趋势,弹簧尺寸限制更大, ANSYS非线性瞬态动力分析及疲劳分析的功能,可较好地解决非线性变节距弹簧高应力破坏及疲劳损坏问题。排气阀受高速冲击载荷、受高温燃气冲刷,ANSYS 热-结构耦合分析可仿真,热疲劳分析预测可靠性都是十分有效。
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图19 进气螺旋图
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图20 消声器热分析图
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图21 增压器涡轮分析
配气机构分析中存在着大量的接触问题,ANSYS 高级接触单元、接触向导、智能化接触参数设置的功能引导设计工程师方便、有效、快速地进行配气机构的非线性分析,解除了计算者非线性参数选取试凑的苦恼,大大加速了分析进度。
1.4 进排气系:
空气滤清器、进排气道、增压器、消声器
进排气系统的设计关系到结构-热-流体-声的综合作用,是典型的多物理场问题。ANSYS 计算流体动力学可计算气道的流场分布、压力分布、温度分布、湍流动能、湍流耗散率,得到气道几何形状对进气效率的影响,;通过ANSYS 独一无二的流场优化功能,可使发动机由于进排气阻力而造成的功率损失减至最低。
进排气系是汽车噪声的重要噪声源,ANSYS 声场分析和声场优化可求解出声压分布及分贝级别,通过对消声器的声-流体-结构耦合的优化仿真,可大大降低排气噪声、减小排气阻力。增压器涡轮有轮-轴过盈配合、超高速旋转、和叶片振动等严格的工作条件,ANSYS 协助用户完美解决了工程中提出的多项技术问题。
1.5 燃油供给系:
油箱、油泵、高压油管
燃油喷射和进气螺旋关系到燃烧充分和排放,ANSYS 流体动力学分析及优化功能允许设计师在物理样机制造之前考查多种气道方案得到最优设计。
国家已经禁止化油器车销售,电喷技术普遍应用,通过电控实现智能燃油供给,提高功率和控制排放,ANSYS 多物理场仿真技术可模拟电喷过程的“电-磁-结构多场耦合”的工作状况,为电喷系统的设计提供了从性能评价到结构设计的完整解决方案。
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图22 散热片流-固耦合分析图 图23 散热器模态分析
1.6 冷却系:
冷却系设计焦点是结构、空气、水、油和热的流动和传递过程,分析项目主要是计算流体力学和偶合分析。ANSYS 分析得到冷却系统内的流动、温度分布、与结构壁面的对流换热系数等,从而为冷却系的设计提供参数。
2、 传动系:
变速箱、离合器、万向节、主减速器、差速器、半轴、液力偶合器与液力变速器等传动系承担功率传递功能,部件在随机高载荷条件下工作,强度震动问题始终是主要矛盾。以主传动螺旋伞齿轮为例,过去FEM 分析只能针对啮合过程的一个状态分析,现在ANSYS 可以在啮合运动全过程中分析齿轮对的强度、刚度响应。因为分析对象可以包含齿轮轴和轴承座,这就可能发现因为齿轮轴或轴承座刚度不足而造成螺旋伞齿轮对碎齿问题(图24)。
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图24 齿轮滚动接触分析
高档汽车采用液力变速器是靠流体在泵轮、导向轮和涡轮间液体耦合的相互作用工作的。ANSYS 流体和非线性流-固耦合的分析功能,可预测其工作性能与可靠性。
传动轴系统的扭转振动是产品设计关键,ANSYS 模态分析可准确的预测其自振频率及振型,指导设计。
万向节密封套在大变形条件下工作,设计上寿命至少要求达到一个大修期。韩国大成公司采用ANSYS 软件对封套进行损伤寿命及密封性能预测,得出了不同的轴交叉角与应力关系曲线,完好地解决了密封套的寿命设计问题。图25 26 。
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图25 图26
3、 承载和行驶系:
车身车架、车桥、轮胎、悬挂(前后桥、钢板弹簧、减振器)
汽车承载和行驶系是高负荷安全结构,可靠性特别重要,所以强度分析地位特别突出。ANSYS 全面多样单元库和多种分析功能及强大的前后处理能力的能力为承载系和行驶系的分析提供了完整、方便的解决方案。采用ANSYS 进行非线性柔体运动学、动力学仿真和优化设计,可将设计水平推上一个新的层次。
车架和车身结构,基本是由梁组件焊接(铆接)而成,分析中常应使用梁单元模型。ANSYS 有梁断面几何参数生成和记忆单元的断面形状功能、按真实断面形状显示梁单元,后处理中能在断面上显示应力结果、按工程习惯绘制弯矩图等极大方便了梁系模型应用。
现代车身车架的设计应充分考虑碰撞过程的能量吸收能力,以提高汽车的被动安全性。ANSYS 的冲击碰撞模拟功能及非线性屈曲的分析功能,是车身车架吸能件设计、刚度分配设计的标准软件。
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图27 双层客车计算模型用梁单元模拟骨架 图28 车架全壳体单元分析模型
在车轮的设计中,车轮的轮毂、轮辋和轮胎的非线性分析是十分关键的。采用ANSYS的复合材料多层实体单元技术在保证轮胎求解同等精度的同时计算成本大幅度下降。
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图29 ANSYS 车轮模型。
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图30 采用ANSYS
分析发现潜在问题,根据计算结果调整了一些几何参数,使其满足了强度及疲劳寿命条件。完成了某子午线轮胎的三维非线性计算,取得了与地面接触状态下,各层材料的应力分布。
悬架的设计中,ANSYS 的柔体运动学、动力学仿真比以往的刚体假设计算更加真实地反应了悬架的动力特性;ANSYS 非线性优化设计的功能,可方便地设计出符合非线性力-位移曲线的悬挂弹簧;流场计算、流-固耦合分析可保证液压式减振器的可靠性。
别克轿车弹簧是变线径、变节距、变节圆半径、下端套有塑料的复杂结构,代表了当前最先进、最复杂的弹簧设计。中国弹簧厂在设计该弹簧过程中,为达到非线性的力-位移曲线,利用ANSYS 进行优化设计,一个月内就设计出了符合要求的弹簧。图32 图33。
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图31 后悬架的柔体动力学分析 图32 前悬挂弹簧图 33 应力分布
4、 转向系与制动系:
动力转向设计中,ANSYS 的流体分析可计算出管路中流经各阀门、油罐、油泵等处的油液流量、压力,流-固耦合分析可计算出动力油缸活塞的运动及应力,从而保证转向特性。
制动是一个重要噪声源,制动器本身的振动也影响其工作的可靠性与稳定性,ANSYS 的矩阵单元和约束方程的手段,允许添加阻尼和方程约束,从而方便地建立更符合实际的制动器摩擦耦合模型,进行模态分析可对制动器的尖叫倾向进行估评,从而抑制制动噪声。
清华大学用ANSYS 建立了制动器摩擦耦合模型,研究得出摩擦耦合系数对制动尖叫趋势的影响以及抑制、消除尖叫的解决方法。图34 为制动器有限元模型,图35 为制动盘变形。
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图34 图35 图36 流体流迹
5、 座椅、仪表板总成
座椅设计不单是舒适性,相关的安全性标准规定了座椅对乘员保护的严格要求,座椅大变形计算成为常规的分析;采用ANSYS 非线性计算功能,进行碰撞过程中座椅靠背和头枕对乘员保护性能进行评判,已通过相应标准。
清华大学用ANSYS 软件对座椅进行非线性大变形计算,与试验结果的对比发现,计算与试验间的误差只有2.8%。
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图37 计算位移与试验结果的对比
6、 汽车电子、电器
现代汽车已从单一的机械产品变为机电产品,ABS、电子喷射、微机电系统已占到相当的比例。ANSYS 多物理场仿真的能力,在汽车汽车电子、电气领域有广泛的应用。
柏林工业大学利用ANSYS 开发测量内燃汽缸压力的微机电传感器,图38 为封装好的薄膜电阻传感器芯片的热应力分布。
Colibri Pro Development AB 公司利用ANSYS 开发MEMS 陀螺,用于高级汽车的悬挂控制传感器及自动驾驶导航系统。图39 是陀螺压电梁在共振时的电压分布以及结构中4 微米宽接头处的应力集中。接头的设计通过优化,保证了足够弹性。
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图38
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图39
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