汽车有限元分析技术

2013-06-18  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

 随着汽车制造技术与汽车市场的发展,汽车制造向规模化和经济化方向发展,越来越多的车辆设计超越了现行有关规范的规定,需要利用有限元直接计算的手段来评估车辆安全性。这类计算有的选用国内自主开发的软件,有的采用各汽车制造公司的结构计算软件。MSC 公司的系列软件在我国汽车结构计算中占据着非常广泛的市场。然而,直接应用这一类通用有限元软件分析车辆结构需要较高的有限元技巧和较长建模时间,这种方式不能满足现实车辆设计制造的要求,也不具备处理突发事件的能力。在采用有限元法研究某公司生产的车桥工程问题时,对同一类型不同几何尺寸的车桥,需要采用不同的有限元模型,建模的工作量很大,考虑到车桥的类型相对稳定,拓扑结构没有发生重大改变,这样建模与分析过程中有许多重复性的工作,耗费大量宝贵的时间。为解决这个问题,采用Visual C++ 、PCL 语言结合会话文件对MSC. Patran 进行二次开发,同时采用UG 进行参数化建模,使得开发的功能模块实现了结构建模与分析的参数化,且具有齐全的前、后处理功能。

1 Patran 与PCL 语言的功能特点

Patran 运行时,所有的操作都会记录在会话文件(session file,. ses 文件)中,系统默认为pantran. ses. 01每次启动时版本编号自动递增。也可以将一段时间的操作记录在某个指定的会话文件中。会话文件中记录的操作可以通过回放的形式重做,里面也可以嵌入变量、函数定义等PCL 程序段,会话文件的这个功能为开发PCL 程序提供了方便,通过修改会话文件使建模过程程序化,工作效率能够得到较大的提高。此外,日志文件(journal file,. jou 文件)中会保存整个模型数据库db文件的建模过程,利用它也可以重建模型数据库。

PCL(patran command language)语言的语法类似C语言,它提供一般高级语言所有的大部分数据类型。PCL 命令语言是集成于MSC. Patran 中的一个高级化、模块化结构的全功能计算机编程语言和用户自定义工具,可以让用户在MSC. Patran 软件系统中集成自编开发的分析程序或特定的图形界面。为了利用MSC.Patran 的前后处理功能,MSC 提供了一系列的PCL 函数,用来从MSC. Patran 的数据库中读取数据并生成计算时所需的数据输入文件,以及将结果文件的数据写入MSC. Patran 的数据库中,供MSC. Patran 进行前后处理。开发用户界面的目的是为了将这些自编译的函数集中起来,通过直观的图形界面进行交互,方便使用。

从功能上说,PCL语言可以实现一般高级语言所能实现的大部分功能,同时它还提供与Fortran 和C 的访问接口;另一方面,也由于PCL语言与MSC. Patran的紧密关系,应用PCL语言作为MSC. Patran 的开发工具是必然的选择。应用PCL可以开发出界面漂亮、功能强大的应用程序。现在,几乎所有的分析仿真软件都采用PCL语言作为工具,建立了与Patran 的集成关系,有的也直接将Patran 作为分析系统的前后处理器。

2 应力计算分析
    
对车桥进行应力计算分析以保证其有足够的强度和刚度,不同工况计算应力如下:

    图1 车桥受力示意图

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    2.1 最大牵引力Pk = Pkmax工况

    受力分析如图1 所示。弯曲应力为:

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    式中:N1— 反作用力;L— 车轮到弹簧板距离;W — 桥壳抗弯断 面模数;Ф—附着系数。

    其扭矩应力т 为:

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    式中:rd— 车轮动力半径,rd =汽车有限元分析技术+培训课程图片4,Pk— 牵引力;Pf— 行使阻力,ML— 作用在车轮上扭矩;Wn— 桥壳扭转面模数。

    因此桥壳在最大牵引力Pkmax的工况下受到的弯扭复合应力σa为:

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    2.2 紧急制动工况

    合成弯曲应力σ' 为:

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    式中:K— 桥壳上的重量分配系数;G— 静载满载时桥壳受到的载荷。扭应力т':

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    则紧急制动工况下复合应力:

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    2.3 凸凹不平路面行驶工况

    在不平路面行驶时动载荷引起的垂直反力N3 (方向与图1中的反力N1一致)达到最大时:

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    式中:K'— 动载荷系数,一般K' = 2 ~ 3。

    则弯曲应力σc为:

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    以上三种工况下取最大应力:

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    应使σmax =[σ]。

上述传统算法,只能算出某一断面的应力平均值,而不能完全反映桥壳上应力及其分布的真实情况。因此,它仅用于桥壳强度的演算,或用作与其他车型的桥壳强度进行比较,而不能用于计算桥壳上某点(例如应力集中点)的真实应力值。使用有限元法对驱动桥壳进行强度分析,就可以得到比较详细的应力与应变的分布情况,同时利用开发的软件可实现模型的建立和后处理,对不同参数车桥可以通过软件可以计算出其应力分布情况。

3 二次开发接口实现过程

对于某一类型车桥,一个模型的建模过程可能都要用到几千条PCL 语句,如果整个建模过程都通过手工书写代码形式进行,是一项非常繁琐费力的工作,容易出错。Patran 的建模过程实际上是一组命令的执行过程,会话文件中就保存了这些命令。因此,可以将PCL 语言与会话文件结合起来。为了实现参数化,会话文件的编写采用Patran 自动生成和手工编写相结合的方式进行。首先手工在Patran 中建立模型,然后对保存下来的会话文件做必要的修改,在会话文件中增加变量声明,必要的数据用变量替换,通过调用会话文件实现参数化建模,解决了建模中的重复操作。

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下面以软件中“ 网格划分”功能按钮对应的部分源代码为例说明接口的实现方法和过程。在采用通用软件如MSC. Patran 进行网格划分时,需要确定网格类型、大小,划分方法等一系列参数,使用过程中有许多技巧和经验,一般需要在实际工程经过长期积累。由于本软件的针对性,很多工作由程序在后台运行,在模型成功导入后,用户只需要点击“网格划分”出现如图2所示对话框,并确定网格精度后单击“开始划分网格”按钮,系统将对导入的桥壳本体几何模型进行网格划分创建有限元模型。网格划分的部分源代码如下.

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4 PCL 应用开发实例

车桥总成由车桥主体、弹簧板、平衡架、轴端、法兰盘和加强垫片等零件组成。其中车桥主体厚度、长度、直径以及加强垫片厚度、弹簧板中心距等参数根据工程实际情况需要进行调整,而不同尺寸参数对应的加载应力情况不同,这种组合需要建立有限元模型有数十种之多。因此,参数变化后进行工程分析时的建模工作量很大。针对该问题,作者利用前面介绍的接口方法,开发了车桥CAE 分析系统,该系统主要由以下模块组成:参数化建模并自动生成几何模型( 在UG 中完成)、车桥工程分析、显示分析结果等。

图3 是软件主界面。在该界面下,屏幕的上方是菜单栏和工具条,左面是所有车桥设计方案的树形列表。在左边的树形列表中给出了方案的主要构成,包括:方案名称、方案描述、设计原型和所用材料的名称。如果在树形列表中选中一个设计方案成为当前方案,则当前方案的名称会出现在屏幕左上角的窗口标题栏中显示。工具条是由最常使用的一些功能构成,按照使用的频率依次排列。

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下面介绍该软件在工程实际中对车桥进行分析的过程和结果。使用本软件进行车桥分析的流程为:首先生成几何模型,此时软件会自动调用UG 进行参数化设计,在界面上输入相应参数尺寸就可以生成需要的几何模型,同时将模型转换成Patran 可以识别的. x-t 文件格式保存;然后,导入建立的几何模型、网格划分、模型材料属性的确定、几何模型的约束和加载;最后对模型进行分析生成结果视图。如选择界面上的“ 网格划分”可以弹出如图2 所示的对话框;选择网格划分中的“ 生成视图”可以显示建立的有限元模型。图4 是程序运行后某车桥的有限元模型图,图5 是对应该几何模型的应力分布云图。

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从图中可以看出,由程序根据参数建立起来的有限元模型网格质量比较好。桥壳在实际载荷工况的作用下,总体结构的应力水平不高,但在车桥的圆弧和轴端区域应力大,应力变形的分布规律合理,与工程实际中车桥发生断裂的位置相吻合,找出了该类型车桥的薄弱部位;在弹簧板处加了加强垫片后应力情况得到较好的改善,这些对于实际工程改进工作和优化设计起到了很好的指导作用。

5 结束语

应用PCL 语言结合Patran 会话文件,可以实现VC++ 与Patran 之间的无缝连接。利用这个接口实现的汽车车桥CAE软件系统,一方面可以减少建模与分析过程中的重复劳动,提高工作效率,另一方面,用户有了更多的时间用于建模,可以更准确地模拟实际结构。同时,此软件是一个开放系统,可以在现有的数据库的基础上进行扩展,处理更多类型的车桥。

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