ABAQUS在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用范例

2013-07-01  by:廣州有限元中心  來源:仿真在線

摘要:本文概述了工程分析軟件ABAQUS在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用及分析流程,同時,展示了ABAQUS軟件的一個應(yīng)用示例---汽車遮陽板鏡盒的強度分析。最后,展望了工程分析在中國未來工業(yè)發(fā)展中的巨大前景。
關(guān)鍵字: 工程分析, DFMEA, DOE, 分析流程, 多步驟分析, 非線性。

第一部分:ABAQUS在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用及分析流程
1. ABAQUS在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

ABAQUS作為國際上最先進的通用大型有限元分析軟件,具有另人驚奇的模擬能力。它在分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)時所表現(xiàn)出的駕馭大型問題和非線性問題的能力,突顯其無可比擬的性能。ABAQUS的兩個主要的模塊:ABAQUS/STANDARD和ABAQUS/EXPLICIT幾乎可以模擬所有的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)中的靜力學(xué)和動力學(xué)問題。ABAQUS/CAE可以很好地完成前處理和后處理流程。正是基于上述原因,ABAQUS在世界各國的機械、化工、土木、水利、電力、材料、冶金、航空、汽車和船舶等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

ABAQUS作為優(yōu)秀的工程分析軟件,在新產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)的到充分的使用。作為汽車工業(yè)部門,新產(chǎn)品的開發(fā)大致分成這樣幾個階段:(1)概念開發(fā)階段,(2)設(shè)計階段,(3)設(shè)計驗證階段,(4)生產(chǎn)驗證階段,(5)投產(chǎn)階段。

一般來說,在(1)(2)(3)階段能夠較集中地應(yīng)用工程分析,主要體現(xiàn)在以下幾方面:

(A) 在(1)階段,通過ABAQUS等有限元軟件對概念模型做初步的工程分析,支持概念開發(fā)。

(B) 在(2)階段,可依據(jù)相關(guān)法規(guī)或有關(guān)的產(chǎn)品工程標(biāo)準(zhǔn)做出設(shè)計驗證計劃(DVP)和設(shè)計失效模式分析(DFMEA),在這兩個文件中,可以形成工程分析的任務(wù)需求,為下一步的工程分析工作做前期輸入的準(zhǔn)備,如:法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)中的試驗方法,相關(guān)材料數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備,分析方案的制定,進度計劃的形成以及人力資源的配備等。

(C) 在(3)階段,應(yīng)用ABAQUS完成相關(guān)的工程分析,給出定量數(shù)據(jù)或定性的結(jié)論。定量的數(shù)據(jù)如:應(yīng)力、應(yīng)變、位移、固有頻率及模態(tài)等。這些數(shù)據(jù)和結(jié)論能夠給設(shè)計工程師一個很好的設(shè)計依據(jù),以便在后繼的工作中完善設(shè)計。

在實際的開發(fā)過程中,工程分析工作不一定這樣“串行”在開發(fā)過程中,可能將工程分析工作與設(shè)計工作“并行”,如二者都在同步開發(fā)小組(SDT)之中,工程分析工程師與設(shè)計工程師進行交互式地工作。

另外,通過工程分析與實驗設(shè)計(DOE)進行有機結(jié)合,我們可以很好地進行優(yōu)化設(shè)計,例如,在夾緊力一定的條件下,將U性彈簧夾片的底部彎角β與材料厚度T設(shè)為設(shè)計變量,利用ABAQUS進行分析優(yōu)化,找出使用料最少的參數(shù)β與T;工程分析與設(shè)計失效模式分析(DFMEA)進行有效結(jié)合,可以幫助確定潛在的失效起因或機理,從而在設(shè)計中進行有效的控制。

可見,如能將工程分析很好地溶入開發(fā)過程的重要階段,對于保證產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量和縮短開發(fā)周期以及降低開發(fā)成本是至關(guān)重要的。


2. ABAQUS的分析流程

ABAQUS解決問題的范圍非常廣泛,它可以從簡單的線性分析到復(fù)雜的非線性分析,非線性問題涵蓋了材料非線性、幾何非線性以及邊界非線性。利用有限元求解任何工程力學(xué)問題,需要有清晰的分析流程,才能較好地模擬實際的情況。其實,ABAQUS/CAE已經(jīng)給出了很好的分析流程,本文的流程是以ABAQUS/CAE為內(nèi)核的工程分析管理方面的流程,它能幫助工程分析工程師高效地工作。以下為一基本的流程圖:

ABAQUS分析流程圖

第二部分:應(yīng)用ABAQUS軟件的一個算例----汽車遮陽板鏡盒的強度分析

1.問題的提出:

分析遮陽板鏡盒的打開過程中,轉(zhuǎn)軸頸部應(yīng)力的變化,確認能否滿足設(shè)計要求。

2.模型處理:

根據(jù)產(chǎn)品的實際功能,將其轉(zhuǎn)化成如圖所示的形式:彈簧夾片和鏡盒本體。

依據(jù)裝配和使用情況,此問題可化成多步驟分析,即:STEP1:打開彈簧夾片;STEP2:彈簧夾片夾緊接觸部位;STEP3:將本體向下轉(zhuǎn)動90度。

3.材料: 彈簧夾片------彈簧鋼;鏡盒本體------ABS。

真實應(yīng)力-應(yīng)變表(注:材料數(shù)據(jù)已做處理,請勿引用)

4.接觸問題的處理:

由于這個問題具有較強的非線性,為使結(jié)果真實,將彈簧夾片和鏡盒本體的接觸區(qū)的單元細劃。STEP1中,接觸被去掉(*MODEL CHANGE, REMOVE, TYPE = CONTACT PAIR);STEP2中,接觸被加上(*MODEL CHANGE, ADD, TYPE = CONTACT PAIR);STEP3中,接觸仍然存在。

5.邊界條件的處理:

在STEP1中,可以只定義彈簧夾片下部的接點(DOF=1,6),將自由端取一排結(jié)點,通過結(jié)點位移方法使彈簧夾片打開(DOF3=-5);在STEP2中,將彈簧夾片卸載,即取消自由端結(jié)點的邊界條件(通過定義其它邊界條件時,令OP=NEW),讓其自由回彈,夾緊接觸部位。此時,附加合理約束來保證鏡盒本體平衡,在STEP3中再將它去掉;在STEP3中,在轉(zhuǎn)動點處向下加載位移(DOF3=65)來保證鏡盒本體向下饒轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動90度。

6.結(jié)果輸出要求: 輸出:應(yīng)力、應(yīng)變、位移,接觸力的時間曲線(用于判斷接觸的情況)

7.結(jié)果判斷準(zhǔn)則:考慮到疲勞問題,要求一次操作時頸部應(yīng)力不應(yīng)超過15MPa。

8.前處理、求解及后處理: 用ABAQUS/CAE完成前后處理,用ABAQUS/Sandards來求解。

9.結(jié)果如下:

A:接觸反力曲線:

由圖可見,在T=1.37左右,彈簧夾片與本體開始接觸,在T=2.0時,接觸力達到最大。在STEP3中(T:2.0~3.0),接觸力逐漸下降,在T=2.5左右出現(xiàn)接觸波動(不連續(xù)),在接近T=3.0左右時,接觸力降為0,說明彈簧夾片與鏡盒本體脫開。

B:鏡盒本體應(yīng)力云圖:

如圖所示,雖然有一個單元的應(yīng)力較高(VON MISS STRESS=14.5MPa),但是不能作為評價值,而頸部面積較大的綠色區(qū)域為真實的應(yīng)力情況,VON MISS STRESS=8.5MPa。該值滿足設(shè)計要求。

10.分析小結(jié):

該模型雖然小,但它卻包含材料非線性、幾何非線性以及邊界條件非線性,這是一個較復(fù)雜的問題,但ABAQUS還是很好地解算出另人滿意的結(jié)果來。該算例應(yīng)注意摩擦系數(shù)的合理使用。

總結(jié):

前幾年,以ABAQUS軟件為代表的有限元軟件在中國一出現(xiàn),就受到廣大工程師和學(xué)者的熱烈歡迎。這種現(xiàn)象是和中國經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)化進程是緊密相關(guān)的,中國還遠未達到工業(yè)現(xiàn)代化。“中國是未來的制造業(yè)大國,未來的中國急需大量的工程師,工程教育在中國前途不可限量”------美國工程教育協(xié)會(ASSE)這樣講道。這雖然講的是工程教育的問題,但我們從另一個角度進行思考,不難想象出工程分析在中國的遠大前景。相信ABAQUS能夠抓住這樣難得的歷史機遇,加快發(fā)展。

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