搜索汽車有限元分析技術(shù)
2013-06-18 by:廣州有限元分析、培訓中心-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)模化和經(jīng)濟化方向發(fā)展,越來越多的車輛設(shè)計超越了現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的規(guī)定,需要利用有限元直接計算的手段來評估車輛安全性。這類計算有的選用國內(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)計算軟件。MSC 公司的系列軟件在我國汽車結(jié)構(gòu)計算中占據(jù)著非常廣泛的市場。然而,直接應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間,這種方式不能滿足現(xiàn)實車輛設(shè)計制造的要求,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,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,拓撲結(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性的工作,耗費大量寶貴的時間。為解決這個問題,采用Visual C++ 、PCL 語言結(jié)合會話文件對MSC. Patran 進行二次開發(fā),同時采用UG 進行參數(shù)化建模,使得開發(fā)的功能模塊實現(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
Patran 運行時,所有的操作都會記錄在會話文件(session file,. ses 文件)中,系統(tǒng)默認為pantran. ses. 01每次啟動時版本編號自動遞增。也可以將一段時間的操作記錄在某個指定的會話文件中。會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,會話文件的這個功能為開發(fā)PCL 程序提供了方便,通過修改會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)中會保存整個模型數(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數(shù)據(jù)類型。PCL 命令語言是集成于MSC. Patran 中的一個高級化、模塊化結(jié)構(gòu)的全功能計算機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)并生成計算時所需的數(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行交互,方便使用。
從功能上說,PCL語言可以實現(xiàn)一般高級語言所能實現(xiàn)的大部分功能,同時它還提供與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,應用PCL語言作為MSC. Patran 的開發(fā)工具是必然的選擇。應用PCL可以開發(fā)出界面漂亮、功能強大的應用程序?，F(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 應力計算分析
對車橋進行應力計算分析以保證其有足夠的強度和剛度,不同工況計算應力如下:
圖1 車橋受力示意圖
2.1 最大牽引力Pk = Pkmax工況
受力分析如圖1 所示。彎曲應力為:
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)。
其扭矩應力т 為:
式中:rd— 車輪動力半徑,rd =
,Pk— 牽引力;Pf— 行使阻力,ML— 作用在車輪上扭矩;Wn— 橋殼扭轉(zhuǎn)面模數(shù)。
因此橋殼在最大牽引力Pkmax的工況下受到的彎扭復合應力σa為:
2.2 緊急制動工況
合成彎曲應力σ' 為:
式中:K— 橋殼上的重量分配系數(shù);G— 靜載滿載時橋殼受到的載荷。扭應力т':
則緊急制動工況下復合應力:
2.3 凸凹不平路面行駛工況
在不平路面行駛時動載荷引起的垂直反力N3 (方向與圖1中的反力N1一致)達到最大時:
式中:K'— 動載荷系數(shù),一般K' = 2 ~ 3。
則彎曲應力σc為:
以上三種工況下取最大應力:
應使σmax =[σ]。
上述傳統(tǒng)算法,只能算出某一斷面的應力平均值,而不能完全反映橋殼上應力及其分布的真實情況。因此,它僅用于橋殼強度的演算,或用作與其他車型的橋殼強度進行比較,而不能用于計算橋殼上某點(例如應力集中點)的真實應力值。使用有限元法對驅(qū)動橋殼進行強度分析,就可以得到比較詳細的應力與應變的分布情況,同時利用開發(fā)的軟件可實現(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算出其應力分布情況。
3 二次開發(fā)接口實現(xiàn)過程
對于某一類型車橋,一個模型的建模過程可能都要用到幾千條PCL 語句,如果整個建模過程都通過手工書寫代碼形式進行,是一項非常繁瑣費力的工作,容易出錯。Patran 的建模過程實際上是一組命令的執(zhí)行過程,會話文件中就保存了這些命令。因此,可以將PCL 語言與會話文件結(jié)合起來。為了實現(xiàn)參數(shù)化,會話文件的編寫采用Patran 自動生成和手工編寫相結(jié)合的方式進行。首先手工在Patran 中建立模型,然后對保存下來的會話文件做必要的修改,在會話文件中增加變量聲明,必要的數(shù)據(jù)用變量替換,通過調(diào)用會話文件實現(xiàn)參數(shù)化建模,解決了建模中的重復操作。
下面以軟件中“ 網(wǎng)格劃分”功能按鈕對應的部分源代碼為例說明接口的實現(xiàn)方法和過程。在采用通用軟件如MSC. Patran 進行網(wǎng)格劃分時,需要確定網(wǎng)格類型、大小,劃分方法等一系列參數(shù),使用過程中有許多技巧和經(jīng)驗,一般需要在實際工程經(jīng)過長期積累。由于本軟件的針對性,很多工作由程序在后臺運行,在模型成功導入后,用戶只需要點擊“網(wǎng)格劃分”出現(xiàn)如圖2所示對話框,并確定網(wǎng)格精度后單擊“開始劃分網(wǎng)格”按鈕,系統(tǒng)將對導入的橋殼本體幾何模型進行網(wǎng)格劃分創(chuàng)建有限元模型。網(wǎng)格劃分的部分源代碼如下.
4 PCL 應用開發(fā)實例
車橋總成由車橋主體、彈簧板、平衡架、軸端、法蘭盤和加強墊片等零件組成。其中車橋主體厚度、長度、直徑以及加強墊片厚度、彈簧板中心距等參數(shù)根據(jù)工程實際情況需要進行調(diào)整,而不同尺寸參數(shù)對應的加載應力情況不同,這種組合需要建立有限元模型有數(shù)十種之多。因此,參數(shù)變化后進行工程分析時的建模工作量很大。針對該問題,作者利用前面介紹的接口方法,開發(fā)了車橋CAE 分析系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由以下模塊組成:參數(shù)化建模并自動生成幾何模型( 在UG 中完成)、車橋工程分析、顯示分析結(jié)果等。
圖3 是軟件主界面。在該界面下,屏幕的上方是菜單欄和工具條,左面是所有車橋設(shè)計方案的樹形列表。在左邊的樹形列表中給出了方案的主要構(gòu)成,包括:方案名稱、方案描述、設(shè)計原型和所用材料的名稱。如果在樹形列表中選中一個設(shè)計方案成為當前方案,則當前方案的名稱會出現(xiàn)在屏幕左上角的窗口標題欄中顯示。工具條是由最常使用的一些功能構(gòu)成,按照使用的頻率依次排列。
下面介紹該軟件在工程實際中對車橋進行分析的過程和結(jié)果。使用本軟件進行車橋分析的流程為:首先生成幾何模型,此時軟件會自動調(diào)用UG 進行參數(shù)化設(shè)計,在界面上輸入相應參數(shù)尺寸就可以生成需要的幾何模型,同時將模型轉(zhuǎn)換成Patran 可以識別的. x-t 文件格式保存;然后,導入建立的幾何模型、網(wǎng)格劃分、模型材料屬性的確定、幾何模型的約束和加載;最后對模型進行分析生成結(jié)果視圖。如選擇界面上的“ 網(wǎng)格劃分”可以彈出如圖2 所示的對話框;選擇網(wǎng)格劃分中的“ 生成視圖”可以顯示建立的有限元模型。圖4 是程序運行后某車橋的有限元模型圖,圖5 是對應該幾何模型的應力分布云圖。
從圖中可以看出,由程序根據(jù)參數(shù)建立起來的有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量比較好。橋殼在實際載荷工況的作用下,總體結(jié)構(gòu)的應力水平不高,但在車橋的圓弧和軸端區(qū)域應力大,應力變形的分布規(guī)律合理,與工程實際中車橋發(fā)生斷裂的位置相吻合,找出了該類型車橋的薄弱部位;在彈簧板處加了加強墊片后應力情況得到較好的改善,這些對于實際工程改進工作和優(yōu)化設(shè)計起到了很好的指導作用。
5 結(jié)束語
應用PCL 語言結(jié)合Patran 會話文件,可以實現(xiàn)VC++ 與Patran 之間的無縫連接。利用這個接口實現(xiàn)的汽車車橋CAE軟件系統(tǒng),一方面可以減少建模與分析過程中的重復勞動,提高工作效率,另一方面,用戶有了更多的時間用于建模,可以更準確地模擬實際結(jié)構(gòu)。同時,此軟件是一個開放系統(tǒng),可以在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上進行擴展,處理更多類型的車橋。
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