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汽車(chē)制動(dòng)管路設(shè)計(jì)仿真與驗(yàn)證
2019-04-12 19:49:28· 來(lái)源：Simcenter 3D Online
汽車(chē)制動(dòng)管路設(shè)計(jì)與仿真面臨的問(wèn)題隨著汽車(chē)的快速發(fā)展以及客戶(hù)對(duì)整車(chē)品質(zhì)要求的逐漸提高，制動(dòng)系統(tǒng)柔性管路關(guān)鍵件設(shè)計(jì)的可靠性更加重要。現(xiàn)在正在研發(fā)的很多車(chē)型
汽車(chē)制動(dòng)管路設(shè)計(jì)與仿真面臨的問(wèn)題
隨著汽車(chē)的快速發(fā)展以及客戶(hù)對(duì)整車(chē)品質(zhì)要求的逐漸提高，制動(dòng)系統(tǒng)柔性管路關(guān)鍵件設(shè)計(jì)的可靠性更加重要。現(xiàn)在正在研發(fā)的很多車(chē)型在開(kāi)發(fā)過(guò)程中大都存在管線(xiàn)路干涉問(wèn)題，在后期解決干涉問(wèn)題過(guò)程中投入了大量的人力物力。為了在設(shè)計(jì)研發(fā)前期就能充分的識(shí)別出柔性管路干涉風(fēng)險(xiǎn)，暴露問(wèn)題進(jìn)而整改問(wèn)題，只能通過(guò)柔性管路仿真軟件進(jìn)行管路設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真分析才能達(dá)到上述效果。柔性管路運(yùn)動(dòng)仿真是能夠在設(shè)計(jì)階段充分識(shí)別柔性管路問(wèn)題及風(fēng)險(xiǎn)的極其重要的有效手段。
因?yàn)楣苈穯?wèn)題的復(fù)雜性，涉及非線(xiàn)性效應(yīng)（大位移、大旋轉(zhuǎn)）和過(guò)程中可能產(chǎn)生的屈曲和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，傳統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)方法，由于無(wú)法知道管路在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)，而多采用試錯(cuò)的方法，即反復(fù)試驗(yàn)不斷修正。這導(dǎo)致管路設(shè)計(jì)周期很漫長(zhǎng)，而且不斷交互試驗(yàn)也產(chǎn)生很多額外成本。
為縮短開(kāi)發(fā)周期，提高管路設(shè)計(jì)可靠性，管路設(shè)計(jì)工程師亟須一款軟件能夠根據(jù)各種工況輸入，對(duì)所有管路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析模擬：檢查柔性管路曲率，以保證其不小于可接受的最小值；檢查管路安裝及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能存在的干涉；優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量和管路長(zhǎng)度以降低成本；
基本計(jì)算方法介紹
管路靜力分析是計(jì)算在固定不變的載荷和約束的作用下管路最終成型和管路的曲率輸出，靜力分析是用來(lái)計(jì)算管路在固定不變載荷作用下的響應(yīng)，如位移、應(yīng)力、應(yīng)變等，可以計(jì)算那些固定不變的慣性載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），靜力分析包含線(xiàn)性靜力分析和非線(xiàn)性靜力分析。
靜力學(xué)方程：K q = g
其中K為剛度矩陣，q為位移矩陣，F(xiàn)為載荷矩陣，所有輸入?yún)?shù)都會(huì)體現(xiàn)在這三個(gè)矩陣中，和載荷相關(guān)的如重力、集中力、等效加速度等，最終生成相應(yīng)的載荷矩陣，管路的廚師位置、約束等會(huì)反應(yīng)到位移矩陣中，而總體剛度矩陣相對(duì)比較復(fù)雜，影響因素包含：管徑、壁厚、彈性模量、走向、約束，以及約束點(diǎn)的剛度都有關(guān)系。在Tea pipe中我們首先要建立幾何模型，然后輸入材料屬性，對(duì)于軟管材料的非線(xiàn)性需要充分考慮，一種近似的非線(xiàn)性救求解是將載荷分成一系列的載荷增量?？梢栽趲讉€(gè)載荷步內(nèi)或者在一個(gè)載荷步的幾個(gè)子步內(nèi)施加載荷增量。在每一個(gè)增量的求解完成后，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)載荷增量之前程序調(diào)整剛度矩陣以反映結(jié)構(gòu)剛度的非線(xiàn)性變化，使用平衡迭代使在每一個(gè)載荷增量的末端解達(dá)到平衡收斂（在某個(gè)容限范圍內(nèi)）在每次求解前，NR 方法估算出殘差矢量，這個(gè)矢量是回復(fù)力（對(duì)應(yīng)于單元應(yīng)力的載荷）和所加載荷的差值。程序然后使用非平衡載荷進(jìn)行線(xiàn)性求解，且核查收斂性。如果不滿(mǎn)足收斂準(zhǔn)則，重新估算非平衡載荷，修改剛度矩陣，獲得新解。持續(xù)這種迭代過(guò)程直到問(wèn)題收斂。對(duì)于管路成型中的每一個(gè)工況都可以輸出對(duì)應(yīng)載荷約束下的形變即管路形狀，Simcenter flexible pipe將整個(gè)有限元分析過(guò)程全部做成智能盒子，用戶(hù)只需輸入?yún)?shù)，模型即可自動(dòng)建立，有限元網(wǎng)格只需要選擇一維或二維軟件自動(dòng)劃分，計(jì)算求解模塊中默認(rèn)的收斂準(zhǔn)則會(huì)根據(jù)客戶(hù)定義的管路智能排序，自動(dòng)求解。因?yàn)楣苈穯?wèn)題的復(fù)雜性，涉及非線(xiàn)性效應(yīng)（大位移、大旋轉(zhuǎn)）和過(guò)程中可能產(chǎn)生的屈曲和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，傳統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)方法，由于無(wú)法知道管路在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)，而多采用試錯(cuò)的方法，即反復(fù)試驗(yàn)不斷修正。這導(dǎo)致管路設(shè)計(jì)周期很漫長(zhǎng)，而且不斷交互試驗(yàn)也產(chǎn)生很多額外成本。采用有限元分析方法可以很好的節(jié)約設(shè)計(jì)成本?？梢詫?shí)現(xiàn)依據(jù)管路特性參數(shù)，接頭、支撐結(jié)構(gòu)等參數(shù)計(jì)算管路最終成形形狀，計(jì)算模擬真實(shí)的安裝過(guò)程，始于直管先與一接頭連接，然后根據(jù)另一接頭、支撐結(jié)構(gòu)、彈簧、加強(qiáng)材料等的位置和方向逐步進(jìn)行管路成形計(jì)算。
設(shè)計(jì)仿真一體化平臺(tái)
Simcenter flexible pipe是一款管路分析和優(yōu)化專(zhuān)業(yè)解決方案軟件，能夠提供管路分析與管路優(yōu)化兩種功能，其強(qiáng)大的功能可全面滿(mǎn)足管路設(shè)計(jì)工程師的需要。在Simcenter flexible pipe管路定義界面完成管路長(zhǎng)度、材料特性、溫度、接頭、支撐結(jié)構(gòu)等附屬裝置的類(lèi)型、位置、方向等管路要素的定義，從而最真實(shí)的實(shí)現(xiàn)管路模擬
管路分析：設(shè)計(jì)者定義管路參數(shù)（長(zhǎng)度、直徑、壁厚、材料、接頭、護(hù)簧、橡膠護(hù)套、支撐等）并且將管路通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接到整車(chē)上，即可進(jìn)行管路的動(dòng)態(tài)分析，得到管路的變形情況和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)情況、曲率、應(yīng)力、碰撞和距離信息。
管路優(yōu)化：設(shè)計(jì)者定義設(shè)計(jì)變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)（如長(zhǎng)度最小化或安全系數(shù)最大化），來(lái)實(shí)現(xiàn)管路優(yōu)化分析，軟件自動(dòng)找到管路最佳設(shè)計(jì)方案。
Simcenter flexible pipe BEAM采用非線(xiàn)性BEAM單元來(lái)模擬不同類(lèi)型的柔性管路，如制動(dòng)管、轉(zhuǎn)向管、燃油管、線(xiàn)束等。
Simcenter flexible pipe 強(qiáng)大的非線(xiàn)性管路分析包含管路安裝準(zhǔn)靜態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、模態(tài)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析等。強(qiáng)大的管路優(yōu)化功能，可進(jìn)行包含管路接頭、支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量、位置及方向優(yōu)化以及管路長(zhǎng)度優(yōu)化等，幫助設(shè)計(jì)者獲得最佳管路設(shè)計(jì)方案。
Simcenter flexible pipe管路定義界面完成管路長(zhǎng)度、材料特性、溫度、接頭、支撐結(jié)構(gòu)等附屬裝置的類(lèi)型、位置、方向等管路要素的定義，從而最真實(shí)的實(shí)現(xiàn)管路模擬中不僅包含多種不同類(lèi)型的支撐結(jié)構(gòu)可供選擇，同時(shí)還考慮接頭及支撐結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)以及管路本身的軸向和扭轉(zhuǎn)耦合效應(yīng)等。同時(shí)液體重力及內(nèi)壓對(duì)管路產(chǎn)生的影響也會(huì)予以考慮。
為考慮管路的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，真實(shí)的實(shí)現(xiàn)管路模擬還可以施加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副到管路接頭、支撐結(jié)構(gòu)及車(chē)身連接部件，以實(shí)現(xiàn)管路與車(chē)身的連帶運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)管路的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)模擬。
Simcenter flexible pipe采用非線(xiàn)性BEAM單元來(lái)模擬不同類(lèi)型的柔性管路。TEA Pipe Beam提供了兩種功能：
a.管路設(shè)計(jì)分析：
用戶(hù)定義管路參數(shù)（長(zhǎng)度、直徑、材料、接頭、支撐結(jié)構(gòu)等附屬裝置等），并且將管路通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接到整車(chē)上，即可進(jìn)行分析，得到管路的變形情況和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)情況、曲率、應(yīng)力、碰撞和距離信息等。
b.管路優(yōu)化：
用戶(hù)可以定義設(shè)計(jì)變量、約束條件及目標(biāo)函數(shù)（如長(zhǎng)度最小化或安全系數(shù)最大化等），來(lái)實(shí)現(xiàn)管路參數(shù)化優(yōu)化分析，找到管路設(shè)計(jì)的最佳解決方案。
此案例采用tea pipe對(duì)制動(dòng)軟管進(jìn)行創(chuàng)建、模擬、仿真，如圖1所示為實(shí)車(chē)狀態(tài)掃描云圖與軟件仿真結(jié)果對(duì)比。
圖 1左前制動(dòng)軟管校核
由此可以看出Simcenter flexible pipe可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)軟管的創(chuàng)建、模擬、仿真，應(yīng)用軟件自帶material模擬出來(lái)的管路較應(yīng)用CATIA設(shè)計(jì)出的管路更準(zhǔn)確些。
拉線(xiàn)管路應(yīng)用
此案例采用Simcenter flexible pipe對(duì)拉線(xiàn)管路進(jìn)行創(chuàng)建、模擬、仿真。在軟件里定義拉線(xiàn)的相應(yīng)尺寸，與制動(dòng)軟管不同，拉線(xiàn)管路需要定義兩個(gè)管路以及拉線(xiàn)位移與內(nèi)外管的摩擦系數(shù)進(jìn)行分析。
圖 2拉線(xiàn)仿真
Simcenter flexible pipe可以快速定義及創(chuàng)建制動(dòng)拉線(xiàn)幾何數(shù)據(jù)，并可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)態(tài)間隙偵測(cè)。
輪速傳感器仿真應(yīng)用
圖 3輪速傳感器模型
Simcenter flexible pipe可快速定義及創(chuàng)建輪速傳感器線(xiàn)束幾何數(shù)據(jù)，并可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)態(tài)間隙偵測(cè)。
仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比
某車(chē)型管路仿真方案制定及驗(yàn)證：
圖 4仿真與實(shí)車(chē)掃描狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比
圖 5仿真與實(shí)車(chē)掃描狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比
實(shí)際問(wèn)題解決
某車(chē)型前制動(dòng)軟管：兩前輪制動(dòng)軟管短（余量不足），轉(zhuǎn)向輪在最大轉(zhuǎn)角時(shí)，油管過(guò)度拉伸，容易老化破損，存在制動(dòng)失效的安全隱患。
存在問(wèn)題的管路 改善后的管路
結(jié)論：通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的對(duì)比仿真分析，應(yīng)用 Simcenter flexible pipe可以快速的實(shí)現(xiàn)柔性管路的運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果精度滿(mǎn)足需求。
結(jié)論
本文詳細(xì)地分析了Simcenter flexible pipe在管路設(shè)計(jì)仿真中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是臺(tái)架測(cè)量結(jié)果還是實(shí)車(chē)測(cè)量結(jié)果，采用Simcenter flexible pipe 設(shè)計(jì)的制動(dòng)軟管仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差異較小，可以很好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，減短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。
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