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整車柔性管線動(dòng)態(tài)仿真分析技術(shù)簡介

2019-09-24 00:03:17·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
汽車管線布置及設(shè)計(jì)方法01、CAE虛擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于整車開發(fā)過程，但是對于汽車柔性管線，工程師主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布置與設(shè)計(jì)，并通過實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行失效風(fēng)險(xiǎn)
01、汽車管線布置及設(shè)計(jì)方法
CAE虛擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于整車開發(fā)過程，但是對于汽車柔性管線，工程師主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布置與設(shè)計(jì)，并通過實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行失效風(fēng)險(xiǎn)評估。其主要原因是傳統(tǒng)的有限元仿真方法對材料特性復(fù)雜、大變形大扭轉(zhuǎn)難以收斂。
    
無仿真技術(shù)支持，設(shè)計(jì)初期，則無法對管線進(jìn)行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估，實(shí)車試驗(yàn)階段，管線與周圍部件更容易發(fā)生干涉、磨損，或者管線過度彎扭、卡箍拉脫，以至于內(nèi)部工作液泄露，造成失效。設(shè)計(jì)后期，若管線需重新布置，會(huì)有更多的設(shè)計(jì)約束條件，難度更大。因此，整車柔性管線布置與開發(fā)，急需開發(fā)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)。

傳統(tǒng)方法管線布局設(shè)計(jì)循環(huán)圖
    
目前，一種基于Cosserat 彈性桿理論的柔性管線動(dòng)態(tài)仿真分析方法被引入整車管線布置與設(shè)計(jì)過程中?；谠摲椒?，可以實(shí)現(xiàn)整車柔性管線動(dòng)態(tài)仿真分析，在整車開發(fā)前期便對柔性管線提供布置與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)支持，在無樣件和實(shí)車的條件下評估管線動(dòng)態(tài)失效風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了管線布置與設(shè)計(jì)的效率。

動(dòng)態(tài)仿真方法管線布局設(shè)計(jì)循環(huán)圖

02、Cosserat彈性桿基礎(chǔ)理論
 
汽車柔性管線為細(xì)長的柔性體，在汽車運(yùn)動(dòng)過程中，可以認(rèn)為其本構(gòu)關(guān)系為彈性關(guān)系。因此，采用Cosserat彈性桿理論對汽車柔性管線進(jìn)行建模。
    
柔性管線的幾何形態(tài)可由剛性截面沿中心線的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)所體現(xiàn)。以中心線上的一固定點(diǎn)P0為原點(diǎn)建立弧坐標(biāo)s，以空間中一固定點(diǎn)O建立參考坐標(biāo)系（O-ξηζ），O點(diǎn)到空間中一點(diǎn)的向量為r，在曲線上任一點(diǎn)P可定義一個(gè)依附于曲線的右手坐標(biāo)系（P-NBT），稱為Frenet坐標(biāo)系，如圖1.1所示。其中，T為該點(diǎn)處切線方向的單位矢量，N為該點(diǎn)處法線方向的單位矢量，矢量B由B=T×N得到。在P點(diǎn)建立與剛性截面相固連的主軸坐標(biāo)系（P-xyz），其中z軸與P點(diǎn)處的切線軸T重合。主軸坐標(biāo)系x軸與Frenet坐標(biāo)系的N軸的夾角為θ，θ為截面扭轉(zhuǎn)變形的體現(xiàn)。
圖1.1 柔性管線空間位姿的描述
    
設(shè)柔性管線中心線為C，選定C上的P0點(diǎn)為起始點(diǎn)，建立沿C的弧坐標(biāo)s ，C上任意點(diǎn)P的位置由s確定。以固定點(diǎn)O為原點(diǎn)，建立線纜參數(shù)化模型的定參考坐標(biāo)系O-ξηζ，如圖1.2所示。矢徑r 確定了C上運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)P的位置，r為s的單值連續(xù)可微函數(shù)。

圖1.2 柔性管線參數(shù)化模型
    
矢量r(s)確定了C的空間幾何形狀，C在P點(diǎn)處的切線矢量T可描述為
C在P點(diǎn)處的曲率定義為T對s的導(dǎo)數(shù)的模, 即


 
r確定了C上各節(jié)點(diǎn)的空間位置，通過對r的求解即可得到同一時(shí)刻線纜中心線C的空間幾何形狀。r的求解公式為
其中，矢徑r(0)表示P0點(diǎn)的空間位置。
Frenet坐標(biāo)系中，N和B張成的平面(N, B)稱為曲線C在P點(diǎn)處的法平面，記為∅。引入時(shí)間變量t，C在法平面內(nèi)隨時(shí)間t 的演化可表達(dá)為偏微分方程

 
其中, V是決定曲線C上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的速度函數(shù)。隨著演化的進(jìn)行, 在不同時(shí)刻獲得相應(yīng)的線纜空間曲線形狀，形成曲線集。

03、工程應(yīng)用
 
為了評估管線在實(shí)車路試條件下的干涉、拉脫、彎扭風(fēng)險(xiǎn)，需要綜合考慮管線的零件公差、安裝誤差以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)帶來的影響，即保證管線布置和設(shè)計(jì)的可靠性。
 
管線仿真的工程價(jià)值   
   
工程應(yīng)用范例1：
    
下圖為某車型的輪速傳感器線束。在靜止?fàn)顟B(tài)下，考慮了管線自身的材料特性、扭轉(zhuǎn)情況、重力等因素的CAE仿真線束與CAD設(shè)計(jì)狀態(tài)便存在較大差異。
通過仿真，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的管線與實(shí)際管線走向存在較大差異，考慮了管線自身材料特性、重力、彎扭特性的仿真狀態(tài)更加符合實(shí)際情況。
   
工程應(yīng)用范例2：
    
對換氣扇的預(yù)成型管進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，可得到應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線，最大應(yīng)力為85Mpa，可以得出結(jié)論：在實(shí)車路試振動(dòng)沖擊條件下，冷卻模塊的沖擊變形造成的鋁管連接處不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度開裂問題，設(shè)計(jì)滿足要求。

04、應(yīng)用區(qū)域
  
目前，柔性管線動(dòng)態(tài)仿真分析方法在整車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)管路、空調(diào)系統(tǒng)管路、變速箱系統(tǒng)管路及拉索、燃油系統(tǒng)管路、進(jìn)排氣系統(tǒng)管路、制動(dòng)系統(tǒng)管路及拉索均進(jìn)行了一系列的仿真分析及優(yōu)化，且仿真精度較高，滿足工程開發(fā)應(yīng)用的要求。
參考文獻(xiàn)：
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