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汽車底盤件結(jié)構(gòu)耐久自動(dòng)分析系統(tǒng)研究
2021-11-11 14:23:27· 來源：汽車材料網(wǎng)
摘 要：針對(duì)汽車底盤件結(jié)構(gòu)耐久分析中存在的效率低、一致性差的問題，建立了分析流程自動(dòng)化系統(tǒng)。在載荷分解方面，基于多體動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等原理，開發(fā)了載荷快
摘 要：針對(duì)汽車底盤件結(jié)構(gòu)耐久分析中存在的效率低、一致性差的問題，建立了分析流程自動(dòng)化系統(tǒng)。在載荷分解方面，基于多體動(dòng)力學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等原理，開發(fā)了載荷快速轉(zhuǎn)化、結(jié)果自動(dòng)校核等算法，建立了載荷求解及結(jié)果后處理的自動(dòng)化系統(tǒng)。在有限元分析方面，基于二次開發(fā)技術(shù)、視圖變換等原理，提出了自動(dòng)建模、批量后處理等算法，建立了有限元分析全流程的自動(dòng)化系統(tǒng)?；诹鞒套詣?dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行底盤件分析時(shí)，載荷分解效率提高了91%，有限元平均分析效率提高47%，在大幅縮短工作周期的同時(shí)規(guī)避了人為錯(cuò)誤的影響，使分析結(jié)果的一致性得到充分保證。利用該系統(tǒng)進(jìn)行某車型動(dòng)力總成懸置支架的優(yōu)化，在10 d時(shí)間內(nèi)完成7版數(shù)據(jù)的優(yōu)化迭代，使問題得到快速整改，驗(yàn)證了所開發(fā)系統(tǒng)的高效性和實(shí)用性。
關(guān) 鍵 詞：載荷分解；結(jié)構(gòu)耐久分析；流程自動(dòng)化；懸置支架優(yōu)化
以有限元理論為基礎(chǔ)的CAE仿真技術(shù)在汽車結(jié)構(gòu)耐久性能開發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用，但一款車型的開發(fā)往往需要4～5輪分析才能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，且單輪分析一般會(huì)包含幾百個(gè)分析子項(xiàng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在設(shè)計(jì)方案的分析、優(yōu)化過程中，工程師平均要花費(fèi)約80%的時(shí)間用于建模、求解、后處理和撰寫分析報(bào)告等多個(gè)操作步驟，真正用于產(chǎn)品改進(jìn)的時(shí)間只占整個(gè)研發(fā)周期的20%左右。這種情況一方面會(huì)降低分析效率、增加人為錯(cuò)誤；另一方面，參數(shù)設(shè)置難以統(tǒng)一，不同工程師得出的分析結(jié)果的一致性難以保證［1］。
目前，將分析流程固化、開發(fā)有限元分析流程的自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)成為解決上述問題的主要途徑，這也是CAE領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。王超［2］在研究現(xiàn)有操作方法的基礎(chǔ)上開發(fā)了前門下垂剛度、自由模態(tài)等自動(dòng)分析系統(tǒng)，在某微型車上進(jìn)行了校核；蘇占龍等［3］設(shè)計(jì)了一套完全流程自動(dòng)化的鈑金件抗凹性分析前處理平臺(tái)，將分析效率提高了92.8%；丁濤等［4］編寫了客車側(cè)翻分析的自動(dòng)化流程工具，通過對(duì)比6名員工的手動(dòng)操作時(shí)間，證明使用流程自動(dòng)化方法可將分析時(shí)間減少62.23%～73.38%；張世友［5］開發(fā)了懸架零部件的CAE自動(dòng)分析系統(tǒng)，涉及幾何清理、模態(tài)分析和強(qiáng)度分析等，使工作效率大為提高。吳小杰等［6］開發(fā)了半艙托架模態(tài)的CAE自動(dòng)化分析工具，并對(duì)該工具的可行性和實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證。
本文針對(duì)汽車底盤件的結(jié)構(gòu)耐久性能，通過開發(fā)算法和編寫代碼的方式，建立了能快速完成載荷分解和有限元分析各操作步驟的流程自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作效率和結(jié)果一致性的顯著提升。通過某車型動(dòng)力總成懸置支架的優(yōu)化問題，對(duì)該系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
1 流程自動(dòng)化系統(tǒng)總體框架
底盤件的結(jié)構(gòu)耐久仿真分析涵蓋了剛度、強(qiáng)度和疲勞耐久分析，整個(gè)工作流程如圖1所示?？梢钥闯?，無論是剛、強(qiáng)度分析還是疲勞分析，都涉及載荷分解、材料特性獲取、CAE模型準(zhǔn)備、求解計(jì)算和后處理這5個(gè)關(guān)鍵步驟，其中的載荷數(shù)據(jù)、材料屬性和幾何模型是仿真分析的三要素［7］。
圖1所示的結(jié)構(gòu)耐久分析流程可以劃分為載荷分解和有限元分析兩部分工作。載荷分解是整個(gè)分析流程的起點(diǎn)，為后續(xù)工作提供了必要的輸入。有限元分析根據(jù)用戶實(shí)際使用情況制定相應(yīng)的仿真工況，基于彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、材料學(xué)、有限元以及疲勞耐久等理論開展仿真計(jì)算。
本文針對(duì)底盤件的載荷分解和有限元分析兩部分開展研究。在載荷分解方面，基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、二叉樹、統(tǒng)計(jì)學(xué)等理論，利用Visual C++、Matlab等語言開發(fā)載荷提取、載荷后處理系統(tǒng)，滿足工程師在載荷分解過程中的各種需求。在有限元分析方面，基于高等數(shù)學(xué)、空間矢量幾何、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等理論，利用Tcl/Tk語言，在Hyper-Works軟件平臺(tái)下建立有限元分析流程自動(dòng)化系統(tǒng)，使建模、求解、后處理和生成分析報(bào)告的流程可以自動(dòng)完成。整個(gè)自動(dòng)分析系統(tǒng)的組成如圖2所示。
圖1 結(jié)構(gòu)耐久分析流程
圖2 底盤件結(jié)構(gòu)耐久分析流程自動(dòng)化系統(tǒng)組成
2 載荷分解流程自動(dòng)化
2.1 載荷分解工況體系
常用的載荷分解方法主要有3種［8］：①基于經(jīng)驗(yàn)工況的載荷分解方法，該方法是各主機(jī)廠經(jīng)過多年的技術(shù)積累，逐漸形成的符合自身產(chǎn)品開發(fā)需求的經(jīng)驗(yàn)工況體系，在制動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)向等工況下，結(jié)合多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型完成零部件邊界載荷的計(jì)算。伴隨著開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，這些工況也被持續(xù)地完善和修正，最終與產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)定目標(biāo)具有較好的一致性；②虛擬迭代載荷分解方法，該方法需要建立除輪胎以外的整車多體動(dòng)力學(xué)模型，以實(shí)測(cè)道路載荷譜為輸入，通過迭代計(jì)算獲取輪心激勵(lì)，當(dāng)彈簧位移、輪心加速度等目標(biāo)變量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致時(shí)，便可以提取零部件的邊界載荷［9］；③基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的載荷分解方法，通過掃描實(shí)際路面、搭建整車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等步驟建立全仿真環(huán)境，進(jìn)而開展載荷分解工作［10］。
基于經(jīng)驗(yàn)工況的載荷分解方法不依賴于實(shí)測(cè)道路載荷譜，能在產(chǎn)品開發(fā)的早期便獲得應(yīng)用，本文主要采用該方法建立流程自動(dòng)化系統(tǒng)。這種方法的本質(zhì)是基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，結(jié)合一定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，推導(dǎo)出車輛在不同工況下的輪心或接地點(diǎn)載荷，之后將其作為激勵(lì)，輸入給整車或子系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，最終獲得各硬點(diǎn)處的載荷信息。例如，汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，其受力狀態(tài)如圖3所示，輪胎側(cè)向力和垂向力如式1所示［11］。
圖3 汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力狀態(tài)
式中：Fz_l和Fz_r為左、右輪垂向力；Fy_l和Fy_r為左、右輪側(cè)向力；m為整車質(zhì)量；Hcg為質(zhì)心距離地面的高度；ay為側(cè)向加速度；μ為路面摩擦因數(shù)；g為重力加速度。以前懸架為例，基于式（1）計(jì)算的輪胎力，便可以提取轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂、副車架等零部件的邊界載荷［12］，如圖4所示。
圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)邊界載荷求解
本文集成了前懸架、后懸架、車身、動(dòng)力總成等多個(gè)經(jīng)驗(yàn)工況體系，部分工況如表1～3所示。
表1 前懸架載荷分解工況體系
表2 后懸架載荷分解工況體系
續(xù)表（表2）
表3 車身載荷分解工況體系
2.2 批量建模及求解
2.2.1 基于二叉樹理論的輪胎力自動(dòng)求解
在基于經(jīng)驗(yàn)工況的載荷分解體系中，每個(gè)工況下的輪胎六向力都對(duì)應(yīng)不同的公式，可表示為一系列符號(hào)表達(dá)式。當(dāng)分析不同的車型時(shí)，表達(dá)式中的參數(shù)都會(huì)相應(yīng)改變，如圖5所示。
圖5 工況選擇及參數(shù)輸入
針對(duì)不同的工況及參數(shù)，本文開發(fā)了自動(dòng)解析表達(dá)式、求解輪胎六向力的算法。首先，根據(jù)用戶的選擇確定將要解析的符號(hào)公式；之后，將公式中的關(guān)鍵字替換為具體的車輛參數(shù)值，將符號(hào)表達(dá)式轉(zhuǎn)化為數(shù)值表達(dá)式；最后，基于“二叉樹”原理對(duì)完全由數(shù)值和運(yùn)算符號(hào)組成的表達(dá)式進(jìn)行求解［13］，從而獲得輪胎六向力，該過程如圖6所示。
圖6 符號(hào)表達(dá)式的自動(dòng)解析
除了現(xiàn)有工況的解析外，本文還提供了擴(kuò)展功能。工程師可利用符號(hào)表達(dá)式自主編寫必要的公式，載荷分解自動(dòng)化系統(tǒng)可對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)解析。
2.2.2 批量生成模型文件及求解
由于經(jīng)驗(yàn)工況體系包含幾十個(gè)工況，手動(dòng)建模的工作量極大，所以本文在深入研究ADAMS文件格式和求解過程的基礎(chǔ)上，開發(fā)了批量建模及求解的算法［14］。圖7所示為ADAMS模型文件中的輪胎六向力加載位置，后綴名為adm，圖8所示為每個(gè)adm文件對(duì)應(yīng)的仿真控制文件，ADAMS求解器會(huì)調(diào)用這一中間文件來完成計(jì)算。
圖7 模型文件中的輪胎六向力
圖8 仿真控制文件
2.3 載荷變換及格式調(diào)整
2.3.1 載荷矢量坐標(biāo)變換
載荷分解流程自動(dòng)化系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果默認(rèn)表達(dá)在相應(yīng)部件的局部坐標(biāo)系下，但是由于有限元模型通常都以大地坐標(biāo)系作為參考，所以CAE工程師希望將載荷結(jié)果轉(zhuǎn)化到初始姿態(tài)與大地坐標(biāo)系保持一致的坐標(biāo)系下，如圖9所示。
圖9 載荷結(jié)果的坐標(biāo)變換
本文從ADAMS計(jì)算結(jié)果中讀取局部坐標(biāo)系下的載荷矢量，之后基于空間坐標(biāo)變換原理［15］，將局部坐標(biāo)系下的載荷矢量轉(zhuǎn)化到大地坐標(biāo)系下。設(shè)某一部件的本體坐標(biāo)系BXYZ相對(duì)于大地坐標(biāo)系TXYZ的313歐拉角為［φ，θ，ψ］，則BXYZ坐標(biāo)系相對(duì)于TXYZ坐標(biāo)系的方向余弦矩陣為
2.3.2 載荷文件格式調(diào)整
除了坐標(biāo)系問題外，ADAMS生成的載荷文件格式往往與有限元前處理軟件不一致，這就需要載荷分解工程師或者有限元分析工程師對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。該過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易出錯(cuò)，本文開發(fā)的系統(tǒng)可以自動(dòng)完成載荷文件的格式調(diào)整［16］，如圖10所示，所有數(shù)據(jù)都占用8位，可以與有限元軟件無縫對(duì)接。
圖10 重新調(diào)整后的載荷文件
2.4 載荷結(jié)果自動(dòng)校核
2.4.1 載荷極值點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析
當(dāng)載荷分解工程師得到一組數(shù)據(jù)后，往往需要獲取結(jié)果中的某些統(tǒng)計(jì)信息，例如載荷數(shù)據(jù)在不同區(qū)間段內(nèi)的分布情況。以懸架緩沖塊的垂向載荷數(shù)據(jù)為例，工程師需要判斷載荷值在0～1 000 N、1 000～2 000 N、2 000～3 000 N等幾個(gè)區(qū)間段內(nèi)分別有多少個(gè)。當(dāng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)較大異常時(shí)，就可以驅(qū)動(dòng)工程師重新檢查模型或者仔細(xì)校驗(yàn)載荷數(shù)據(jù)，防止錯(cuò)誤的載荷對(duì)CAE計(jì)算產(chǎn)生影響。為此，本文開發(fā)了載荷區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)的自動(dòng)化程序，如圖11所示。
圖11 載荷頻次統(tǒng)計(jì)示意圖
圖11中，批量讀取用戶指定的載荷文件后，采用判斷數(shù)據(jù)點(diǎn)兩端斜率是否異號(hào)的方式尋找數(shù)據(jù)的極值點(diǎn)，進(jìn)而按照設(shè)定的區(qū)間完成統(tǒng)計(jì)。
2.4.2 不同車型載荷結(jié)果對(duì)比分析
除了載荷值在不同區(qū)間段內(nèi)的頻次信息外，工程師還需要對(duì)比在研車型與對(duì)標(biāo)車型在相同硬點(diǎn)位置的載荷。例如，同樣采用麥弗遜懸架的兩款車型，需要對(duì)比其轉(zhuǎn)向節(jié)、下控制臂等節(jié)點(diǎn)位置的載荷數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大差異，則需對(duì)模型進(jìn)行檢查，防止異常數(shù)據(jù)影響CAE分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
為了快速完成上述工作，本文開發(fā)了載荷結(jié)果對(duì)比程序。用戶在指定兩款車型的載荷文件后，程序會(huì)自動(dòng)搜索2個(gè)文件中的對(duì)應(yīng)硬點(diǎn)的載荷值，然后批量地完成所有工況下的載荷結(jié)果對(duì)比，如圖12所示。
圖12 載荷結(jié)果差異統(tǒng)計(jì)結(jié)果
圖12中，橫坐標(biāo)為工況號(hào)，縱坐標(biāo)為輪心側(cè)向力?？梢钥闯觯?2、13、21、26、28這幾個(gè)工況中，載荷結(jié)果有一定的差異，但差異值都在合理范圍，故可以判斷是模型不同產(chǎn)生的正常結(jié)果。
3 有限元分析流程自動(dòng)化
3.1 底盤焊縫自動(dòng)建模
與車身、開閉件的網(wǎng)格劃分不同，底盤件的焊縫需要用二維四邊形單元表征，如圖13所示。這樣做的目的是保證底盤件剛度、強(qiáng)度及疲勞分析精度。正是這種特殊需求的存在，使得底盤件的網(wǎng)格劃分無法批量進(jìn)行，需要工程師首先在焊縫連接的2個(gè)部件上分別建立焊縫線，然后在完成母材網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)上，手動(dòng)添加表征焊縫的二維單元。
圖13 底盤件焊縫模型
本文針對(duì)上述問題，開發(fā)了底盤零部件自動(dòng)畫網(wǎng)格工具。為了實(shí)現(xiàn)快速建立母材及焊縫網(wǎng)格的目標(biāo)，程序自動(dòng)完成如下步驟：首先基于焊縫的幾何標(biāo)示（圓筒狀的曲面），自動(dòng)識(shí)別與焊縫曲面相交的部件，確定2個(gè)部件的連接情況，如圖14所示；在識(shí)別出焊縫相連的兩個(gè)部件后，程序在對(duì)應(yīng)母材上分別建立表征焊縫線的共享邊和自由邊，如圖15所示；基于圖15中建立的焊縫線，自動(dòng)建模工具首先計(jì)算線的長度，之后每間隔5 mm建立1個(gè)硬點(diǎn)（理想網(wǎng)格尺寸為5 mm），如圖16所示；最后利用批量畫網(wǎng)格模塊快速建立除焊縫以外的母材網(wǎng)格，并通過焊縫線上的硬點(diǎn)找到2個(gè)母材之間對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)連接后，便形成零部件之間的焊縫單元，如圖17所示。
圖14 焊縫連接信息的自動(dòng)識(shí)別情況
圖15 自動(dòng)建立的焊縫線
圖16 焊縫線上的硬點(diǎn)
圖17 自動(dòng)建立的焊縫網(wǎng)格
圖17所示為某車型的后拖曳臂網(wǎng)格模型。可以看出，大多數(shù)的焊縫網(wǎng)格都可以按照二維四邊形單元的要求被建立出來。
3.2 基于視圖變換理論自動(dòng)截圖
在分析報(bào)告中，模型中最差的單元應(yīng)放置在最明顯的地方，以方便評(píng)審及分析。這些操作都是通過分析人員手動(dòng)調(diào)整截圖視角來完成，效率較低。為此，本文基于三維空間視圖變換原理［17］，開發(fā)了自動(dòng)調(diào)整模型的姿態(tài)、使位移云圖的顯示角度自動(dòng)符合分析報(bào)告要求的算法，視角轉(zhuǎn)換原理如圖18所示。
圖18 視角轉(zhuǎn)換原理
本文開發(fā)的分析工具會(huì)首先基于后處理軟件獲取結(jié)果最差的單元及其id號(hào)，同時(shí)得到該單元周邊小范圍內(nèi)的平均法向量→Rn作為視圖局部坐標(biāo)系的第1軸；之后利用向量點(diǎn)乘運(yùn)算獲取全局坐標(biāo)系中與該矢量夾角最大的單位向量→Rv，作為局部坐標(biāo)系的第2軸；基于此將→Rn和→Rv進(jìn)行叉乘運(yùn)算得到→Rh，作為局部坐標(biāo)系的第3軸，從而獲得視圖轉(zhuǎn)換矩陣。利用視圖轉(zhuǎn)換原理，可以自動(dòng)調(diào)整模型姿態(tài)，使結(jié)果最差的單元正對(duì)屏幕顯示，在此基礎(chǔ)上截取的云圖可以直接作為分析報(bào)告中的圖片。該計(jì)算過程見式（4）所示。
以前副車架極限強(qiáng)度分析為例，模型中的最大位移是需要關(guān)注的對(duì)象之一。采用上述算法獲得的截圖如圖19所示，可以看出，位移最大的單元已經(jīng)被調(diào)整為指向屏幕外。
圖19 前副車架自動(dòng)截圖效果
3.3 自動(dòng)后處理
3.3.1 自動(dòng)讀取結(jié)果
當(dāng)分析工況較多時(shí)，研發(fā)人員需要逐個(gè)讀取計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)致工作量較大。本文開發(fā)了針對(duì)不同工況及求解類型的自動(dòng)讀取結(jié)果的程序，包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變以及壽命等，這里以底盤件的疲勞分析為例進(jìn)行簡要介紹。
根據(jù)規(guī)范，母材及焊縫邊緣熱影響區(qū)的疲勞分析結(jié)果需要被分別讀出，前后懸架對(duì)應(yīng)的疲勞工況分別有30和22個(gè)，所以母材及焊縫的結(jié)果文件各有60和44個(gè)，且每個(gè)工況對(duì)應(yīng)的壽命門限值各不相同。本文開發(fā)的自動(dòng)工具會(huì)分別讀取母材及焊縫的疲勞結(jié)果文件，獲取各單元的疲勞壽命值后，自動(dòng)找出壽命最小的位置，同時(shí)篩選出不合格的單元及壽命值，將其保存到表格中，如圖20所示。
圖20 疲勞壽命后處理結(jié)果
3.3.2 自動(dòng)生成報(bào)告
本文基于Visual Basic script語言，編寫了調(diào)用Excel和Powerpoint等自動(dòng)生成分析報(bào)告的代碼，可以按照固定的模板，將指標(biāo)、圖片等直接寫入指定的位置，從而快速形成分析報(bào)告，如表4所示。
表4中，表格中的結(jié)果為前轉(zhuǎn)向節(jié)各安裝點(diǎn)的變形及剛度值，對(duì)于不合格項(xiàng)，將自動(dòng)標(biāo)紅。
4 分析效率對(duì)比及工程應(yīng)用
4.1 分析效率對(duì)比
本節(jié)對(duì)底盤結(jié)構(gòu)耐久自動(dòng)分析系統(tǒng)的效果進(jìn)行說明，主要圍繞分析效率和結(jié)果一致性兩方面加以評(píng)價(jià)。載荷分解部分涉及計(jì)算和后處理，如表5所示。有限元分析部分由于包含的分析項(xiàng)較多，所以這里給出平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表6所示。表中的數(shù)據(jù)來源于某款車型的一輪分析過程。
如表4、5所示，載荷分解流程自動(dòng)化和有限元分析流程自動(dòng)化可以大幅度提高工作效率、縮短開發(fā)周期、降低人力成本。對(duì)于載荷分解工作來說，求解和校核的流程自動(dòng)化系統(tǒng)可以將工作效率提高約91%（2部分提升的效率取平均值）；對(duì)于有限元分析工作來說，工作效率約提高47%（多個(gè)分析項(xiàng)的工作效率提升值取平均）。
除了工作效率的提升外，流程自動(dòng)化系統(tǒng)可將分析規(guī)范和參數(shù)設(shè)置方法加以固化，降低分析出錯(cuò)率的同時(shí)徹底規(guī)避不同工程師由于操作不同所產(chǎn)生的結(jié)果不一致的問題，大大提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
表4 轉(zhuǎn)向節(jié)剛度分析結(jié)果
表5 載荷分解自動(dòng)系統(tǒng)效果
表6 有限元分析自動(dòng)化系統(tǒng)效果
4.2 某車型動(dòng)力總成懸置支架優(yōu)化
經(jīng)驗(yàn)工況在懸置、底盤、車身等零部件的結(jié)構(gòu)耐久分析中獲得了廣泛應(yīng)用。如圖21所示，某車型在實(shí)車試驗(yàn)中出現(xiàn)了左側(cè)動(dòng)力總成殼體開裂和螺栓松動(dòng)的情況。
為了防止殼體開裂，在原有三螺栓的基礎(chǔ)上增加1處螺栓連接，如圖22所示。
圖21 懸置支架上的螺栓松動(dòng)現(xiàn)象
圖22 增加螺栓孔后的數(shù)模
基于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成懸置工況，利用本文開發(fā)的載荷分解自動(dòng)化系統(tǒng)得到的左側(cè)懸置載荷如表7所示。在該載荷作用下，懸置件的最大應(yīng)力值超過了屈服極限，同時(shí)等效塑性應(yīng)變也超過了許用門限值，故需要進(jìn)行優(yōu)化［18］。
利用有限元自動(dòng)分析系統(tǒng)，先后經(jīng)過7次優(yōu)化改進(jìn)后發(fā)現(xiàn)，懸置支架背面的加強(qiáng)筋對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析結(jié)果影響最大，故通過改變?cè)撐恢玫慕Y(jié)構(gòu)來使強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，如圖23所示。
表7 極限工況下懸置支架載荷
圖23 懸置支架的優(yōu)化部位
圖24所示為最終優(yōu)化方案的應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變圖。由于該工況為極限工況，故設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為如果部件應(yīng)力超過屈服，但是等效塑性應(yīng)變小于0.002，仍然為達(dá)到要求。
這里介紹的動(dòng)力總成懸置優(yōu)化過程中，由于工程開發(fā)周期的限制，需要盡快給出優(yōu)化方案。本文利用自動(dòng)分析系統(tǒng)，在約10 d的時(shí)間里進(jìn)行了7次方案更新和優(yōu)化，有效支撐了方案的快速整改，而如果完全通過手動(dòng)操作，則難以完成。
圖24 優(yōu)化后的懸置支架
5 結(jié)束語
本文針對(duì)汽車底盤件結(jié)構(gòu)耐久分析中存在的指標(biāo)數(shù)量眾多、人工操作繁瑣復(fù)雜等問題，提出了載荷快速求解、結(jié)果批量轉(zhuǎn)化、網(wǎng)格自動(dòng)劃分、快速后處理及生成分析報(bào)告等算法，建立了底盤結(jié)構(gòu)耐久自動(dòng)分析系統(tǒng)。
所開發(fā)的流程自動(dòng)化系統(tǒng)可以極大地提高分析效率、縮短開發(fā)周期。與傳統(tǒng)手動(dòng)操作相比，載荷分解的效率可以提高91%，有限元分析的平均效率可以提高47%。該系統(tǒng)使研發(fā)人員能將更多的精力投入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)上，在相同的時(shí)間內(nèi)完成更多輪次的迭代和優(yōu)化，有利于提高產(chǎn)品品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。與此同時(shí)，使用者只需通過簡單的點(diǎn)擊鼠標(biāo)等操作，便可自動(dòng)完成分析流程中的一系列工作，最終按照固定的模板生成分析報(bào)告，降低手動(dòng)操作量的同時(shí)規(guī)避了人為因素造成的錯(cuò)誤，使分析結(jié)果的一致性得到充分保證。而工作任務(wù)的簡化，還可以降低分析門檻，使經(jīng)驗(yàn)尚不豐富的工程師同樣完成高質(zhì)量的分析。
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來源：期刊-《重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）》；作者：
田 磊1，2，張立玲1，黃 黎1，韓 東1，喻 煒1
（1.北京汽車股份有限公司 汽車研究院，北京 101300；2.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）
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