导读:
有限元法在机械结构模态、强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而到普遍采用,特别是在材料应力-应变的线性范围内更是如此。
主机厂和汽车设计公司通过建立高性能的计算机辅助工程分析系统,其专业CAE队伍与产品开发同步地广泛开展CAE应用,在指导设计、提高质量、降低开发成本和缩短开发周期上发挥着日益显著的作用。
CAE应用于车身开发上成熟的方面主要有:
模态 、刚度 、强度 、NVH分析 、机构运动分析等;而车辆碰撞模拟分析、金属板件冲压成型模拟分析、疲劳分析和空气动力学分析的精度有进一步提高,已投入实际使用,完全可以用于定性分析和改进设计。
前不久,笔者在仿真秀平台原创首发的整车结构模态刚强度联合仿真,它通过使用Hypermesh软件作为有限元前处理工具,以Nastran软件作为模态、刚度、强度和振动分析仿真工具,以Femfat软件作为电池包振动疲劳仿真工具,建立有限元仿真分析模型,最终使用Hyperview软件实现对汽车零部件模态、刚度、强度和振动疲劳等工况结果进行查看和评估,课程讲解详细,有助于学者能够快速掌握有限元学习要点。借此机会和大家分享整车结构模态刚强度联合仿真的流程与案例。
一、几何清理
利用Hypermesh软件对模型进行前处理:
对于结构刚强度仿真,模型中的部件等对系统影响较小可舍弃;对于系统影响较大的零件几何特征可以适当简化,如倒角结构、结构对齐等。简化完成后,检查整个模型是否有干涉和其他问题,如有问题,可用Hypermesh软件对其进行修复,如无问题,可利用中面抽取工具对模型进行中面抽取。中面抽取后就要进行几何清理:
1、 对螺栓孔周边以及倒角等敏感部位单元
边长不小于3mm,3-5mm之间的单元数量小于单元总量的3%,实体单元平均尺寸3mm(2-4mm),用六面体单元。
2、 单元质量
翘曲 warpage | ≤ 15 |
长宽比 aspect | ≤ 5 |
对角线余角 skew | ≤ 60º |
最小角 minangle | ≥ 45° |
最大角 maxangle | ≤ 135° |
雅可比 jacobian | ≥ 0.6 |
三角形单元百分比 | < 1 5 % |
整个模型三角形单元数≤15%,除结构限制外,不允许有两个以上三角形单元相邻;
3、 R4以下的安装孔以4个节点模拟,R4以上的至少6节点;
4、 R5以下倒角忽略,用一层单元表示;宽度大于8mm,用2层以上单元表示;
5、 焊点用connector建立 ,并包含焊接各层的信息,焊接边至少2排单元;
6、 焊点各层的节点投影对齐 ,焊点类型acm;
7、 焊缝用rbe2单元连接,上下两层;
8、 底盘钣金件用5*5的SHELL建模,单元节点对齐;
9、包边:外包零件和被包零件初始连接处共节点,包边仅有中间一层单元;
10、螺栓连接:RBE2和BAR单元共同模拟/或者仅仅使用rbe2
11、粘胶:上、下单元与连接零件节点对齐,用实体单元adhensive
12、集中质量采用MASS质点;
13、接触厚度(干涉检查)
14、每个零件要进行法向、自由边检查,法向一致,不能有自由边;
15、仪表板、闭合件内饰的卡扣采用RBE2模拟。
经过以上处理,可以得到未经连接的有限元模型,此时模型中每一个零部件都是独立存在的,尚未简历连接关系,如下图所示:
二、模型装配连接
通过分析数模的结构组成及各部件的作用进而决定对部件的保留、简化、和连接关系,在尽可能保证仿真精度的情况下,通过简化减少网格的数量同时提高网格质量,提高计算效率,但是零部件之间的连接关系能够对仿真结果起到很大作用和影响,因此需要准确对模型进行连接设置。下图是连接后的模型。常见的连接包括焊点、胶粘、缝焊和螺栓。
三、有限元边界条件设置
为了使仿真结果更加合理,有限元模型必须建立科学的边界条件。主要有以下边界条件:约束(单点约束SPC、多点约束MPC)等、载荷(集中力、均布力、力矩)等。
四、 仿真分析
以Nastran软件作为模态、刚度、强度和振动分析仿真工具,以Femfat软件作为电池包振动疲劳仿真工具,建立有限元仿真分析模型,最终使用Hyperview软件实现了对汽车零部件模态、刚度、强度和振动疲劳等工况分析结果查看。
五、 案例截图
1、前悬架约束模态(如下图):
2、白车身自由模态分析(如下图):
3、车门约束模态分析车门扭转、窗框和安装点刚度分析(如下图)
4、白车身刚度分析含刚度曲线绘制(如下图)
5、液压工作台强度分析(重力场)(如下图)
6、液压拖撑支架强度分析(集中力)(如下图)
7、重卡空调支架频率响应强度分析(频响强度)(如下图)
8、下摆臂强度分析(惯性释放)(如下图)
9、动力电池包随机振动分析和动力电池包振动疲劳分析(振动疲劳)(如下图)
10、前悬架瞬态响应分析和前纵梁屈曲分析(瞬态响应和屈曲分析)(如下图)
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