福特汽车加速设计创新：Abaqus、CATIA与Isight协同作战

研发高质量的螺栓连接是汽车底盘设计不可分割的一部分。虽然与连接件的设计相比更鲜为人知，如连接副车架和转向节连接的趾型连接臂连接，但是坚固的螺栓连接对于提高操作性能和延长汽车性能寿命至关重要。松动的接头可影响校准等的质量问题，并最终影响连接部件的耐久性。一个设计合理的接头效率更高，可以以更小尺寸的紧固件支撑更大的负载而不出现松动。

福特汽车公司工程师的任务就是，为中型客车的后悬挂系统提供坚固的悬臂式锥形铰接设计（见图一）。为了在满足功能的情况下将时间和成本降至最低，团队使用针对结构分析的 Abaqus for 3DS CATIA（AFC）和针对流程自动化和优化的 Isight，开发了自动实验设计（DOE）流程。

“我们团队采用了 AFC，以便以模板形式，为设计组织内的更大的工程师团队提供标准的应力建模和仿真实践。”福特底盘 CAE 工程师 Satyendra  Savanur 说，“Isight 与 AFC 的联合，可以使我们研制出强大的自动设计分析方法。我们使用近似模型中的响应面模型，来找出接头尺寸的最佳参数。”

分析锥形铰接的性能

螺栓连接是汽车悬挂系统中最常用的连接方法。在此连接方法中，锥形铰接使用悬臂式连接方式，将趾型连接臂与后转向节连接进行连接。锥形铰接的两个接合部件——内套管和转向节——对锥角都有唯一的制造公差。

为了在内套管和转向节间实现牢固的锥形连接，应考虑以下方面：

  ——各个元件的制造公差

  ——锥体和锥形座接触面

  ——锥角角度

  ——工作负载移除后的转矩损耗

为了对设计进行虚拟测试，福特公司工程师根据使用 3DS CATIA 创建的模型的几何信息和材料属性，使用 AFC 来创建内套管和转向节的有限元模型。AFC 与 3DS CATIA 模型保持关联，以确保  CAD（计算机辅助设计）模型在设计变量范围内变更后，Abaqus更新后的模型保持一致。

在物理装配过程中，锻钢内锥与铝材转向节座相连接。由于各个部件的制造工艺不同，内套管和转向节啮合面的锥形设计的角公差也不同。

“由于角公差可能存在不对等，两个表面啮合，并完全施以扭动力时，接触面积可能出现变化。”Savanur 说。啮合材料可能出现局部变形现象，导致接触面积和压力分布在接头组装过程中出现变化。当施加工作负载后，接触面积和接触压力可能进一步发生变化。

“因此，在分析时，要对接头组装和接头工作负载的施加或移除进行模拟，这至关重要。”他说，我们的目标就是针对锥体和转向节所有的锥形不匹配情况提供稳健的锥形铰接设计。”

为了确保稳健的接触分析，以及接触压力分布，内套管的网格被设计地与转向节座的网格相匹配。为了在接触面实现网格匹配，在枢轴连接座上创建一个单独的‘区域’（见图二蓝绿色部分），以简化建网格过程。在Abaqus 中，使用固连接触将该部件与转向节的其他部分相连。

为了模拟螺栓组装过程，先在内套管和转向节接合座间创建一个虚拟螺栓。然后对内套管中部施加外部的工作负载。在 AFC 中导入铝和钢的非线性应力-应变曲线，以促进非线性分析。在AFC中创建接触对和螺栓张力。通过AFC，接触面积输出（CAREA）和接触力值（CFNM）可用于后期处理。最后，Abaqus分析文件被导出并提交至高效能计算集群，以进行分析。

管理 DOE 流程

福特需要对不同参数组合的大量设计进行评估，这促使工程师开发了自动化 DOE 流程。在该流程中， CAD 几何内容更新和 FEA（有限元分析） 模型更新在同一环中完成，因此形成全自动的 DOE 方法。

在福特公司，外部产品管理系统和 3DS CATIA 启动进行了定制。 脚本在对 3DS CATIA 界面进行初始化前， 会首先断开与产品管理系统的连接。

通过外部 Excel 文件，将设计参数导入 3DS CATIA 中，这是 3DS CATIA 更新设计表的通常方法。 Excel文件的输入参数再映射至Isight管理器的DOE任务中。 在每一循环中，这可以实现 Excel 工作表的自动更新。由于 Excel 与设计表实行同步，因此3DS CATIA 中 CAD 几何信息的更新都会反映在表中。在AFC中，几何信息与 FE（有限元） 网格相关联，因此网格操作也更新至变更后的 CAD 数据中。

“通过开发一种单一的集成式流程，我们可以同时实现几何信息和网格的自动更新。”Savanur 说。为了管理和控制 DOE 流程，使用Isight作为流程自动化管理器。所产生的自动化环会完全集成于 3DS CATIA 和AFC中，以进行 CAD 更新，创建 Abaqus FE模型，提交作业，用于分析和后处理结果。

Isight 环内的 Abaqus 组件用于提取输出内容，包括 DOE 每次操作的 CAREA 和 CFNM（见图三）。然后，将 Excel 文件的输入参数映射至这些输出参数中，以创建 Isight 的近似模型。

“就我们而言，我们使用了响应面模型的近似方法。” Savanur 说。这种锥形铰接行为的近似模型可用于显示输入信息是如何影响输出信息，并快速优化锥形铰接的。

“这是福特首次借助 3DS CATIA 的 Abaqus 软件，使用集成式 DOE 自动化环对几何信息进行改变。” Savanur 说。

Isight 实现更高效的流程

3DS CATIA 和 AFC 脚本、高性能计算作业提交批处理文件、 Windows 批处理命令文件的建立和验证均需要时间和资源，但只需进行少量更改即可在后续项目中重复使用，因此值得采用。

“开发相同的 3DS CATIA 模型以及关联的 Excel 设计表，并与相关的 AFC 模型相关联，这需要大约三天时间。” Savanur 说，“对之前开发的脚本进行修改并调试，以用于新模型，这也需要一天时间。借助 Isight，只需 3 个半小时即可完成 35 次分析操作。”

“通常情况下， 工程师手头都有几个项目，并在各个项目中取得平衡，这种情况下， 手动 CAE 操作需要两天时间才完成一个操作。当然，如果项目重要，时间也可以缩短。”福特底盘 CAE 主管 Joe Peters 说。

在 CAE 和 CAD 机构间来回转送数据通常导致效率低下，因为每个人员有多项任务，当需要新设计时，也不会马上停下手中的工作。这类似于 CPU 时间和挂钟时间。

“据估计， 在照顾到其他日常工作的同时， 完成所有 35 次操作大约需要 70 天；然而，我们的新流程消除了手动 CAD/CAE 操作导致的低效率。” Savanur 说，“通过 Isight，创建集成的、自动的闭环 DOE 流程，我们大约四天就完成这项任务。这是 CAE 机构实现精益管理，实现项目在成本和时间上的目标的唯一方法。”

“使用自动化的 DOE 流程，我们大大缩短了开发稳固的锥形铰接的时间，并将资源使用量降至最低。” Peters 说，“从 CAD 中创建 CAE 模型的自动化流程，最大程度地为我们节省了时间。这也证明，使用创新技术的小型 CAE 团队可帮助福特实现项目目标。”

使用 AFC，并创建基于 Isight 的集成式闭环 DOE 流程，福特可制造出稳固的锥形铰接设计。该接头具有良好的接触面，并在规定的制造公差范围内，在移除负载后保持夹紧力。

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