汽车零部件有限元分析中的应用

2013-06-16  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

随着计算机辅助设计和制造技术的日趋成熟,设计人员迫切需要一种能对所做的设计进行快速、精确评价分析的工具,而不再仅仅依靠以往积累的经验和知识去估计。Altair 公司HyperWorks 软件正是这样一个有效的工具。他能与常用的 CAD 软件相集成,实现"设计-校核-再设计"的功能,可以轻松的直接从 CAD 软件中读取几何文件,并将最终的仿真计算结果反馈到 CAD 几何模型的设计中。同时由于有限元计算的高精度,可以减少试验次数,大大降低产品开发成本,缩短产品开发周期,提高产品设计质量。
   
本文通过两个案例,阐述了如何利用 HyperWorks 软件简化边界条件及计算复杂结构的强度,并通过与理论解的对比,验证 HyperWorks 软件在有限元计算方面的准确性。
   
    2 案例一:摩擦片从动盘的强度计算
   
由于摩擦片的形状比较特殊,九个叶片和内部八根加强筋呈同心圆分布,本案例介绍了如何灵活使用简化方法划分有限元网格及简化加载。摩擦片从动盘的几何模型如图 1 所示。

    
    2.1 摩擦片从动盘有限元模型的建立
   
由上述图 1 可见,摩擦片从动盘的九个叶片和八根加强筋呈同心圆分布,因此在划分此摩擦片从动盘有限元模型时可以将划分过程分成两部分:内圈加强筋部分和叶片部分,在接合部分进行局部修改缝合。首先可以将内圈几何模型分成八部分,叶片分成九部分,分别选取其中的一片进行网格划分,如图 2 所示。再使用 HyperMesh 的旋转功能 Rotate 划分出整个网格,最后进行局部缝合,这样,整个摩擦片从动盘的 2D 网格就完成了,继续使用3D 中的拉伸功能,完整的三维网格就建立成功了,如图 3 所示。

    
    2.2 材料和边界条件
   
    该摩擦片从动盘采用 QT450 制成,其材料参数如表 1 所示。
 

   
模型的强度不仅与模型的建立有关,还和模型边界条件的定义有密切关系。上述摩擦片在运行过程中靠外围的九个叶片的相互摩擦来其到制动作用。但是从图 3 我们可以看出,有限元模型中叶片的单元节点数目非常巨大,并且每个节点受力方向都是沿着其切线方向,因此如果每个节点都按实际情况加载,将非常困难。因此我建议将每个叶片上的载荷进行简化,分别在每个叶片的中部做一个刚性元,把叶片上所有节点约束到一起,再分别对每个叶片加载,从动盘载荷及约束有限元模型如图 4 所示。
   

    2.3 强度计算结果
   
摩擦片从动片采用 QT450-10 球墨铸铁制成,上下两面均与主动片摩擦,最大受到2500N·M 的扭矩作用。换算后,每个小片受到 844N 的摩擦力。其 Von Mises 应力及应变云图如图 5 和图 6 所示,强度计算结果如表 2 所示。
  

  
    2.4 摩擦片从动盘计算结果分析
   
由上述计算结果可知:案例使用的简化方法加载方法对仿真计算结果影响不大,仿真计算结果与理论计算值相差很小,只有 2.7%,由此可知,简化方法应用得当,仿真计算结果非常准确。

3 案例二:某发动机飞轮壳及传动系刚度和模态分析
   
发动机飞轮壳是发动机中一个重要的组成部分,它的刚度直接影响到整个发动机系统的性能。同时传动系作为一个大总成,在试验中很难测得其模态,而借助于有限元技术很容易计算其固有模态。本文介绍了通过在飞轮壳圆心处加集中力矩和在每个受力位置分别加载外力的两种方法计算飞轮壳的刚度,并对比计算结果,同时通过用HyperWorks 求解飞轮壳及传动系的刚度,来展示仿真分析在复杂结构计算上的优势。
    
    3.1 飞轮壳及传动系有限元模型的建立及载荷的确立
   
飞轮壳及传动系的有限元模型如图 7﹑图 8 和图 9 所示,其中图 7 和图 8 分别为飞轮壳在集中力矩和均布力两种加载方式下有限元模型图。飞轮壳共划分节点 41547 个,单元148704 个;传动系建模总共有节点 143403 个,单元 590833 个。

    
    飞轮壳刚度计算时,约束壳体 12 个螺栓孔,载荷有两种方案:
   
    方案一:均布力作用,在顶部 12 个螺栓上分别加载 83.3N。
   
    方案二:集中力矩作用,通过刚性连接,在飞轮壳的中间位置加载一个 1000N·M 的力矩。
   
    飞轮壳的密度 ρ=6950Kg/m3,缸体质量为 214Kg,缸盖质量为 77Kg,起动机质量为 24.2Kg,配载的大同 9js 变速箱质量为 375Kg。
   
    3.2 飞轮壳及传动系结算结果
   
飞轮壳在两种加载方案下的应力,应变云图类似,图 10 和图 11 给出了飞轮壳在均布力作用下的应力和应变云图,其计算结果如表 3 所示。飞轮壳和传动系的模态计算结果如表4 和表 5 所示。
  

  
    由表 3 可知,两种加载方案的计算结果相差只有 0.93%,因此两种加载方案在刚度计算中都适用。
   

 
    4 结论
   
由上述两个案例可见,HyperWorks 在汽车零部件的各种有限元分析中都能发挥极大的作用,快速的建模,良好的可操作性,优秀的可视化效果都使我们在分析汽车零部件时,更加省时省力。HyperWorks 操作简单,对零部件的计算,精度比较高,它的应用将大大减少试验费用,提高分析效率,加快产品研发的进程。

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