利用知识工程快速对汽车转向节有限元非线性分析

2013-08-08 by:广州有限元培训实践中心来源:仿真在线

转向节是汽车转向桥上的主要零件之一,能够使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向,转向节的功用是承受汽车前部载荷,支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下,它承受着多变的冲击载荷,因此,对其有很高的要求。

由于有多种设计方案,在传统的CAE软件中进行分析,就需要对每个设计方案都要做一次分析,包括网格划分、边界条件加载和后处理,再加上都是同样的工况,这样的分析只能重复工作,显得单调而无聊。如果能有一种软件可以进行多种方案的快速分析和比较,就可以提高分析效率。本文利用CATIA CAE对转向节进行结构静强度分析。在CATIA CAE中可以建立CAE分析模板,充分利用知识工程的功能进行多种方案的快速分析,另外还可以利用设计表格设定多种工况分析。

一、几何描述

本文涉及两种设计方案,如图1所示。

图1设计方案

所有的设计模型都是利用CATIA软件绘制。两种设计方案有较大的差别,其中最大的区别在于是否有凹槽。

二、分析任务

分析任务主要是针对在两种不同的轮胎半径下,对指定工况的转向节设计模型作应力评估。在本文中,将考虑两种工况:a 73 degree square工况(73°直角边凹穴工况)和a camber stiffness工况(弯曲刚度工况),如图2所示。

这两种工况会同时对应两个不同的轮胎半径尺寸,工况会出现如图3所示的4种情况。

三、具体步骤

1.对关键特征进行发布

创建一个装配体,插入设计方案1,然后在几何体上双击,切换到零部件设计(PartDesign)界面。点选“Tools”→“Publication”,激活如下选项:“allow publication of faces”、“edges”、“vertices”和“axesextremities”。选择相关的面、点进行发布,并且参照图4所示进行重命名。

关掉如下参数:“allow publication of faces”、“edges”、“vertices”和“axesextremities”。发布该几何体并命名为“KnuckleBody”。当所有的发布定义完成后,点击“Export”来保持这些发布的名字为文本格式。最后点击“OK”,这些发布会在结构树上显示出来。

打开设计方案2,部件名字为“Knuckle-modified.CATPart”,进入“Tools”→“Publication”,点击“Import”,打开刚才保存的文本文件。针对每一个发布名字,重新关联相应的几何特征。点击“OK”,关闭Publication对话框。再保存该文件。需要注意,这两个设计方案发布的名字必须要完全相同,这是创建分析模板的关键。

2.创建分析模板

每一个分析特征都是基于几何特征的发布来代替几何本身,在分析中,这种方法方便置换整个几何部件。从主菜单中选择“Start”→“Analysis&Simulation”→“NonlinearStructuralAnalysis”,系统会默认创建一个“General Static Step”。

(1)网格。

删除自动创建的“OctreeMeshPart”和“3Dproperty”,点击OctreeTetrahedronMesher图标,从结构树上选择名为“KnuckleBody”的发布作为要划分网格的几何支撑。在全局Global参数中,选择二阶单元

(Parabolic)作为单元类型(Elementtype)。网格尺寸设置为5mm,不激活“Absolute sag and Proportional sag”选项。这样会生成一个更加规则的网格。在质量准则(Quality)栏目中,选择Skewness作为优化单元质量的准则,并设置雅克布参数(Jacobian)为0.8。在其他栏目中,激活“Mesh edges suppression”,并设置系数为0.15。网格部件就会不包含一些小于全局网格尺寸乘以“the mesh edges suppression”系数的网格边长的单元,点击“OK”关闭对话框。

点击3Dproperty图标,选择“OctreeTetrahedronmesh”网格部件作为支持。点击“OK”。

(2)创建刚性虚拟体(rigidvirtualparts)。

在CATIA CAE中的虚拟体是和我们传统上所讲的MPC作用相同,其中刚性虚拟体就相当于MPC里面的RBE2单元。创建四个刚性虚拟体是用来代表与转向节相连的4个几何部件,分别为the upper shock absorber(上避震器),the steering arm(控制臂),the lower ball joint(下球型副)和thehub(轮毂)。

点击Rigid Virtual Part图标,选择名为“hub”的发布作为支撑,选择名为“hub_point”的发布作为控制点(图7a),点击“OK”关闭对话框。重复同样的步骤生成刚性虚拟体,模拟如图6a所示的“the upper shock absorber”、“the steering arm”和“the lower ball joint”(图7b)。

(3)创建刚性连接(rigidconnection)。定义一个连接,模拟车轮对转向节的影响(图8),其方法是先创建一个通用分析连接(GeneralAnalysisConnection),分别选择名为“hub_point”的发布和名为“tire_point”发布作为“firstcomponent”第一组件和“secondcomponent”第二组件,然后定义一个刚性连接属性(RigidConnection),使用刚才创建的通用分析连接(GeneralAnalysisConnection)作为支撑(support)。

图8刚性连接定义

(4)定义载荷和边界条件。首先,定义位移边界条件(Displacement Boundary Conditions)如表1。所选择的支撑均为发布。然后,创建集中载荷(PointLoads),如表2。

3.用设计表进行参数化研究

(1)几何参数重命名。

点击Formula图标,选择“tirepatchpoint”,所有与该点相关的参数都会在该表中显示出来。选择“Knuckle”→“GeometricalSet.1”→“tire_point”→“Z”,并重命名“Tire_Radius”(图9)。

(2)重命名载荷参数。

在特征树上选择“CenterHub”载荷,如图10所示,重命名为:

FiniteElementModel.1\CenterHub\ConcForce.1\Force.1为CenterHub_Fx;

FiniteElementModel.1\CenterHub\ConcForce.1\Force.3为CenterHub_Fz;

FiniteElementModel.1\CenterHub\ConcForceMoment.1\Moment.1为CenterHub_Mx。

从特征树上选择“TirePatch”载荷,重命名:

FiniteElementModel.1\TirePatch\ConcForce.1\Force.2为TirePatch_Fy。

点击“OK”关闭对话框。

(3)创建设计表。

点击设计表(DesignTable)图标,选择参数“Createa design table with current parameter values”,重命名设计表的名字为“knuckle_Design Table”,然后点击“OK”,将出现一个新的对话框。选择重命名参数(Renamed parameter),插入五个参数到设计表中(图11)。点击“OK”,然后用Microsoft Excel格式来显示设计表。

(4)编辑设计表。

点击“Edittable”,打开excel表格,编辑如图12所示的电子表格。插入一列,输入相应参数,设置不同的配置,一个轮胎半径对应两种工况。保持并关闭电子表格。设计表就会自动更新,如图13所示。

设计表编辑完成后,可以在结构树上双击“centerHub_load”载荷,如图14所示,所有参数的地方都已经与设计表关联起来。

4.创建job和后处理

创建“job”,命名为“job1”,memory为使用内存比率,设置为90%,parallelization为求解时CPU并行的数量,设置为2,点击“OK”,如图15。

同时,可以设置一下分析步,几何非线性设置为on,初始增量步长为0.01s,如图16。

提交分析任务,选择“submit”(图17),然后选择“monitor”观察迭代过程,如图18。位移云图如图19所示。

四、利用分析模板进行设计方案的快速置换和分析

1.置换转向节设计方案

前面已经使用了发布建立CAE分析模板,接下来只需要置换(replace)一下其他的设计方案即可,其他所有的网格和边界条件的设定都不需要重新设定,只需按照前面设定好的进行加载。

具体步骤是:如图20所示,在“Link.1”下面的“Knuckle_Design1”,双击切换到装配体界面(Assembly Design),右键点击“Component”,然后选择“ReplaceComponent”,通过浏览器打开另外的设计方案“Knuckle-modified.CATPart”,就会弹出“ImpactsOnReplace”对话框,点击“OK”。

2.更新计算和后处理

置换后,就可以在job管理器里面进行提交分析任务和计算,点击“attachresults”,观看后处理和位移云图。在非线性分析中,可能需要的时间要多一些,因为需要不断的迭代计算,如果用线性进行分析,就可以非常快速地进行结果更新。计算出的结果如图21所示。

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