汽车车桥CAE 软件设计及接口技术研究

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

随着汽车制造技术与汽车市场的发展,汽车制造向规模化和经济化方向发展,越来越多的车辆设计超越了现行有关规范的规定,需要利用有限元直接计算的手段来评估车辆安全性。这类计算有的选用国内自主开发的软件,有的采用各汽车制造公司的结构计算软件。MSC 公司的系列软件在我国汽车结构计算中占据着非常广泛的市场。然而,直接应用这一类通用有限元软件分析车辆结构需要较高的有限元技巧和较长建模时间,这种方式不能满足现实车辆设计制造的要求,也不具备处理突发事件的能力。在采用有限元法研究某公司生产的车桥工程问题时,对同一类型不同几何尺寸的车桥,需要采用不同的有限元模型,建模的工作量很大,考虑到车桥的类型相对稳定,拓扑结构没有发生重大改变,这样建模与分析过程中有许多重复性的工作,耗费大量宝贵的时间。为解决这个问题,采用Visual C ++ 、PCL 语言结合会话文件对MSC. Patran 进行二次开发,同时采用UG 进行参数化建模,使得开发的功能模块实现了结构建模与分析的参数化,且具有齐全的前、后处理功能。

    1 Patran 与PCL 语言的功能特点

Patran 运行时,所有的操作都会记录在会话文件(session file,. ses 文件)中,系统默认为pantran. ses. 01每次启动时版本编号自动递增。也可以将一段时间的操作记录在某个指定的会话文件中。会话文件中记录的操作可以通过回放的形式重做,里面也可以嵌入变量、函数定义等PCL 程序段,会话文件的这个功能为开发PCL 程序提供了方便,通过修改会话文件使建模过程程序化,工作效率能够得到较大的提高。此外,日志文件(journal file,. jou 文件)中会保存整个模型数据库db 文件的建模过程,利用它也可以重建模型数据库。

PCL(patran command language)语言的语法类似C 语言,它提供一般高级语言所有的大部分数据类型。PCL 命令语言是集成于MSC. Patran 中的一个高级化、模块化结构的全功能计算机编程语言和用户自定义工具,可以让用户在MSC. Patran 软件系统中集成自编开发的分析程序或特定的图形界面。为了利用MSC.Patran 的前后处理功能,MSC 提供了一系列的PCL 函数,用来从MSC. Patran 的数据库中读取数据并生成计算时所需的数据输入文件,以及将结果文件的数据写入MSC. Patran 的数据库中,供MSC. Patran 进行前后处理。开发用户界面的目的是为了将这些自编译的函数集中起来,通过直观的图形界面进行交互,方便使用。

从功能上说,PCL 语言可以实现一般高级语言所能实现的大部分功能,同时它还提供与Fortran 和C 的访问接口;另一方面,也由于PCL 语言与MSC. Patran的紧密关系,应用PCL 语言作为MSC. Patran 的开发工具是必然的选择。应用PCL 可以开发出界面漂亮、功能强大的应用程序。现在,几乎所有的分析仿真软件都采用PCL 语言作为工具,建立了与Patran 的集成关系,有的也直接将Patran 作为分析系统的前后处理器。

    2 应力计算分析。

对车桥进行应力计算分析以保证其有足够的强度和刚度,不同工况计算应力如下:

汽车车桥CAE 软件设计及接口技术研究+学习资料图片1

    2. 1 最大牵引力P_k= P_kmax工况

    受力分析如图1 所示。弯曲应力为:

    式中:N₁- 反作用力;L- 车轮到弹簧板距离;W - 桥壳抗弯断面模数;Ф- 附着系数。其扭矩应力т 为:

    т= N₁Фr_d/W_n

    式中:r_d- 车轮动力半径,r_d = M_L/P_k- P_f,Pk- 牵引力;P_k- 行使阻力,M_L-作用在车轮上扭矩;W_n- 桥壳扭转面模数。

    因此桥壳在最大牵引力P_kmax的工况下受到的弯扭复合应力σ_a为:

     2.2 紧急制动工况

    合成弯曲应力σ' 为:

    式中:K- 桥壳上的重量分配系数;

    G- 静载满载时桥壳受到的载荷。

    扭应力т':

    т' = M'_n/W_n= KGФrd/2W_n

    则紧急制动工况下复合应力:

   2. 3 凸凹不平路面行驶工况

在不平路面行驶时动载荷引起的垂直反力N₃( 方向与图1中的反力N₁一致)达到最大时:

     N₃=K'G/2W

    式中:K'- 动载荷系数,一般K' = 2 ~ 3。则弯曲应力σ_c为:

    σ_c=K'GL/2W

    以上三种工况下取最大应力:

               σmax = max[σ_a,σ_b,σ_c]

    应使 σ_max =[σ]。

上述传统算法,只能算出某一断面的应力平均值,而不能完全反映桥壳上应力及其分布的真实情况。因此,它仅用于桥壳强度的演算,或用作与其他车型的桥壳强度进行比较,而不能用于计算桥壳上某点(例如应力集中点)的真实应力值。使用有限元法对驱动桥壳进行强度分析,就可以得到比较详细的应力与应变的分布情况,同时利用开发的软件可实现模型的建立和后处理,对不同参数车桥可以通过软件可以计算出其应力分布情况。