開發(fā)高質(zhì)量螺栓接頭是汽車底盤設(shè)計不可或缺的組成部分。高穩(wěn)健性接頭相對于連接副車架到轉(zhuǎn)向節(jié)的連桿而言,了解其設(shè)計的人可能更少,但它卻對改進操控、延長汽車壽命至關(guān)重要。接合不嚴,就會惡化對齊不善等質(zhì)量問題,從而影響接合組件的耐用性。設(shè)計良好的接合效率更高,能以更小型號的扣件支持更大負載,而且不會脫松。
福特汽車公司的工程師接到了為中型乘用車后懸掛系統(tǒng)開發(fā)高穩(wěn)健性懸臂式錐形接頭的任務(見圖1)。為了最大限度節(jié)約時間和成本,同時滿足功能性目標要求,該團隊用Abaqus for CATIA(AFC)發(fā)了自動化實驗設(shè)計(DOE)流程用于結(jié)構(gòu)分析,并用Isight進行流程自動化和最優(yōu)化。
福特的底盤CAE工程師Satyendra Savanur指出:“我們的團隊選擇AFC 來進行標準的壓力建模和仿真實踐,采用模板 形式讓設(shè) 計機 構(gòu)中更多工程師都能使用。Isight和AFC相結(jié)合,能幫助我們開發(fā)強大的自動化設(shè)計分析流程。我們采用一種近似模型中的響應表面方法來找到最佳參數(shù),確定接頭的尺寸。”
分析錐形接頭性能
螺栓接頭是汽車懸掛最常見的接合方式。在本應用中,錐形接頭用來連接連桿和后轉(zhuǎn)向節(jié),采用懸臂式連接。錐形接頭襯內(nèi)套和轉(zhuǎn)向節(jié)兩部分相連,每部分對錐角有獨特的制造公差。
為開發(fā)鋼內(nèi)套和鋁轉(zhuǎn)向節(jié)之間的穩(wěn)健錐形接頭,要考慮以下方面:每個部件的生產(chǎn)公差、錐和底座之間的接觸區(qū)域、負載移除后的錐扭矩損失角度。
為進行設(shè)計仿真測試,福特工程師采用AFC創(chuàng)建轉(zhuǎn)向節(jié)和襯內(nèi)套的有限元模型,并通過CATIA創(chuàng)建的模型獲得幾何輸入和材料屬性。AFC保持與CATIA模型的相關(guān)性,確保當CAD模型在設(shè)計變量變化范圍內(nèi)變更時Abaqus模型更新的魯棒性。
在物理組裝流程中,鍛鋼內(nèi)錐受力緊靠鋁轉(zhuǎn)向座。由于不同部件的生產(chǎn)工藝不同,錐設(shè)計特性的角度公差不同于內(nèi)套和轉(zhuǎn)向接合表面。
Savanur指出:“由于潛在的角度不匹配問題,當接頭完全扭轉(zhuǎn)而且兩個表面接合時會存在接觸面積差異?!苯雍喜牧峡赡艹霈F(xiàn)局部塌陷,這就會導致裝配時接觸面積變化和接頭壓力分布變化。加負載情況下,接觸面積和接頭壓力可能出現(xiàn)進一步的變化。
圖1.裝配前,采用錐形接合的止推桿(黑色)和后轉(zhuǎn)向(銀色)特寫圖。
他指出:“因此在分析中必須仿真接頭總成以及接頭工作負載的加載和卸載。我們的目標是提供穩(wěn)健性接頭設(shè)計,解決錐體和轉(zhuǎn)向之間的全部各種錐形不匹配問題。”
對進行穩(wěn)健性接觸分析乃至接觸壓力分布分析,內(nèi)套筒網(wǎng)格構(gòu)建為與轉(zhuǎn)向座網(wǎng)格的配合。為協(xié)助接觸面網(wǎng)格的對齊,另外創(chuàng)建了轉(zhuǎn)向座“域”(見圖2青色),可簡化接觸工作。這個部件在Abaqus內(nèi)通過固連接觸連接到轉(zhuǎn)向體其它部分。
為模擬螺栓裝配流程而創(chuàng)建內(nèi)套和轉(zhuǎn)向接頭座之間的虛擬螺栓。套中心承受外部工作負載。鋁和鋼的非線性壓力-應變曲線導入AFC進行非線性分析。接觸對和螺栓張力都在AFC中創(chuàng)建。接觸面輸出(CAREA)和接觸力強度(CFNM)都能用AFC進行后處理。最后,Abaqus分析文件輸出并提交到高性能計算(HPC)集群,從而運行分析。
管理DOE進程
福特需要評估大量不同參數(shù)組合的設(shè)計,這促使工程師創(chuàng)建了自動化的DOE流程。在該流程中,CAD幾何更新和FEA模型更新在相同回路中完成,從而實現(xiàn)全自動的DOE工作方式。
福特的CATIA啟動含有一套經(jīng)定制的外部產(chǎn)品管理系統(tǒng),在CATIA界面初始化之前通過腳本剝離產(chǎn)品管理系統(tǒng)連接。
圖2.錐形接頭的CAE網(wǎng)格。
設(shè)計參數(shù)隨后通過外部Excel文件輸入CATIA,這屬于CATIA中更新設(shè)計表的常用方法。Excel文件的輸入?yún)?shù)映射到Isight管理器的DOE任務,這支持每個回路的Excel工作表自動更新。由于Excel同步于設(shè)計表,因此能自動更新CATIA中的CAD幾何模型。在AFC中,幾何和FE網(wǎng)格保持關(guān)聯(lián),因此所得的網(wǎng)格在CAD數(shù)據(jù)變化時會自動更新。
Savanur指出:“通過開發(fā)統(tǒng)一集成過程,我們能同時驅(qū)動幾何體和網(wǎng)格的自動更新。”為了控制DOE流程,用Isight作為流程自動化管理器。所得的自動化回路完全集成于CATIA和AFC,實現(xiàn)CAD自動更新,能創(chuàng)建Abaqus 有限元模型,并提交工作進行分析,最后獲得處理結(jié)果。
Isight流程中的Abaqus組件用來提取結(jié)果,包括每次運行DOE的CAREA和CFNM(見圖3)。Excel文件的輸入?yún)?shù)隨后映射到輸出參數(shù),以創(chuàng)建Isight近似模型。Savanur指出:“在我們這個案例中,我們用響應表面模型近似法?!边@種錐形接頭行為近似模型可用來展示輸入如何影響輸出,并快速優(yōu)化錐形接頭。
Savanur說:“這是福特首次用基于Isight集成化DOE自動循環(huán)配合CATIA和Abaqus應用于幾何體形狀的尋優(yōu)?!?/span>
Isight實現(xiàn)更高效的流程
CATIA和AFC腳本的設(shè)置、驗證,HPC任務提交批處理文件以及Windows批處理命令文件都需要時間和資源來開發(fā),但所花的時間是完全值得的,因為這些文件能在隨后的項目中略加修改就實現(xiàn)重復利用。
Savanur 指出:“開發(fā) 相 關(guān) 的CATIA模型配合關(guān)聯(lián)Excel設(shè)計表再鏈接到相關(guān)AFC模型,這需要大約3天完成。修改和調(diào)試開發(fā)的腳本運行這些新模型還需要一天時間。使用Isight,整個流程只需要三個半小時就能完成35次運行分析。”
福特的底盤CAE總監(jiān)Joe Peters指出:“通常,手動CAE分析流程需要兩天時間才能完成一次運行。當然,如果項目非常重要,這個時間也能縮短些,但這基本是每個工程師每天兼顧數(shù)個項目工作后的進度?!?/span>
圖3.采用Isight的集成DOE自動化流程。
數(shù)據(jù)在CAE和CAD之間來回傳輸往往造成時間效率低下,在人們要做多項工作情況下,在需要新的設(shè)計迭代時不能立即停下手頭的工作。這有點像CPU時間與墻上時鐘時間的對比。
Savanur指出:“在開展其他日常工作情況下完成所有35次運行估計需要約70天,不過我們的新流程消除了手工CAD/CAE流程帶來的的低效問題。通過Isight創(chuàng)建集成化、自動化的DOE流程,我們只用大約4天就完成了這個任務。這是得益于CAE流程節(jié)約成本和時間,也是實現(xiàn)項目目標的唯一方法。”
Peters指出:“使用自動化DOE流程,我們能大幅縮短開發(fā)穩(wěn)健性錐形接頭所需的時間,并盡可能減少資源占用。用自動化流程從CAD創(chuàng)建到CAE模型生成能實現(xiàn)最大的時間節(jié)約。這充分說明一一個事實CAE團隊采用創(chuàng)新技術(shù)就能幫助福特實現(xiàn)項目目標?!?/span>
福特采用AFC并在Isight幫助下創(chuàng)建自動化DOE流程,能實現(xiàn)穩(wěn)健性錐形接頭設(shè)計。這款設(shè)計展現(xiàn)出較好的接觸面,在負載移除后仍能保持夾力,而且符合指定的制造公差。
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