淺述計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)上的發(fā)展及應(yīng)用

1、淺述計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)上的發(fā)展及應(yīng)用【摘要】介紹計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)的核心知識(shí)，對(duì)輪胎仿真分析及整車碰撞仿真分析，淺述了仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)上的應(yīng)用?！局黝}詞】計(jì)算機(jī)仿真汽車應(yīng)用 有限元 輪胎 整車碰撞一 前言中國(guó)汽車特別是轎車工業(yè)在20多年有了巨大發(fā)展。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2009年，我國(guó)汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷突破1300萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)創(chuàng)歷年最高，其中，乘用車產(chǎn)銷首次超過1000萬(wàn)輛，我國(guó)已成為世界第一汽車生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。車型由單一品種發(fā)展到客貨并重、大中小系列產(chǎn)品齊全的可喜局面。但是，中國(guó)自主汽車產(chǎn)品技術(shù)水平，還難以達(dá)到市場(chǎng)的要求。高效地提高民族自主品牌的技術(shù)研發(fā)能力，成為

2、振興祖國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的重要舉措。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，特別是CAE技術(shù)，可以在提高產(chǎn)品質(zhì)量和建立產(chǎn)品開發(fā)能力方面，給汽車企業(yè)提供極大幫助。 對(duì)于新車開發(fā)中的疲勞、壽命、振動(dòng)、噪聲等強(qiáng)度和剛度問題，可借助仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)階段解決，大幅度提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省大量開發(fā)費(fèi)用。二 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在汽車工業(yè)的應(yīng)用是多方面的，它經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從小型到大型，從剛體到柔體，從線性結(jié)構(gòu)到非線性結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程。最初技術(shù)由于受到計(jì)算機(jī)軟硬件性能的限制，只能對(duì)汽車結(jié)構(gòu)作大量的簡(jiǎn)化。例如，在研究汽車在常規(guī)路面上直線行駛性能的時(shí)候，由于不會(huì)產(chǎn)生由汽車轉(zhuǎn)彎引起的左右車輪載荷轉(zhuǎn)移，可以將

3、汽車簡(jiǎn)化為單軌汽車模型；當(dāng)只研究汽車系統(tǒng)動(dòng)力性能的時(shí)候，可以忽略汽車懸架的彈性變形；而以多體力學(xué)為基礎(chǔ)的虛擬樣車技術(shù)中，將汽車中的大量零部件都以剛性體代替；在以有限元理論為基礎(chǔ)的FEM分析中，也經(jīng)常將單元用比較簡(jiǎn)單的線性單元描述。這樣做的目的，就是為了降低模型的復(fù)雜程度，減輕計(jì)算機(jī)的工作負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)代汽車工程對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求，汽車結(jié)構(gòu)仿真分析已不滿足于結(jié)構(gòu)線彈性分析，汽車產(chǎn)品精益設(shè)計(jì)要求仿真分析更多的考慮非線性系統(tǒng)的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，仿真技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展和不斷的完善。這使得汽車仿真分析的大型化和精確化成為可能，也使得大量非線性單元的應(yīng)用成為可能。三 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

4、運(yùn)用的知識(shí)1.有限元思想有限元法是將連續(xù)體理想化為有限個(gè)單元集合而成，這些單元僅在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上相連接，亦即用有限個(gè)單元的集合來(lái)代替原來(lái)具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)體。由于有限元的分割和節(jié)點(diǎn)的配置非常靈活，它可適應(yīng)于任意復(fù)雜的集合性狀，處理不同的邊界條件。單元有各種類型，包括線、面和實(shí)體或稱為一維、二維和三維等類型單元。節(jié)點(diǎn)一般都在單元邊界上，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定載荷，這樣就組成了有限單元集合體。在此基礎(chǔ)上，對(duì)每一單元假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的唯一函數(shù)來(lái)近似模擬其唯一分布規(guī)律，通過虛位移原理求得沒個(gè)單元的平衡方程，既是建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。最后把所有單元的這種特性關(guān)系集合起來(lái)，就可建立整

5、個(gè)物體的平衡方程組?？紤]邊界條件后借此方程組求得節(jié)點(diǎn)位移，并計(jì)算出各單元應(yīng)力。 學(xué)習(xí)并掌握了有限元基本理論及分析方法，就可推廣到各種結(jié)構(gòu)形式，將有限元計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。2.彈塑性材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及計(jì)算人們通常用相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)近似模擬計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，典型的模型有：?jiǎn)蜗蚶鞎r(shí)的理想化模型、等相硬化模型、隨動(dòng)硬化模型、綜合硬化模型。計(jì)算時(shí)通常把應(yīng)變分成彈性和塑性兩部分。3.接觸界面的處理方法有兩個(gè)基本問題要解決。第一個(gè)問題是確定任意時(shí)刻汽車碰撞系統(tǒng)中全部的接觸碰撞界面，它對(duì)應(yīng)的是接觸界面的搜尋問題；第二個(gè)問題就是確定接觸碰撞界面上接觸碰撞力的大小和方向，它對(duì)應(yīng)的是在接觸約束條

6、件下接觸力的計(jì)算問題。在這里，采用級(jí)域理論與方法分析與計(jì)算四、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在汽車上的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展到今天，幾乎已經(jīng)涵蓋了我們對(duì)汽車性能要求的所有方面，剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命、振動(dòng)噪聲、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力性分析、碰撞仿真和乘員保護(hù)、空氣動(dòng)力學(xué)特性等等，門類齊全的各種CAE軟件共同提供了一個(gè)完成精益設(shè)計(jì)的工具平臺(tái)。汽車仿真技術(shù)按分析目標(biāo)可分為兩大部分：整車系統(tǒng)以及車身、附件和底盤零部件系統(tǒng)。而整車系統(tǒng)分析中包括4個(gè)方面的內(nèi)容:整車系統(tǒng)疲勞壽命分析；整車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，采用多體(剛體和柔體)動(dòng)力學(xué)分析方法進(jìn)行汽車動(dòng)力學(xué)仿真;整車系統(tǒng)NVH(振動(dòng)、噪聲和舒適性)分析；碰撞模擬和乘員保護(hù)及評(píng)價(jià)。五 應(yīng)用

7、實(shí)例之一：對(duì)輪胎的仿真分析1.對(duì)輪胎特性的分析輪胎是汽車的重要組成部分，它的機(jī)械性直接影響車輛的各種性能，例如，操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)性能等。輪胎的影響對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性至關(guān)重要。輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論先后有網(wǎng)絡(luò)理論、薄膜理論、薄殼理論等，這些理論均有很大的局限性。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，有限法為一種有效的方法引入使用。隨著對(duì)輪胎模型的深人研究以及科技的發(fā)展，為了更真實(shí)的反映輪胎的實(shí)際情況，更加貼近地模擬輪胎的物理模型，得到輪胎的各項(xiàng)性能參數(shù)，我們現(xiàn)在使用的模型是三維非線性有限元模型。輪胎的非線性特性包括三點(diǎn):幾何非線性特性；材料非線性特性；非線性邊界條件。2.輪胎有限模型的建立(1)三維實(shí)體型的繪制根據(jù)不同的

8、結(jié)構(gòu)和材料，我們可以通過CAD繪圖技術(shù)來(lái)得到輪胎的徑向截面輪廓圖和材料分布圖。因此，我們就可以得到輪胎的三維實(shí)體模型。(2)CAD模塊與ANSYS軟件的接口在有限元軟件包都具有IGES文件接口。ANSYS的IGES輸人能力在工業(yè)界中位于最強(qiáng)者之列。通過這條公共通道，在系統(tǒng)中建立的模型都可以直接讀取到軟件的前處理模塊中。我們可以通過這種方式把輪胎的三維實(shí)體模型讀人ANSYS的前處理模塊中。(3)材料的定義輪胎的結(jié)構(gòu)材料可分為兩類:單一材料和復(fù)合材料。構(gòu)成這兩類材料的基本材料又有三類:橡膠、纖維和鋼絲。不同的組合，有不同的正交各向同性和正交各向異性性質(zhì)。在研究輪胎的時(shí)候，主要側(cè)重于結(jié)構(gòu)力分析，因此

9、，所需的材料物理力學(xué)參數(shù)主要有楊氏量、泊松比、密度三項(xiàng)。(4)單元類型的選擇對(duì)于構(gòu)成輪胎各個(gè)部分的材料，需要采用合適的單元來(lái)模擬，所采用的單元類型應(yīng)能反映材料的性質(zhì)。為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，并盡量減少運(yùn)行時(shí)間，在利用ANSYS軟件建立輪胎模型時(shí)，采用三維體單元和三維層單元的組合來(lái)模擬。SOLID45體單元和HYPER86單元都是具有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，三個(gè)自由度的單元類型。用SOLID45體單元來(lái)模擬單一材料構(gòu)成的三維體結(jié)構(gòu)，例如:輪輛和鋼絲圈等部位的金屬材料;HYPER86單元模擬高彈性的三維體結(jié)構(gòu)，例如:輪胎的胎冠、胎側(cè)等橡膠材料;SOUD46層單元主要用來(lái)模擬胎體簾布與內(nèi)襯層、帶束層等具有多層復(fù)合結(jié)

10、構(gòu)的部位，還有模擬輪胎與地面、輪輛接觸時(shí)，可以選擇接觸單元和目標(biāo)單元。(5)載荷和邊界條件在進(jìn)行求解之前，要給輪胎定義載荷和邊界條件。在輪胎性能分析過程中，需要考慮很多種載荷工況?？梢酝ㄟ^面載荷來(lái)模擬內(nèi)部氣壓;如果承受垂直載荷或側(cè)向力，可以在節(jié)點(diǎn)上施加載荷。并且，對(duì)于不同的工況所施加的邊界條件是不同的。當(dāng)輪胎處于自由態(tài)時(shí)，輪轂要固定;若進(jìn)行接地狀態(tài)分析，則要施加地面固定約束和整胎(包括輪轂)約束。3.求解與分析運(yùn)用分析軟件，作出輪胎有限元模型的徑向截面圖，劃分網(wǎng)格，并且加載荷和約束。當(dāng)計(jì)算結(jié)束時(shí)，我們就可以在通用后處理器(POSTI)中，通過繪變形圖、支反力列表、應(yīng)力等值線圖和變動(dòng)動(dòng)畫的形式，

11、直觀地看到在不同工況下，輪胎的節(jié)點(diǎn)、單元的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等結(jié)果。就能發(fā)現(xiàn)輪胎在每種工況下，什么部位磨損最大，最容易出現(xiàn)問題。這些分析結(jié)果對(duì)輪胎的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有很大的幫助。六 應(yīng)用實(shí)例之二：某客車正面碰撞仿真模擬1. 整車幾何模型的建立通過標(biāo)準(zhǔn)的圖形交換接口，將車身的三維幾何模型數(shù)據(jù)文件輸入到ANSYS/LS-DYNA3D的前處理器中，利用ANSYS的前處理功能在輸入車身幾何模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行整車的建模工作。對(duì)各主要吸能部件進(jìn)行了重點(diǎn)處理。2. 模型規(guī)模及單元尺寸確定要實(shí)現(xiàn)汽車碰撞的計(jì)算機(jī)仿真模擬并能兼顧“效率與精度”的平衡在幾何模型的合理簡(jiǎn)化單元形狀和大小的選擇等都必須仔細(xì)考慮。對(duì)各關(guān)鍵部件的建模

12、處理，主要是控制網(wǎng)格劃分尺寸。關(guān)鍵部件：前縱梁，車身板件，動(dòng)力總成，輪胎與懸架，對(duì)其它部件（車門、門鉸、擋風(fēng)玻璃、水箱）網(wǎng)格劃分原則：（1）前部吸能變形區(qū)域網(wǎng)格細(xì)密，而中后部網(wǎng)格相對(duì)稀疏。（2）單元的邊長(zhǎng)比限定在一定范圍。（3）限制最小單元的尺寸，以控制計(jì)算過程中的極限時(shí)步長(zhǎng)。材料選用方面，前部變形區(qū)域選用彈塑性材料模型，中后部不易變形區(qū)域，材料模型選用剛體。各部件之間的連接方式采用了焊接、鉚接、鉸接及剛體連接等方式，可能發(fā)生接觸的區(qū)域都定義了接觸。整車的初駛碰撞速度為50km/h。3.碰撞仿真計(jì)算仿真計(jì)算采用LS-DYNA非線性動(dòng)態(tài)顯式有限元分析軟件，在SGI工作站上進(jìn)行。由于實(shí)際的車輛碰撞

13、過程持續(xù)時(shí)間大約為80120ms，所以對(duì)整車的碰撞仿真也只計(jì)算80ms的響應(yīng)過程。4.仿真結(jié)果分析通過計(jì)算機(jī)仿真分析，我們從整車的變形、應(yīng)變應(yīng)力、作為主要吸能元件的前縱梁的變形、應(yīng)變應(yīng)力、前門框的變形、整車關(guān)鍵部位的減加速度等幾個(gè)方面來(lái)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。我們清楚看出整車前縱梁及正對(duì)縱梁的部分前圍板件發(fā)生了大的塑性變形變形形式主要為折疊式壓潰很好地起到了吸收沖擊能量的作用。前縱梁及正對(duì)縱梁的部分前圍板件駕駛室內(nèi)前圍地板等發(fā)生了大的塑性變形，前縱梁折疊部分及前縱梁上方的前圍處的應(yīng)力值最大。5.仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比由于整車的碰撞仿真設(shè)計(jì)涉及眾多復(fù)雜的因素，計(jì)算不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差。為了檢驗(yàn)仿真計(jì)算的進(jìn)度，與試車碰撞試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。通過對(duì)比，檢驗(yàn)出模型及仿真計(jì)算的精度是否達(dá)到了工程實(shí)用的要求?；蛘呤菍?duì)系統(tǒng)作進(jìn)一步的優(yōu)化。七 結(jié)束語(yǔ)通過以上的實(shí)例：輪胎仿真設(shè)計(jì)和客車整車碰撞模擬仿真設(shè)計(jì)，我們不難看出，計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)技術(shù)很強(qiáng)的的實(shí)用性。在汽車領(lǐng)域上，它優(yōu)