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交通运输

概述:

汽车行业是Abaqus软件的一个重要应用领域。目前BMW、GM、HONDA、PSA、FORD、Volkswagen、PORSCHE、TOYOTA、MERCEDES-BENZ等世界知名的汽车公司都是Abaqus软件的重要用户。在国内,上海大众、长春一汽、泛亚、、奇瑞、延锋江森、富奥江森等均是Abaqus软件的重点用户。
Abaqus一直致力于非线性有限元分析,汽车领域是有限元应用非常广泛和深入的一个工业领域,对非线性有限元也有较高的要求。在汽车的非线性分析要求比较高的几个领域,Abaqus都有广泛的应用。发动机、轮胎和汽车碰撞是其中非线性问题比较集中的汽车子系统或整车系统,Abaqus在这些领域都有广泛的客户群体,并且在很多方面都已经成为非线性分析的标准软件。发动机行业的GM、FORD、BMW、FAW等,轮胎行业的Bridgestone, Continental, Cooper, Goodyear, Hankook, Kumho, Michelin, Nokian, Pirelli, Sumitomo, Toyo, Yokohama等。

案例:

一、汽车碰撞安全中的应用

1. 汽车碰撞安全标准中包含五个方面的内容,即:前撞,后撞,侧撞,顶部压垮(Roofcrash)和侧门强度(Sidedoorstrength)。

2. 安全带在正面的低速碰撞中可以有效地保护乘员,是使用最为广泛的乘员约束方式。Abaqus中采用MEMBER单元模拟安全带,利用Abaqus针对安全带开发的滑轮CONNECTOR单元对安全带装置进行准确模拟。同时,对今年来发展起来的新型的预紧式安全带,也可以通过相应的设置添加预紧力,对其进行准确模拟。

3. 安全气囊在汽车的碰撞事故中可以有效保持乘员,减少伤亡,因此近20年来在发达国家得到迅速的发展和普及。 采用基于的流体单元,Abaqus可以有效的模拟安全气囊的展开,对侧面气囊与正面气囊均能进行有效的模拟。

4. 行人保护。在过去的汽车被动安全研究中,乘员保护一直是研究的核心内容。然而,相对于汽车乘员受伤而言,行人在汽车事故中受伤的比例也很大。因此,汽车安全不仅是针对车内乘客而言,同时也要保护行人安全,现在,这个问题已经引起了世界汽车界的重视。通过CAE仿真分析,真实反映行人被撞后的运动状态、行人与可接触的车体结构的关系,这有助于设计人员改善车体结构(如保险杠、发动机盖和挡风玻璃等),获得最佳的行人保护效果。

二、汽车整车、NVH的应用

在整车的CAE分析中,除了汽车碰撞安全分析以外,汽车NVH分析也越来越成为其中的重要内容。据统计,整车约有三分子一的故障问题与车辆的NVH问题有关。同时,随着汽车工业的迅速发展,人们对于汽车的舒适性和振动噪声控制的要求越来越严格,NVH分析也成为汽车CAE分析的一个主要内容。

1. 基于模态叠加法的振动分析是NVH分析的主要内容,Abaqus提供LANCZOS特征值求解器,对大规模模型进行快速,准确的特征频率提取,极大的提高了分析求解速度。

2. Abaqus提高完全耦合的声固耦合分析,可以将车身和车厢内的空气独立创建模型,并将他们耦合在一起,进行综合分析。通过设计参数的调整,达到最大的乘员舒适度。
下图为车厢内声压分布的耦合分析,车内噪声的主要测试位置包括驾驶员左耳,付驾驶位置等。利用Abaqus声固耦合分析可以对由发动机引起的这些主要位置的声压分布进行监控。

3. 汽车整车动力学仿真包括路面,轮胎,悬架,转向系统等的三维多刚体动力学模型.在Abaqus中可以用连接器单元模拟各部件之间的连接,同时,还可以将关心的部件模拟成变形体,对所关心区域的应力水平进行监控。

三、发动机系统分析中的应用
发动机系统的CAE分析涉及了大量的非线性计算,如螺栓预紧力的施加,大量接触对的出现,具有强烈非线性行为的垫片部件的模拟等等,而Abaqus优秀的非线性分析功能以及热固耦合分析功能可以很好的满足这类大规模的具有高度非线性行为CAE分析的要求。

1. 曲柄连杆机构工作中进行往复运动,受力条件比较复杂,也是热、机械负荷最高的部件,因而也是整个发动机分析中最为迫切的部件。在曲轴的工作过程中,疲劳失效是其主要失效原因,因此对曲轴的疲劳性能研究也是业是其CAE分析的一个主要内容。

2. Abaqus独特的CONNECTOR单元可以模拟复杂的机构运动。部件可以是刚体也可以是变形体,因此可以进行相关的柔体运动学、动力学仿真。保证在概念设计阶段就发现设计的缺陷,并将其消除掉。

3. 排气歧管的裂纹分析
国内某汽车制造商新开发的发动机在进行800小时循环负荷实验时,排气管产生了如图所示的裂纹。为了解裂纹产生原因,以Abaqus计算排气歧管的温度场与热应力。由图可知,计算所得的应力集中位置与实验完全吻合,在此计算结果基础上进行相关的设计改进,成功消除排气歧管裂纹。

4. 复合材料进气歧管强度分析
复合材料进气歧管具有复杂的各向异性材料性能,利用Abaqus与MOLDFLOW的接口,可以把由MOLDFLOW计算得到的部件的材料性能参数和成形中的残余应力导入Abaqus模型,得到准确的材料本够关系,然后进行强度计算。

5. 声固耦合分析
进排气系统是汽车噪声的重要来源,采用Abaqus完全活顺序声固耦合分析,可以得到其中的声压分布,为发动机的降噪设计提供依据。

6. 机体模态分析
对机体进行模态分析的目的,是为了求解机体的固有频率,以决定柴油机在标定工况下工作时,是否会引起共振,同时通过试验模态分析所得到的振型和有限元模态分析所得到的振型相比较,判断有限元模型的正确与否。然后可以利用模型进行动态特性优化,动力响应分析,结构表面噪声预测以及低噪声设计等进一步工作。

7. 缸体缸盖温度场分析
气缸盖是发动机中结构最复杂、机械载荷和热负荷最高的零件之一。在柴油机运行过程中经常暴露出种种问题,例如在与火焰接触的底板鼻梁区出现裂纹是最常见的缺陷,因为该区域要承受高温和高压的作用,受力状态非常苛刻。

8. 缸体及轴承盖装配体应力分析
机体及轴承盖的装配应力分析中,除轴承盖位置的的应力分布外,对螺栓附件的应力也比较关心。

9. 凸轮轴系统密封分析
发动机凸轮轴组件在运行状态下,必须要有足够的机油润滑,同时还要保证在长时间工作状态下没有过量的机油消耗。所以,必须保证发动机的机油不能泄漏,其关键在于保证发动机的各个油封装置都能达到密封要求。

10. 凸轮轴强度分析
凸轮轴由曲轴带动旋转,相对曲轴保持一定的相位关系,以保证气门适时启闭。在整个工作过程中受弯扭组合工况的影响,容易产生收扭破坏,因此对凸轮轴的强度校核也凸轮CAE分析的主要内容。

四、其他部件分析

1. 发动机机盖声学分析
利用Abaqus的动力学分析功能与声学分析功能,可以对发动机的NVH性能进行很好的预测,并且具有较高的计算效率。

2. 动力总成模态分析
动力总成的弯曲振动对汽车的NVH性能有着非常重要的影响,在严重时可以引起车辆零部件的早期共振破坏和疲劳失效破坏,减低整车的行驶安全性能,为了在汽车和发动机设计的早期对产品的结构和性能进行有效预测和控制,必须对其动力学总成及附件系统进行模态分析,得到他们的动态固有振动特性。

3. 差速器接触状态分析
差速器分析涉及大量的齿轮之间的啮合,必须通过接触的方式来定义。采用Abaqus/STANDARD对差速器接触状态进行分析,同时通过参数化分析,得到径向间隙对载荷分布的影响。

4. 路面谱激励下的底盘强度分析
华晨金杯利用Abaqus的线性动力学分析功能对路面谱激励下底盘强度进行了分析,计算模型包括转向节、副车架、下横臂、稳定杆、扭力梁。考虑自重状态下和路面谱激励下两种工况,计算中复杂的橡胶衬垫可以利用Abaqus中的CONNECTOR单元进行简单的模拟,对其设定相应的刚度即可,避免了橡胶材料复杂的建模和可能存在的收敛问题。

5. 装配及充气分析
在轮胎的装配和充气过程中,目前还没有可靠的测试手段得到轮胎结构内部的受力和变形情况,因此利用CAE分析来揭示轮胎结构的受力和变形特征可以在轮胎产品的研发中发挥重要作用,利用局部精细分析方法可以更深入的揭示轮胎关键部位的受力和变形情况,为认识和提高轮胎结构性能提供丰富的信息。

6. 轮胎瞬态冲击的模拟
当轮胎碰到一个障碍物时,引起急剧变形,并在胎体产生非常大的应力集中,那么轮胎就有可能受到损坏。如果这种碰撞恰好发生在车辆超载。轮胎所能承受的应力和变形过大的情况时往往会导致轮胎爆炸。但大部分情况下,碰撞损伤很少能立即在轮胎表明上看出来,并且只是在其他效应显示出来以后才能被发现。可以说,碰伤是轮胎材料所受应力超过其极限的结果,严重时会导致帘布层的折断、胎壁刺穿和胎体爆破。