#悅享達索#福特汽車公司使用Abaqusfor3DSCATIA和Isight，加快錐形鉸接可制造性的設計速度

2016-10-24 by:CAE仿真在線來源:互聯網

據估計,在照顧到其他日常工作的同時,完成所有35次操作大約需要70天,我們卻只用了大約四天即完成了這項任務。——福特汽車公司底盤CAE(計算機輔助工程)工程師 Satyendra Savanur

研發高質量的螺栓連接是汽車底盤設計不可分割的一部分。雖然與連接件的設計相比更鮮為人知,如連接副車架和轉向節連接的趾型連接臂連接,但是堅固的螺栓連接對于提高操作性能和延長汽車性能壽命至關重要。松動的接頭可影響校準等的質量問題,并最終影響連接部件的耐久性。一個設計合理的接頭效率更高,可以以更小尺寸的緊固件支撐更大的負載而不出現松動。

福特汽車公司工程師的任務就是,為中型客車的后懸掛系統提供堅固的懸臂式錐形鉸接設計(見圖一)。為了在滿足功能的情況下將時間和成本降至最低,團隊使用針對結構分析的Abaqus for 3DS CATIA(AFC)和針對流程自動化和優化的Isight,開發了自動實驗設計(DOE)流程。

“我們團隊采用了AFC,以便以模板形式,為設計組織內的更大的工程師團隊提供標準的應力建模和仿真實踐。”福特底盤CAE工程師Satyendra Savanur說,“Isight與AFC的聯合,可以使我們研制出強大的自動設計分析方法。我們使用近似模型中的響應面模型,來找出接頭尺寸的最佳參數。”

分析錐形鉸接的性能

螺栓連接是汽車懸掛系統中最常用的連接方法。在此連接方法中,錐形鉸接使用懸臂式連接方式,將趾型連接臂與后轉向節連接進行連接。錐形鉸接的兩個接合部件——內套管和轉向節——對錐角都有唯一的制造公差。

為了在內套管和轉向節間實現牢固的錐形連接,應考慮以下方面:

? 各個元件的制造公差

? 錐體和錐形座接觸面

? 錐角角度

? 工作負載移除后的轉矩損耗

為了對設計進行虛擬測試,福特公司工程師根據使用3DS CATIA創建的模型的幾何信息和材料屬性,使用AFC來創建內套管和轉向節的有限元模型。AFC與3DS CATIA模型保持關聯,以確保CAD(計算機輔助設計)模型在設計變量范圍內變更后,Abaqus 更新后的模型保持一致。

在物理裝配過程中,鍛鋼內錐與鋁材轉向節座相連接。由于各個部件的制造工藝不同,內套管和轉向節嚙合面的錐形設計的角公差也不同。

“由于角公差可能存在不對等,兩個表面嚙合,并完全施以扭動力時,接觸面積可能出現變化。”Savanur 說。嚙合材料可能出現局部變形現象,導致接觸面積和壓力分布在接頭組裝過程中出現變化。當施加工作負載后,接觸面積和接觸壓力可能進一步發生變化。

“因此,在分析時,要對接頭組裝和接頭工作負載的施加或移除進行模擬,這至關重要。”他說,“我們的目標就是針對錐體和轉向節所有的錐形不匹配情況提供穩健的錐形鉸接計。”

圖一:組裝前,使用錐形鉸接連接的趾型連接臂(黑色)和后轉向節(銀色)近視圖。

為了確保穩健的接觸分析,以及接觸壓力分布,內套管的網格被設計地與轉向節座的網格相匹配。為了在接觸面實現網格匹配,在樞軸連接座上創建一個單獨的‘區域’(見圖二藍綠色部分),以簡化建網格過程。在Abaqus中,使用固連接觸將該部件與轉向節的其他部分相連。

為了模擬螺栓組裝過程,先在內套管和轉向節接合座間創建一個虛擬螺栓。然后對內套管中部施加外部的工作負載。在AFC中導入鋁和鋼的非線性應力-應變曲線,以促進非線性分析。在AFC中創建接觸對和螺栓張力。通過AFC,接觸面積輸出(CAREA)和接觸力值(CFNM)可用于后期處理。最后,Abaqus分析文件被導出并提交至高效能計算集群,以進行分析。

管理DOE流程

福特需要對不同參數組合的大量設計進行評估,這促使工程師開發了自動化DOE流程。在該流程中,CAD幾何內容更新和FEA(有限元分析)模型更新在同一環中完成,因此形成全自動的DOE方法。

在福特公司,外部產品管理系統和3DS CATIA啟動進行了定制。腳本在對3DS CATIA界面進行初始化前,會首先斷開與產品管理系統的連接。

圖二:錐形鉸接的CAE網格細節

圖三:使用Isight實現的一體化DOE自動化環

通過外部Excel文件,將設計參數導入3DS CATIA中,這是3DS CATIA更新設計表的通常方法。Excel文件的輸入參數再映射至Isight管理器的DOE任務中。在每一循環中,這可以實現Excel工作表的自動更新。由于Excel與設計表實行同步,因此3DS CATIA中CAD幾何信息的更新都會反映在表中。在AFC中,幾何信息與FE(有限元)網格相關聯,因此網格操作也更新至變更后的CAD數據中。

“通過開發一種單一的集成式流程,我們可以同時實現幾何信息和網格的自動更新。”Savanur說。為了管理和控制DOE流程,使用Isight作為流程自動化管理器。所產生的自動化環會完全集成于3DS CATIA和AFC中,以進行CAD更新,創建Abaqus FE模型,提交作業,用于分析和后處理結果。

Isight環內的Abaqus組件用于提取輸出內容,包括DOE每次操作的CAREA和CFNM(見圖三)。然后,將Excel文件的輸入參數映射至這些輸出參數中,以創建Isight的近似模型。

“就我們而言,我們使用了響應面模型的近似方法。”Savanur說。這種錐形鉸接行為的近似模型可用于顯示輸入信息是如何影響輸出信息,并快速優化錐形鉸接的。

“這是福特首次借助3DS CATIA的Abaqus軟件,使用集成式DOE自動化環對幾何信息進行改變。”Savanur說。

Isight實現更高效的流程

3DS CATIA和AFC腳本、高性能計算作業提交批處理文件、Windows批處理命令文件的建立和驗證均需要時間和資源,但只需進行少量更改即可在后續項目中重復使用,因此值得采用。

“開發相同的3DS CATIA模型以及關聯的Excel設計表,并與相關的AFC模型相關聯,這需要大約三天時間。”Savanur說,“對之前開發的腳本進行修改并調試,以用于新模型,這也需要一天時間。借助Isight,只需3個半小時即可完成35次分析操作。”

“通常情況下,工程師手頭都有幾個項目,并在各個項目中取得平衡,這種情況下,手動CAE操作需要兩天時間才完成一個操作。當然,如果項目重要,時間也可以縮短。”福特底盤CAE主管Joe Peters說。

在CAE和CAD機構間來回轉送數據通常導致效率低下,因為每個人員有多項任務,當需要新設計時,也不會馬上停下手中的工作。這類似于CPU時間和掛鐘時間。

“據估計,在照顧到其他日常工作的同時,完成所有35次操作大約需要70天;然而,我們的新流程消除了手動CAD/CAE操作導致的低效率。”Savanur說,“通過Isight,創建集成的、自動的閉環DOE流程,我們大約四天就完成這項任務。這是CAE機構實現精益管理,實現項目在成本和時間上的目標的唯一方法。”

“使用自動化的DOE流程,我們大大縮短了開發穩固的錐形鉸接的時間,并將資源使量降至最低。”Peters說,“從CAD中創建CAE模型的自動化流程,最大程度地為我們節省了時間。這也證明,使用創新技術的小型CAE團隊可幫助福特實現項目目標。”

使用AFC,并創建基于Isight的集成式閉環DOE流程,福特可制造出穩固的錐形鉸接設計。該接頭具有良好的接觸面,并在規定的制造公差范圍內,在移除負載后保持夾緊力。

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