汽車行業(yè)分析ANSYS在汽車零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、（汽車行業(yè)）ANSYS 在汽 車零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用ANSYS 在汽車零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用本文中非常具體的介紹了 Ansys 仿真軟件在壹種零件中的應(yīng)用。很有借鑒作用。1、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體同時(shí)承受高著熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷工作，本質(zhì)上是多物理場(chǎng)偶合工作體，ANSYS 多物理場(chǎng)分析的 功能為發(fā)動(dòng)機(jī)的分析提供了完整的解決方案。ADAPCOX 公司用 ANSYS 詳盡地進(jìn)行了某 V6 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的熱分析、結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力分析和熱結(jié)構(gòu)耦合 分析（圖 1，2）。對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)作用特別明確。圖 13V6 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物圖 14 發(fā)動(dòng)機(jī)整體模型1.1 柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件活塞、曲柄連桿等運(yùn)動(dòng)件是高熱/機(jī)械負(fù)荷部件，因?yàn)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)

2、，其質(zhì)量對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能非常重要。ANS YS 分析熱和機(jī)械載荷下的形狀及應(yīng)力為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖 3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的柔體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析連桿強(qiáng)度向來(lái)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵，ANSYS 柔體柔體接觸計(jì)算功能能夠準(zhǔn)確模擬連桿和大頭蓋、主銷、曲 柄銷間聯(lián)合工作狀況。這是 ANSYS 系統(tǒng)分析功能和強(qiáng)大的接觸功能體現(xiàn)。ANSYS 曲軸結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析功能計(jì)算出曲軸扭轉(zhuǎn)和彎曲模態(tài)，通過(guò)頻率優(yōu)化達(dá)到減震效果。 ANSYS 的疲勞計(jì)算功能，精確的計(jì)算曲軸傳統(tǒng)疲勞強(qiáng)度，同時(shí)仍可計(jì)算出曲軸的強(qiáng)度因子，從而預(yù)測(cè)疲勞裂紋的產(chǎn) 生及疲勞壽命。應(yīng)用 ANSYS 對(duì)曲軸軸頸及油膜進(jìn)行流-固耦合分析評(píng)價(jià)高曲軸的耐磨性。曲軸連

3、桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的重量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，不僅是節(jié)省材料及發(fā)動(dòng)機(jī)重量降低，運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)整體的 工作狀況特別有效，ANSYS 形狀優(yōu)化的功能能夠?qū)钊麅?nèi)腔、活塞銷孔、連桿形狀、曲軸圓角和曲柄臂尺 寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.2 機(jī)體：缸蓋、箱體、缸套機(jī)體、缸蓋的熱分析特別重要，熱疲勞是失效和“拉缸”主要原因，為保證可靠性和耐久性，應(yīng)用 ANSYS 分析機(jī)械和熱負(fù)荷下的剛度、強(qiáng)度是設(shè)計(jì)師的首選。ANSYS 可準(zhǔn)確地計(jì)算出機(jī)體的自振頻率及模態(tài)。以控 制噪聲源。此外 ANSYS 可模擬機(jī)體的熱沖擊實(shí)驗(yàn)、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析可計(jì)算出機(jī)械負(fù)載、熱負(fù)荷雙重作用 下機(jī)體的變形，應(yīng)力分布。流體-結(jié)構(gòu)偶合分析軸承油膜狀態(tài)進(jìn)行潤(rùn)滑

4、系設(shè)計(jì)等等。圖 4 缸蓋、箱體分析圖 5 上海柴油機(jī) X 公司利用 ANSYS 熱分析功能模擬某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體熱沖擊實(shí)驗(yàn)，根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)結(jié)構(gòu)，效果明確。1.3 氣機(jī)構(gòu)：進(jìn)排氣門(mén)、氣門(mén)彈簧、搖臂、推桿、挺桿、凸輪軸、正時(shí)齒輪配氣機(jī)構(gòu)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，要求進(jìn)行精確計(jì)算。ANSYS 系統(tǒng)分析能夠考慮配氣機(jī)構(gòu)中各個(gè)部件的彈性變形， 從而取得比剛體假定更精確凸輪-氣門(mén)規(guī)律。圖 6 大連機(jī)車車輛廠利用 ANSYS 結(jié)構(gòu)分析找到了構(gòu)搖臂座裂紋發(fā)生的原因。提出改進(jìn)方法。氣門(mén)彈簧承受高頻交變載荷，伴隨著多氣門(mén)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，彈簧尺寸限制更大，ANSYS 非線性瞬態(tài)動(dòng)力 分析及疲勞分析的功能，可較好地解決非線性變

5、節(jié)距彈簧高應(yīng)力破壞及疲勞損壞問(wèn)題。排氣閥受高速?zèng)_擊載 荷、受高溫燃?xì)鉀_刷，ANSYS 熱結(jié)構(gòu)耦合分析可仿真，熱疲勞分析預(yù)測(cè)可靠性都是十分有效。圖 7 進(jìn)氣螺旋圖圖 8 消聲器熱分析圖圖 9 增壓器渦輪分析配氣機(jī)構(gòu)分析中存在著大量的接觸問(wèn)題，ANSYS 高級(jí)接觸單元、接觸向?qū)А⒅悄芑佑|參數(shù)設(shè)置的功能引 導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師方便、有效、快速地進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)的非線性分析，解除了計(jì)算者非線性參數(shù)選取試湊的苦惱， 大大加速了分析進(jìn)度。1.4 進(jìn)排氣系：空氣濾清器、進(jìn)排氣道、增壓器、消聲器進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系到結(jié)構(gòu)- 熱-流體-聲的綜合作用，是典型的多物理場(chǎng)問(wèn)題。ANSYS 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)可 計(jì)算氣道的流場(chǎng)分布、

6、壓力分布、溫度分布、湍流動(dòng)能、湍流耗散率，得到氣道幾何形狀對(duì)進(jìn)氣效率的影響，； 通過(guò) ANSYS 獨(dú)壹無(wú)二的流場(chǎng)優(yōu)化功能，可使發(fā)動(dòng)機(jī)由于進(jìn)排氣阻力而造成的功率損失減至最低。 進(jìn)排氣系是汽車噪聲的重要噪聲源，ANSYS 聲場(chǎng)分析和聲場(chǎng)優(yōu)化可求解出聲壓分布及分貝級(jí)別，通過(guò)對(duì)消 聲器的聲流體結(jié)構(gòu)耦合的優(yōu)化仿真，可大大降低排氣噪聲、減小排氣阻力。增壓器渦輪有輪 -軸過(guò)盈配 合、超高速旋轉(zhuǎn)、和葉片振動(dòng)等嚴(yán)格的工作條件，ANSYS 協(xié)助用戶完美解決了工程中提出的多項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題。 1.5 燃油供給系：油箱、油泵、高壓油管燃油噴射和進(jìn)氣螺旋關(guān)系到燃燒充分和排放，ANSYS 流體動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化功能允許設(shè)計(jì)師在物

7、理樣機(jī)制 造之前考查多種氣道方案得到最優(yōu)設(shè)計(jì)。國(guó)家已經(jīng)禁止化油器車銷售，電噴技術(shù)普遍應(yīng)用，通過(guò)電控實(shí)現(xiàn)智能燃油供給，提高功率和控制排放， AN SYS 多物理場(chǎng)仿真技術(shù)可模擬電噴過(guò)程的“電磁結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合”的工作狀況，為電噴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了 從性能評(píng)價(jià)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整解決方案。圖 10 散熱片流-固耦合分析圖圖 11 散熱器模態(tài)分析1.6 冷卻系：冷卻系設(shè)計(jì)焦點(diǎn)是結(jié)構(gòu)、空氣、水、油和熱的流動(dòng)和傳遞過(guò)程，分析項(xiàng)目主要是計(jì)算流體力學(xué)和偶合分析。 ANSYS 分析得到冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)、溫度分布、和結(jié)構(gòu)壁面的對(duì)流換熱系數(shù)等，從而為冷卻系的設(shè)計(jì)提供 參數(shù)。2、傳動(dòng)系：變速箱、離合器、萬(wàn)向節(jié)、主減速器、差速

8、器、半軸、液力偶合器和液力變速器等傳動(dòng)系承擔(dān)功率傳遞功能， 部件在隨機(jī)高載荷條件下工作，強(qiáng)度震動(dòng)問(wèn)題始終是主要矛盾。以主傳動(dòng)螺旋傘齒輪為例，過(guò)去 FEM 分析 只能針對(duì)嚙合過(guò)程的壹個(gè)狀態(tài)分析，當(dāng)下 ANSYS 能夠在嚙合運(yùn)動(dòng)全過(guò)程中分析齒輪對(duì)的強(qiáng)度、剛度響應(yīng)。 因?yàn)榉治鰧?duì)象能夠包含齒輪軸和軸承座，這就可能發(fā)現(xiàn)因?yàn)辇X輪軸或軸承座剛度不足而造成螺旋傘齒輪對(duì)碎 齒問(wèn)題（圖 12）。圖 12 齒輪滾動(dòng)接觸分析高檔汽車采用液力變速器是靠流體在泵輪、導(dǎo)向輪和渦輪間液體耦合的相互作用工作的。ANSYS 流體和非 線性流固耦合的分析功能，可預(yù)測(cè)其工作性能和可靠性。傳動(dòng)軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵，ANSYS

9、 模態(tài)分析可準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)其自振頻率及振型，指導(dǎo)設(shè)計(jì)。萬(wàn)向節(jié)密封套在大變形條件下工作，設(shè)計(jì)上壽命至少要求達(dá)到壹個(gè)大修期。韓國(guó)大成 X 公司采用 ANSYS 軟 件對(duì)封套進(jìn)行損傷壽命及密封性能預(yù)測(cè)，得出了不同的軸交叉角和應(yīng)力關(guān)系曲線，完好地解決了密封套的壽 命設(shè)計(jì)問(wèn)題。圖 13、14。圖 13 圖 143、承載和行駛系：車身車架、車橋、輪胎、懸掛（前后橋、鋼板彈簧、減振器）汽車承載和行駛系是高負(fù)荷安全結(jié)構(gòu)，可靠性特別重要，所以強(qiáng)度分析地位特別突出。ANSYS 全面多樣單 元庫(kù)和多種分析功能及強(qiáng)大的前后處理能力的能力為承載系和行駛系的分析提供了完整、方便的解決方案。 采用 ANSYS 進(jìn)行非線性柔體運(yùn)

10、動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，可將設(shè)計(jì)水平推上壹個(gè)新的層次。 車架和車身結(jié)構(gòu)，基本是由梁組件焊接（鉚接）而成，分析中常應(yīng)使用梁?jiǎn)卧Ｐ?。ANSYS 有梁斷面幾何 參數(shù)生成和記憶單元的斷面形狀功能、按真實(shí)斷面形狀顯示梁?jiǎn)卧?，后處理中能在斷面上顯示應(yīng)力結(jié)果、按 工程習(xí)慣繪制彎矩圖等極大方便了梁系模型應(yīng)用?，F(xiàn)代車身車架的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮碰撞過(guò)程的能量吸收能力，以提高汽車的被動(dòng)安全性。ANSYS 的沖擊碰撞 模擬功能及非線性屈曲的分析功能，是車身車架吸能件設(shè)計(jì)、剛度分配設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軟件。圖 15 雙層客車計(jì)算模型用梁?jiǎn)卧M骨架圖 16 車架全殼體單元分析模型在車輪的設(shè)計(jì)中，車輪的輪轂、輪輞和輪胎的非線性分

11、析是十分關(guān)鍵的。采用 ANSYS 的復(fù)合材料多層實(shí)體 單元技術(shù)在保證輪胎求解同等精度的同時(shí)計(jì)算成本大幅度下降。圖 17ANSYS 上海辦事處直接造型的車輪模型。圖 18 北京化工大學(xué)采用 ANSYS分析發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整了壹些幾何參數(shù)，使其滿足了強(qiáng)度及疲勞壽命條件。完成了某子午線 輪胎的三維非線性計(jì)算，取得了和地面接觸狀態(tài)下，各層材料的應(yīng)力分布。懸架的設(shè)計(jì)中，ANSYS 的柔體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真比以往的剛體假設(shè)計(jì)算更加真實(shí)地反應(yīng)了懸架的動(dòng)力特 性；ANSYS 非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能，可方便地設(shè)計(jì)出符合非線性力位移曲線的懸掛彈簧；流場(chǎng)計(jì)算、流 固耦合分析可保證液壓式減振器的可靠性。別克

12、轎車彈簧是變線徑、變節(jié)距、變節(jié)圓半徑、下端套有塑料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，代表了當(dāng)前最先進(jìn)、最復(fù)雜的彈 簧設(shè)計(jì)。中國(guó)彈簧廠在設(shè)計(jì)該彈簧過(guò)程中，為達(dá)到非線性的力位移曲線，利用 ANSYS 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，壹 個(gè)月內(nèi)就設(shè)計(jì)出了符合要求的彈簧。圖 20 圖 21。圖 19 后懸架的柔體動(dòng)力學(xué)分析圖 20 前懸掛彈簧圖 21 應(yīng)力分布4、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系：動(dòng)力轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)中，ANSYS 的流體分析可計(jì)算出管路中流經(jīng)各閥門(mén)、油罐、油泵等處的油液流量、壓力，流 固耦合分析可計(jì)算出動(dòng)力油缸活塞的運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力，從而保證轉(zhuǎn)向特性。制動(dòng)是壹個(gè)重要噪聲源，制動(dòng)器本身的振動(dòng)也影響其工作的可靠性和穩(wěn)定性，ANSYS 的矩陣單元和約束方 程的

13、手段，允許添加阻尼和方程約束，從而方便地建立更符合實(shí)際的制動(dòng)器摩擦耦合模型，進(jìn)行模態(tài)分析可 對(duì)制動(dòng)器的尖叫傾向進(jìn)行估評(píng)，從而抑制制動(dòng)噪聲。清華大學(xué)用 ANSYS 建立了制動(dòng)器摩擦耦合模型，研究得出摩擦耦合系數(shù)對(duì)制動(dòng)尖叫趨勢(shì)的影響以及抑制、 消除尖叫的解決方法。圖 22 為制動(dòng)器有限元模型，圖 23 為制動(dòng)盤(pán)變形。圖 22 圖 23 圖 24 流體流跡5、座椅、儀表板總成座椅設(shè)計(jì)不單是舒適性，相關(guān)的安全性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了座椅對(duì)乘員保護(hù)的嚴(yán)格要求，座椅大變形計(jì)算成為常規(guī)的 分析；采用 ANSYS 非線性計(jì)算功能，進(jìn)行碰撞過(guò)程中座椅靠背和頭枕對(duì)乘員保護(hù)性能進(jìn)行評(píng)判，已通過(guò)相 應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。清華大學(xué)用 ANSYS 軟件對(duì)座椅進(jìn)行非線性大變形計(jì)算，和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，計(jì)算和試驗(yàn)間的誤差只有 2.8。圖 25 計(jì)算位移和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比6、汽車電子、電器現(xiàn)代汽車已從單壹的機(jī)械產(chǎn)品變?yōu)闄C(jī)電產(chǎn)品，ABS、電子噴射、微機(jī)電系統(tǒng)已占到相當(dāng)?shù)谋壤?。ANSYS 多 物理場(chǎng)仿真的能力，在汽車汽車電子