基于adams和ansys的車架仿真與瞬態(tài)響應(yīng)分析

基于adams和ansys的車架仿真與瞬態(tài)響應(yīng)分析

1信息模型的聯(lián)合仿真隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，cae軟件在所有行業(yè)都越來(lái)越流行。但是每個(gè)CAE軟件都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。為了充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),軟件之間都提供許多相互之間能夠讀取和導(dǎo)入其它軟件數(shù)據(jù)的接口,從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。在汽車領(lǐng)域?qū)嚰艿乃矐B(tài)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析一般是在有限元軟件中建立懸架,然后在懸架上施加載荷譜來(lái)分析,很少涉及輪胎和路面對(duì)車架傳力的影響,從而降低了計(jì)算精度。所以利用多個(gè)軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真來(lái)提高仿真精度,顯得尤為重要。2殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格用UG建立車架的三維模型,導(dǎo)入HYPERMESH提取中面并通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚?生成車架的面結(jié)構(gòu)。由于該車架幾乎全部由薄壁方鋼焊接而成,長(zhǎng)厚比很小,所以選擇殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格可以提高計(jì)算精度,并提高計(jì)算速度。采用shell93殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,單元格邊長(zhǎng)取10mm。車架采用鋼是Q235,密度是7850kg/m3,彈性模量為206MPa,泊松比為0.3,屈服極限為235MPa。選定了單元類型,單元大小和材料模型后,劃分網(wǎng)格,車架有限元模型共有93572個(gè)單元,有287584個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。導(dǎo)入ANSYS觀光車車架有限元模型,如圖1所示。3創(chuàng)建關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)(1)添加新的質(zhì)量單元mass21,并設(shè)置此單元的實(shí)常數(shù),在對(duì)話框中填寫屬性,一般設(shè)置為1e-6,設(shè)置如此小的質(zhì)量為了減小新的質(zhì)量單元對(duì)后續(xù)分析的影響。(2)建立新的關(guān)鍵點(diǎn)keypoints,創(chuàng)建的關(guān)鍵點(diǎn)作為外聯(lián)點(diǎn)的設(shè)置點(diǎn),同時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)的編號(hào)不能與模型單元的節(jié)點(diǎn)重合,否則會(huì)引起原來(lái)模型的變形。(3)選擇mass21對(duì)上一步建立的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,建立起interfacenodes,即導(dǎo)入ADAMS軟件中的外聯(lián)點(diǎn)。(4)建立剛性區(qū)域,在ADAMS中作為和外界連接不變形區(qū)域(preprocessor→coupling/ceqn→rigidregion)。導(dǎo)入ADAMS中的外聯(lián)點(diǎn)至少為兩個(gè),所以應(yīng)剛性區(qū)域應(yīng)該和外聯(lián)點(diǎn)的個(gè)數(shù)相等。(5)提交ANSYS進(jìn)行模態(tài)中性文件生成(solution→ADAMSconnection→ExporttoADAMS)。4啟動(dòng)與重構(gòu)的混合系統(tǒng)4.1u3000車輛后懸架模型的建立車架是在UG中建立并導(dǎo)出Parasolid格式,然后再導(dǎo)入到ADAMS/VIEW中,然后用柔性體代替剛性體車架,其它部件都是以車架為基礎(chǔ)建立。觀光車前懸架采用的是麥弗遜式獨(dú)立懸架,后懸架采用的是單縱臂獨(dú)立懸架。前懸架主要部件包括:減振器、螺旋彈簧、轉(zhuǎn)向主軸、擺臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿和襯套等。后懸架主要部件包括:縱臂、螺旋彈簧和減振器。主要涉及整車的直線行駛工況,所以進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,沒(méi)有建立齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和方向盤傳動(dòng)裝置,同時(shí)直接把轉(zhuǎn)向直拉桿固定在車架上,以保證汽車的直線行駛。FTire作為MSC官方推薦的輪胎模型用于車輛所有類型的平順性、耐久性分析以及操縱性仿真?？紤]到觀光車在路況較好的路面上行駛,所以選取路面等級(jí)為D級(jí)的2D隨機(jī)路面模型。所建立的剛?cè)狁詈夏Ｐ?如圖2所示。4.2車架前進(jìn)方向的速度仿真給整車模型的兩個(gè)前輪施加1580d*time的轉(zhuǎn)速即,由于整車從起步到加速到30km/h需要一定的時(shí)間,所以我們可以從車架前進(jìn)方向的速度可以得到整車運(yùn)行到30km/h需要的時(shí)間,如圖3所示。從圖3可以看出車速沿前進(jìn)方向達(dá)到30km/h速度所需要的時(shí)間大約是2Os,而整個(gè)仿真過(guò)程為50s,所以應(yīng)該取20s到50s之間的各種信號(hào),這樣仿真結(jié)果接近實(shí)際情況。同時(shí)得出車架柔性體上的應(yīng)力最大的前十三個(gè)熱點(diǎn),如表1所示。4.3控制器輸出仿真在ADAMS軟件中仿真結(jié)束,點(diǎn)擊file→export→FEA.loads,設(shè)置輸出結(jié)果為ANSYS,添加車架與懸架連接點(diǎn),并設(shè)置輸出仿真時(shí)間段為(20~50)s,點(diǎn)擊OK。(注意導(dǎo)出的文件沒(méi)有后綴名,要為導(dǎo)出生成的文件添加.log后綴名)。導(dǎo)出車架與懸架連接處各點(diǎn)的載荷譜(10個(gè)點(diǎn)),其中左側(cè)后懸架擺臂力和力矩隨時(shí)間的載荷譜,如圖4、圖5所示。5應(yīng)仔細(xì)分析汽車的瞬態(tài)噪聲5.1結(jié)構(gòu)矩陣。[a]2瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)求解的運(yùn)動(dòng)方程如下:式中:[M]—結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣;[C]—結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣;[K]—結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;[X]—節(jié)點(diǎn)位移列陣;{F(t)}—載荷向量,可以隨時(shí)間任意變化。5.2adams仿真結(jié)果具體步驟為:進(jìn)入ANSYS界面,打開(kāi)前面導(dǎo)出中性文件的有限元模型,點(diǎn)擊ANSYS主菜單中的Solution→ImportfromADAMS,選擇上一步導(dǎo)出的.log文件,就可以導(dǎo)入ADAMS仿真過(guò)程中的載荷步(ANSYS和ADAMS中的單位要一致)。在ANSYS讀取仿真結(jié)果,選取ADAMS仿真中得出的十三個(gè)熱點(diǎn)(應(yīng)力最大的點(diǎn))作為考察的主要點(diǎn),其中點(diǎn)29689總位移隨時(shí)間變化的曲線,如圖6所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間(單位s),縱坐標(biāo)為位移(單位m)。從圖6中可以看出,應(yīng)力最大點(diǎn)29689的在整個(gè)仿真過(guò)程中的動(dòng)載荷最大位移為25.5mm,平穩(wěn)時(shí)的位移為12.5mm,超出了車架變形量的要求。通過(guò)ADAMS仿真得出的共有13個(gè)熱點(diǎn)(應(yīng)力最大點(diǎn))隨時(shí)間的位移值,發(fā)現(xiàn)位移變形最大的點(diǎn)中有幾點(diǎn)位于車架靜態(tài)分析應(yīng)力比較大是區(qū)域,這說(shuō)明這些區(qū)域?yàn)樽钊菀装l(fā)生斷裂或是疲勞破壞的區(qū)域。特別是頂棚后立柱與車架連接處的應(yīng)力和位移都比較大,而實(shí)際生產(chǎn)中此處在結(jié)構(gòu)上設(shè)置加強(qiáng)筋,證明分析是可信的。6工作場(chǎng)所疲勞分析6.1材料的s—瞬態(tài)分析基本理論材料的疲勞性能可以用作用應(yīng)力S與到破壞時(shí)的壽命N之間的關(guān)系描述。表示這種外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試件疲勞壽命之間關(guān)系的曲線,稱為材料的S—N曲線。材料的S—N曲線給出了光滑材料在恒幅對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力作用下的裂紋壽命。用一組標(biāo)準(zhǔn)試件(通常為(7~10)件),在給定的應(yīng)力比R下,施加不同的應(yīng)力幅Sa,進(jìn)行疲勞試驗(yàn),記錄相應(yīng)的壽命N,即可得到S—N曲線,如圖7所示。6.2道路系統(tǒng)疲勞壽命分析載荷的獲得可以通過(guò)實(shí)測(cè)和仿真分析兩種方法來(lái)獲得。實(shí)測(cè)法是利用實(shí)車輛在道路上行駛從而測(cè)得道路載荷-時(shí)間歷程,仿真分析法是通過(guò)虛擬仿真通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行道路和車輛系統(tǒng)的模擬仿真,獲得載荷—時(shí)間歷程。在疲勞壽命分析中,需要靜態(tài)載荷分析結(jié)果和載荷譜等參數(shù)。文中所采用的載荷是通過(guò)ANSYS瞬態(tài)響應(yīng)分析中得到的結(jié)果文件(.rst文件),因?yàn)樵?0s的瞬態(tài)響應(yīng)分析中,劃分為121個(gè)子步,結(jié)果文件中就包含121個(gè)子步的靜態(tài)分析結(jié)果,這樣就避免了計(jì)算靜態(tài)載荷分析和載荷譜的加載。6.3車架對(duì)數(shù)疲勞分析采用fe-safe疲勞分析軟件,直接導(dǎo)入ANSYS結(jié)果文件,車架的材料為Q235,設(shè)置好相關(guān)參數(shù),提交計(jì)算,通過(guò)ANSYS后處理讀取fe-safe計(jì)算結(jié)果,得出車架對(duì)數(shù)疲勞損傷云圖,如圖8所示。車架對(duì)數(shù)疲勞損傷云圖局部放大圖,如圖9、圖10所示。從疲勞分析的仿真結(jié)果可以看出,車架最低壽命處也發(fā)生在頂棚后立柱與車架的連接處,此處所能行駛的里程數(shù)為(1/120)×30×104.953=24040km小于車架設(shè)計(jì)要求,再次驗(yàn)證了在此處設(shè)置加強(qiáng)筋是必要的。而車架的其它部位的壽命都符合車架設(shè)計(jì)的要求。7懸架的等效性及其疲勞壽命分析以某廠觀光車車架為研究對(duì)象,把UG數(shù)模導(dǎo)入HYPERM-ESH進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,在ANSYS中進(jìn)行了自由模態(tài)分析,并詳細(xì)闡述了導(dǎo)出ADAMS所使用中性文件(MNF文件)的步驟?？紤]到路面、輪胎和懸架對(duì)車架受力的影響,同時(shí)兼顧車架變形對(duì)整車運(yùn)動(dòng)的影響導(dǎo)致車架受力的變化,在ADAMS中建立以車架為柔性體(導(dǎo)入MNF文件)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?并在D級(jí)隨機(jī)路面上進(jìn)行仿真,確定了車架柔性體上應(yīng)力最大的一些熱點(diǎn),得出頂棚后支柱與車架連接處設(shè)置加強(qiáng)筋是合理的,同時(shí)導(dǎo)出與懸架與車架連接處的載荷譜。利用ANSYS與ADAMS軟件之間強(qiáng)大接口把載荷譜導(dǎo)入ANSYS并采用慣性釋放法對(duì)車架進(jìn)行瞬