Проектирование в автомобильной промышленности: моделирование нелинейностей
Группа компаний «ПЛМ Урал» — «ДелкамУрал», официальный партнер ANSYS, Inc. в России и на территории СНГ, представляет вашему вниманию перевод статьи (ANSYS Advantage VOLUME IX. ISSUE 2. 2015), посвященной применению решений ANSYS в автомобильной промышленности. Все вопросы относительно статьи и программного обеспечения вы можете задать нашим техническим специалистам по продуктам ANSYS на сайте www.caeexpert.ru и www.caeclub.ru. Перевод выполнен Сергеем Хрулевым, инженером технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «ДелкамУрал».
Автомобильные компании активно внедряют инновации для повышения конкурентоспособности, поэтому на инженеров оказывается серьезное давление по ускорению разработки и поставки качественных деталей. Чтобы преуспеть, они должны разработать кратчайший по времени способ развития проекта от чертежа до производственных линий. Ключевым элементом при сокращении времени разработки является инженерное моделирование, позволяющее компаниям быстро изменять проект в зависимости от особенностей эксплуатации продукта путем предсказывания его реального поведения в виртуальной среде задолго до того, как потребуются испытания. Расчеты с помощью высококачественных, верифицированных продуктов ANSYS позволяют инженерам экономически эффективно определять ходовые характеристики и надежность в широком диапазоне автомобильных задач. Автомобильная промышленность обладает огромным потенциалом для моделирования, и описанные в статье моменты — это всего лишь малая часть всех возможностей, применений и задач в данной области.
Задание нелинейных характеристик пружины
Для вычисления параметров модели материала используется инструмент аппроксимации кривой
Моделирование соединения нижнего рычага
Распределение деформаций в резиновой втулке
Вектор скорости
потока и распределение деформаций опоры
двигателя
Технология двустороннего сопряжения (Two-way FSI). FEA — конечно-элементный анализ механики деформируемого твердого тела. CFD — гидродинамический анализ
Виброизоляция
Виброизоляция обладает упругими и вязкими характеристиками и используется в местах соединения деталей автомобиля для гашения колебаний. Одним из способов моделирования виброизоляции является использование одномерного нелинейного элемента пружинадемпфер COMBIN14 в ANSYS Mechanical. Этот элемент моделирует нелинейное поведение виброизоляции непосредственно с помощью характеристик пружины, а также экспериментальных данных. Хорошим примером использования данной методики является прочностной расчет нижнего рычага подвески, в котором нелинейная пружина определяется в двух местах крепления. Подробный расчет поведения детали из антивибрационной резины требует рассмотрения трехмерной модели изделия. Это важно для корректного определения характеристик данного нелинейного материала, что, в свою очередь, обеспечит точный и сходящийся расчет. Для задания характеристик антивибрационной резины ANSYS Mechanical предлагает более десяти встроенных моделей гиперупругости (в том числе модели Муни — Ривлина и Огдена). Параметры, включенные в эти модели материалов, автоматически определяются из экспериментальных данных с помощью инструментов аппроксимации кривых. Во избежание возможных проблем сходимости при использовании почти несжимаемых резиновых материалов в ANSYS Mechanical заложены специальные линейные тетраэлементы, включающие смешанный uPметод (для обработки перемещений и давлений в виде переменных). Применение элементов этого типа облегчает решение задач с учетом больших перемещений и сложных условий контакта, которое в ином случае может быть более сложным или затратным.
Гидравлические демпферы содержат жидкость, которая создает сопротивление текучей среды, способствующее затуханию колебаний. Примером являются подушки двигателя с жидкостным затвором. Подробный расчет таких изделий должен учитывать характеристики как конструкции, так и среды. Для решения подобных задач ANSYS предлагает мощную технологию сопряженных расчетов, которая связывает прочностной (ANSYS Mechanical) и гидродинамический решатели (ANSYS Fluent или ANSYS CFX). Эта технология делает возможным получение связанного решения «среда — конструкция» (двусторонний расчет взаимодействия среды и конструкции — FSI).
Шины и подвеска
Шины являются единственными деталями автомобиля, контактирующими с землей, поэтому они в значительной степени влияют на ходовые характеристики автомобиля — от безопасности до уровня вибрации/шума, определяющих качество езды. Для конечноэлементного расчета шин потребуются технологии моделирования сложных внутренних конструкций. ANSYS предлагает специальные армирующие элементы (REINF263265) для моделирования корд шины. В процессе движения давление в шине постоянно меняется во времени изза деформирования в процессе взаимодействия с землей. Эти вариации давления, получающиеся изза изменений в геометрии, можно смоделировать с помощью задания гидростатического элемента среды (HSFLD241242) для внутреннего объема воздуха в шине.
Модель колеса и шины
Перемещения (сверху) и контуры давления в пятне контакта (снизу)
Нелинейный
статический расчет
Преднапряженный
модальный анализ
Подвеска улучшает качество езды и стабильность рулевого управления и, наряду с шинами, очень важна для контроля за динамическими характеристиками автомобиля. Она выполняет свою функцию только под приложенным весом автомобиля, поэтому характеристики исходного состояния также играют важную роль. Для такого рода конструкций среда ANSYS Workbench предлагает методику расчетов, называемую линейным возмущением (linear perturbation). Для проведения статического/динамического расчета рессорной подвески сперва необходимо приложить распределенную нагрузку от веса автомобиля к модели подвески и определить перемещение под действием собственного веса (статический расчет). На примере, далее приведенном в статье, — это нелинейный расчет, включающий контакт между рессорами в дополнение к ранее описанному моделированию шин. Затем проводится расчет на определение собственных частот той же модели (модальный анализ). Все требуемые на этом этапе начальные условия, такие как перемещения от собственного веса и начальные напряжения, передаются в модальный анализ соединением систем в среде Workbench. Наконец, на последнем шаге идет поиск частотного отклика конструкции (гармонический анализ). Требуемые для последнего расчета входные данные автоматически передаются из модального анализа путем перетаскивания одного расчетного модуля на другой на схеме проекта.
Анализ частотного отклика
Связь между тремя типами расчетов
Тормоза
Тормоза, разумеется, являются одним из важнейших механизмов безопасности автомобиля, так как они замедляют и останавливают его, поэтому очень важно, чтобы тормоза всегда срабатывали и вели себя предсказуемо. Конструкция автомобильного тормоза состоит из вращающегося тормозного диска и колодок, сжимающих его с обеих сторон. При срабатывании тормозов происходит выделение тепла, износ и визг (шум), причем каждое из этих явлений должно учитываться производителем при проектировании. ANSYS Mechanical позволяет смоделировать все эти эффекты, используя контактные элементы для обеспечения эффективности тормозов, а следовательно, безопасности и комфорта пассажиров.
Степень износа тормозных колодок
Моделирование фрикционного нагрева тормозного диска
Нестабильная собственная форма конструкции (комплексное собственное значение)
Контур перемещений прокладки
Корневой годограф
указывает на стабильность или нестабильность
движения
Модель
материала прокладки
Фрикционный нагрев
Сопряженные элементы в ANSYS Mechanical (SOLID223, 226, 227) позволяют учитывать в одном расчете нагрев, теплопередачу и перемещения в конструкции.
Фрикционный износ
Фрикционный износ описывается специальной моделью износа, реализованной с помощью контактных элементов. Для вычисления потерь материала на истирание ANSYS предлагает модель износа Арчарда.
Визг/шум тормозов
Возникновение визга и шума связано с колебаниями при трении (автоколебания) между колодками и диском. Одним из методов расчета этих колебаний является использование критерия стабильности, широко применяемого в теории управления. Этот критерий определяет, является движение стабильным или нет, путем решения характеристического уравнения (задача на нахождение комплексных собственных значений). При задании коэффициента трения в контакте между диском и колодками ANSYS Mechanical может автоматически определить стабильные и нестабильные собственные формы. Нестабильность часто связана с шумом и колебаниями.
Двигатель
Двигатель содержит много деталей, и в данной статье есть возможность рассмотреть лишь малую часть всех возможных расчетных случаев.
Прокладки
Прокладки располагаются между двумя или более сопряженными поверхностями и при обжатии обеспечивают герметичность соединения. При эксплуатации им также свойственно нелинейное поведение. Для моделирования сложных сборок с прокладками используются специальные элементы (INTER192195) и модели материалов внутри ANSYS Mechanical. Примером может служить расчет поведения прокладки, установленной между блоком и головкой цилиндров.
Болты
Резьбовые соединения широко используются практически во всех областях машиностроения. Характерный пример — соединение головки и блока цилиндров (с прокладкой между ними). ANSYS Mechanical предлагает широкий спектр возможностей для моделирования болтов (и других резьбовых крепежных элементов). При этом легко настраиваются усилия от затяжки и последующее изменение усилия в болте под действием внешних нагрузок. Несмотря на то что болтовую резьбу можно смоделировать точно со всеми геометрическими особенностями, этот метод обычно требует значительного увеличения затрат на расчет в связи с чрезмерным измельчением сетки. В качестве альтернативы ANSYS Mechanical предлагает технологию для моделирования влияния резьбы с помощью специальных контактных элементов.
Расчет колебаний мотора (сверху) и акустический анализ (снизу)
Моделирование болтов в ANSYS Mechanical
Использование метода bolt section
на порядок ускоряет проведение расчета
Другие возможности
Метод динамических подконструкций (CMS) — это метод создания подконструкций в ANSYS Mechanical, в которых сохраняется жесткость модели, но снижается число степеней свободы (DOF). CMS рассматривает большие модели как набор взаимосвязанных компонентов. Каждый из них ведет себя как суперэлемент, который объединяет множество отдельных элементов исходной модели, тем самым уменьшая число степеней свободы и время решения. CMS используется для ускорения вычислений в моделях большой размерности. ANSYS Mechanical также обладает возможностями проведения акустического анализа, которые в сочетании с ANSYS Maxwell можно использовать для получения связанных решений типа «магнитное поле — конструкция — акустика». Сопряжение конструкционной механики, динамики текучих сред и электродинамики является эффективным способом ускорения процесса проектирования автомобилей. При совместном использовании моделей из различных областей физики в единой среде можно получить достаточно полное представление о реальном процессе. Поскольку моделирование становится более точным и охватывает всё больше различных физических процессов, для упрощения решения значительно повышается использование высокопроизводительных вычислений (HPC). В связи с этим ANSYS предлагает решения, рассчитанные на предельные, на данный момент, сеточные размерности, что особенно важно для автомобильной промышленности, поскольку производство и поставка продуктов в кратчайшие сроки — одна из важнейших ее проблем.
