学文网引言
虚拟产品开发(VirtualProductDevelopment)是建立在可以用计算机完成产品整个开发过程这一构想的基础之上。工程师完全在计算机上建立产品模型,对模型进行分析,然后改进产品设计方案,用数字模型代替原来的实物原型,进行分析、试验、改进原有的设计,这样只需制作一次最终的实物原型,使新产品开发一次获得成功[1]。企业通过VPD这种新技术把握住产品开发过程,能够对客户的需求变化作出快速灵活的反应,并且完全按照规定的时间、成本和质量要求快速的将产品推向市场。
1VPD技术在汽车发动机上的应用
1.1曲轴系分析
曲轴是发动机中结构比较复杂,承受载荷比较大的零件。在曲轴的工作过程中,疲劳失效往往是其失效的主要原因,因此,对曲轴疲劳性能研究显得尤为重要。由于曲轴属于高速旋转部件,若采用传统的静强度分析,则不能准确地反映曲轴在工作状态下真实的受力情况。
(1)对发动机曲轴系(包括曲轴、连杆、主轴承座等)进行符合实际的三维建模型与装配,各部件之间采用不同的连接体进行连接,构成发动机曲轴系的多体非线性模型,在建模的过程中同时考虑轴承油膜的影响。对此模型进行动力学求解,得到曲轴的动力学特性与主轴承油膜特性。(2)将动力学分析得到的结果作为输入条件施加到曲轴有限元模型(***1)上,应用MSC.Nastran软件求解得到曲轴一个工作循环下的瞬态应力(***2),进而得到曲轴关键点的疲劳安全系数来考察曲轴的耐久性[2]。
1.2缸盖缸体一体化分析
缸盖缸体一体化分析主要分为水套CFD分析、缸盖缸体温度场分析、缸盖缸体结构分析三个部分。通过水套的CFD分析,得到水套中冷却液体的流速、压力损失、对流传热系数等。然后将部分CFD分析结果作为输入条件施加到结构分析的有限元模型中,计算缸体和缸盖的温度场分布。最后再基于温度场的分析结果进行结构分析,主要包括以下工况:(1)装配载荷;(2)热载荷;(3)工作载荷(燃气爆发压力等);(4)冷却状态。通过对这一系列工况分析,对缸盖缸体的耐久性、缸孔变形以及缸垫密封性进行评估。
2VPD技术在汽车车身上的应用
2.1车身的疲劳强度分析
车身疲劳强度分析能力是日益缩短的整车开发流程对车身设计提出的关键要求之一。随着载荷测量和模拟技术以及计算机技术的发展,疲劳寿命法被引入到车身疲劳强度分析中,这种方法采用时间-载荷信号计算疲劳寿命,能够考虑多种载荷历史造成的损伤积累,具有分析结果简单、直观,经验依赖较少等优点。
疲劳寿命计算通过对应力(应变)历程的雨流计数(RainFlowcycle)得到相应的FATIGUECYCLE,将其与材料的S—N曲线比照,得到损伤矩阵,并进一步求和计算总损伤值[3]。
2.2车门的变形分析
汽车车门安装到车身上后,需要对车门进行刚度测试,以避免导致车门与侧围的间隙无法保证,产生干涉以及关闭困难等方面的问题,保证汽车车门能正常使用。对某车型安装在中立柱上的车门,应用MSC.Nastran软件进行了非线性分析,得到了车门—中立柱系统在垂直载荷下的残余变形。***3为车门的有限元模型和车门在1000N载荷下的变形。
3VPD技术在汽车底盘上的应用
进行空气弹簧的有限元分析,空气弹簧的橡胶囊是一种层状复合材料结构,其基体橡胶是大变形材料,而增强材料是小变形的尼龙或聚酯帘线等,帘线体积含量虽小,却承受了大部分载荷,是空气弹簧的主要承载部件,应用MSC.Marc对其进行有限元分析。***4为空气弹簧的二维有限元模型,经过旋转变换后转化为三维有限元模型(***5)并进行分析,得出空腔压力与时间和空腔压力与体积的关系曲线[4],见***6、***7。
4VPD技术在汽车电子方面的应用
对汽车液压助力转向系统进行设计。
(1)项目目标:通过VPD技术,建立实际汽车助力转向系统的虚拟样机,从而进行参数规格设计,以满足设计目标[2-3]。
(2)解决方案:采用MSC.EASY5建立液压助力转向系统模型,采用MSC.ADAMS/Car建立整车动力学模型,将两个模型整合并进行联合仿真,调试模型参数并重复仿真直到满足设计要求。
(3)设计流程:①确定进行仿真分析和参数设计的工况;②建立MSC.ADAMS/Car整车动力学模型,并建立与MSC.EASY5进行数据交互的输入和输出变量;③建立MSC.EASY5液压系统模型;将MSC.EASY5液压系统模型与MSC.ADAMS/Car模型整合,建立完整的系统模型;④进行不带转向助力情况下的联合仿真;⑤引入转向助力,用初步设计的模型参数进行仿真比较不带转向助力和带有转向助力的仿真结果;⑥改进后的设计方案满足性能需求,接受本次的参数规格和仿真结果,见***8。
5结语
通过以上事例可以看出,VPD技术在汽车工业的应用还是非常广泛的,在新产品的研发过程中起到了很重要的作用。目前由于对VPD技术还没有充分的了解,对其结果还有怀疑态度,VPD技术并没有得到全面的应用,随着创新理念的不断提升、VPD技术的不断发展,VPD技术在中国汽车工业中的应用必然会更为广泛。
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