來源：Simcenter3D

汽車制動管路面臨的問題

面臨的問題 

隨著汽車的快速發展以及客戶對整車品質要求的逐漸提高，制動系統柔性管路關鍵件設計的可靠性更加重要。現在正在研發的很多車型在開發過程中大都存在管線路干涉問題，在后期解決干涉問題過程中投入了大量的人力物力。為了在設計研發前期就能充分的識別出柔性管路干涉風險，暴露問題進而整改問題，只能通過柔性管路仿真軟件進行管路設計、運動仿真分析才能達到上述效果。柔性管路運動仿真是能夠在設計階段充分識別柔性管路問題及風險的極其重要的有效手段。

因為管路問題的復雜性，涉及非線性效應（大位移、大旋轉）和過程中可能產生的屈曲和扭轉現象，傳統的管路設計方法，由于無法知道管路在運動過程中的實時位置和狀態，而多采用試錯的方法，即反復試驗不斷修正。這導致管路設計周期很漫長，而且不斷交互試驗也產生很多額外成本。

為縮短開發周期，提高管路設計可靠性，管路設計工程師亟須一款軟件能夠根據各種工況輸入，對所有管路進行動態分析模擬：檢查柔性管路曲率，以保證其不小于可接受的最小值；檢查管路安裝及運動過程中可能存在的干涉；優化支撐結構數量和管路長度以降低成本；

基本計算方法介紹

管路靜力分析是計算在固定不變的載荷和約束的作用下管路最終成型和管路的曲率輸出，靜力分析是用來計算管路在固定不變載荷作用下的響應，如位移、應力、應變等，可以計算那些固定不變的慣性載荷對結構的影響（如重力和離心力），靜力分析包含線性靜力分析和非線性靜力分析。

靜力學方程：

K q = g

其中K為剛度矩陣，q為位移矩陣，F為載荷矩陣，所有輸入參數都會體現在這三個矩陣中，和載荷相關的如重力、集中力、等效加速度等，最終生成相應的載荷矩陣，管路的廚師位置、約束等會反應到位移矩陣中，而總體剛度矩陣相對比較復雜，影響因素包含：管徑、壁厚、彈性模量、走向、約束，以及約束點的剛度都有關系。在Tea pipe中我們首先要建立幾何模型，然后輸入材料屬性，對于軟管材料的非線性需要充分考慮，一種近似的非線性救求解是將載荷分成一系列的載荷增量。可以在幾個載荷步內或者在一個載荷步的幾個子步內施加載荷增量。在每一個增量的求解完成后，繼續進行下一個載荷增量之前程序調整剛度矩陣以反映結構剛度的非線性變化，使用平衡迭代使在每一個載荷增量的末端解達到平衡收斂（在某個容限范圍內）在每次求解前，NR 方法估算出殘差矢量，這個矢量是回復力（對應于單元應力的載荷）和所加載荷的差值。程序然后使用非平衡載荷進行線性求解，且核查收斂性。如果不滿足收斂準則，重新估算非平衡載荷，修改剛度矩陣，獲得新解。持續這種迭代過程直到問題收斂。對于管路成型中的每一個工況都可以輸出對應載荷約束下的形變即管路形狀，Simcenter3D Flexible Pipe將整個有限元分析過程全部做成智能盒子，用戶只需輸入參數，模型即可自動建立，有限元網格只需要選擇一維或二維軟件自動劃分，計算求解模塊中默認的收斂準則會根據客戶定義的管路智能排序，自動求解。因為管路問題的復雜性，涉及非線性效應（大位移、大旋轉）和過程中可能產生的屈曲和扭轉現象，傳統的管路設計方法，由于無法知道管路在運動過程中的實時位置和狀態，而多采用試錯的方法，即反復試驗不斷修正。這導致管路設計周期很漫長，而且不斷交互試驗也產生很多額外成本。采用有限元分析方法可以很好的節約設計成本。可以實現依據管路特性參數，接頭、支撐結構等參數計算管路最終成形形狀，計算模擬真實的安裝過程，始于直管先與一接頭連接，然后根據另一接頭、支撐結構、彈簧、加強材料等的位置和方向逐步進行管路成形計算。

設計仿真一體化平臺

Simcenter3D Flexible Pipe是一款管路分析和優化專業解決方案軟件，能夠提供管路分析與管路優化兩種功能，其強大的功能可全面滿足管路設計工程師的需要。在Simcenter3D Flexible Pipe管路定義界面完成管路長度、材料特性、溫度、接頭、支撐結構等附屬裝置的類型、位置、方向等管路要素的定義，從而最真實的實現管路模擬

管路分析：設計者定義管路參數（長度、直徑、壁厚、材料、接頭、護簧、橡膠護套、支撐等）并且將管路通過運動副連接到整車上，即可進行管路的動態分析，得到管路的變形情況和實時運動情況、曲率、應力、碰撞和距離信息。

管路優化：設計者定義設計變量、約束條件、目標函數（如長度最小化或安全系數最大化），來實現管路優化分析，軟件自動找到管路最佳設計方案。

Simcenter3D Flexible Pipe BEAM采用非線性BEAM單元來模擬不同類型的柔性管路，如制動管、轉向管、燃油管、線束等。

Simcenter3D Flexible Pipe 強大的非線性管路分析包含管路安裝準靜態分析、運動學分析、模態及動態響應分析等。強大的管路優化功能，可進行包含管路接頭、支撐結構數量、位置及方向優化以及管路長度優化等，幫助設計者獲得最佳管路設計方案。

Simcenter3D Flexible Pipe管路定義界面完成管路長度、材料特性、溫度、接頭、支撐結構等附屬裝置的類型、位置、方向等管路要素的定義，從而最真實的實現管路模擬中不僅包含多種不同類型的支撐結構可供選擇，同時還考慮接頭及支撐結構的扭轉效應以及管路本身的軸向和扭轉耦合效應等。同時液體重力及內壓對管路產生的影響也會予以考慮。

為考慮管路的動態運動，真實的實現管路模擬還可以施加相應的運動副到管路接頭、支撐結構及車身連接部件，以實現管路與車身的連帶運動，從而實現管路的實時運動模擬。

數值模擬實例及結果分析

Simcenter3D Flexible Pipe采用非線性BEAM單元來模擬不同類型的柔性管路。TEA Pipe Beam提供了兩種功能：

a.管路設計分析：

用戶定義管路參數（長度、直徑、材料、接頭、支撐結構等附屬裝置等），并且將管路通過運動副連接到整車上，即可進行分析，得到管路的變形情況和實時運動情況、曲率、應力、碰撞和距離信息等。

b.管路優化：

用戶可以定義設計變量、約束條件及目標函數（如長度最小化或安全系數最大化等），來實現管路參數化優化分析，找到管路設計的最佳解決方案。

此案例采用tea pipe對制動軟管進行創建、模擬、仿真，如圖1所示為實車狀態掃描云圖與軟件仿真結果對比。

圖1 左前制動軟管校核

由此可以看出Simcenter3D Flexible Pipe可以實現制動軟管的創建、模擬、仿真，應用軟件自帶material模擬出來的管路較應用CATIA設計出的管路更準確些。

拉線管路應用

此案例采用Simcenter3D Flexible Pipe對拉線管路進行創建、模擬、仿真。在軟件里定義拉線的相應尺寸，與制動軟管不同，拉線管路需要定義兩個管路以及拉線位移與內外管的摩擦系數進行分析。

圖2 拉線仿真

Simcenter3D Flexible Pipe可以快速定義及創建制動拉線幾何數據，并可以實現運動仿真動態間隙偵測。

輪速傳感器仿真應用

 圖3 輪速傳感器模型

Simcenter3D Flexible Pipe可快速定義及創建輪速傳感器線束幾何數據，并可以實現運動仿真動態間隙偵測。

仿真結果與試驗對比

某車型管路仿真方案制定及驗證：

圖4 仿真與實車掃描狀態數據對比

圖5 仿真與實車掃描狀態數據對比

實際問題解決

某車型前制動軟管：兩前輪制動軟管短（余量不足），轉向輪在最大轉角時，油管過度拉伸，容易老化破損，存在制動失效的安全隱患。 

  存在問題的管路                      改善后的管路

結論：通過實際項目的對比仿真分析，應用Simcenter3D flexible pipe可以快速的實現柔性管路的運動仿真，仿真結果精度滿足需求。

結論

本文詳細地分析了Simcenter3D Flexible Pipe在管路設計仿真中的應用，通過對比，可以發現，無論是臺架測量結果還是實車測量結果，采用Simcenter3D Flexible Pipe設計的制動軟管仿真數據與實測數據差異較小，可以很好的指導設計開發，減短開發周期，節約開發成本。

下載地址：TEA_PIPE_InstallationGuide_Rev15SL2