*本文源自汽車行業(yè)用戶范會超投稿

1.背景

車型短周期開發(fā)背景下，高效的仿真技術(shù)顯得尤為重要。Altair 推出了多款加速設(shè)計/仿真的軟件，其中無網(wǎng)格軟件 SimSolid 與業(yè)務(wù)有一定的契合度，有必要論證其在汽車零部件結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的可行性。

2.目標

評估 Altair SimSolid 在零部件開發(fā)過程中的應(yīng)用可行性。

3.主要工作容

3.1 軟件功能簡介

Altair SimSolid 是款專門為快速發(fā)展的設(shè)計流程開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析軟件。它消除了幾何體簡化和網(wǎng)格化，大大縮短了結(jié)構(gòu)的分析周期。SimSolid 基于無網(wǎng)格技術(shù)，計算引擎基于對外部逼近理論的突破性擴展，不使用傳統(tǒng)FEA固有的逐點自由度，因此在計算時間和內(nèi)存占用方面提供了優(yōu)越的性能指標。

SimSolid 主要是通過設(shè)置部件之間的間隙和穿透容差實現(xiàn)裝配體的連接，可實現(xiàn)焊點/焊縫的批量連接，同時新版本增加了多種虛擬連接(襯套、接頭、銷等)， 其對底盤系統(tǒng)或者工程系統(tǒng)的連接有很好的效果。

3.2 確定論證方案

本案例選取汽車底盤控制臂和后保險杠作為研究對象，進行分析精度和工作效率的可行性論證，并與廣泛應(yīng)用的有限元軟件 Abaqus 進行了對比。

選取依據(jù)：

• 選用了典型的底盤件前下控制臂，該零件涉及沖壓、焊接、鍛造成型工藝，同時從實體下控制臂結(jié)構(gòu)和板殼下控制臂結(jié)構(gòu)兩方面驗證軟件的精度。分析過程涉及到材料非線性和幾何非線性。
• 后保險杠結(jié)構(gòu)型面復(fù)雜，使用傳統(tǒng)有限元前處理耗時較多，仿真工況涉及約束模態(tài)分析以及表面剛度分析。

3.3 控制臂仿真分折可行性論證

①案例說明：采用鍛造擺臂結(jié)構(gòu)，在擺臂球銷位置，施加不同的位移，提取相應(yīng)的支反力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，對比軟件的非線性分析精度。如圖1所示：

圖1 鍛造擺臂

由于分析過程涉及非線性，其材料非線性及幾何非線性的設(shè)置如下圖2所示：

圖2 材料及幾何非線性設(shè)置

支反力的分析結(jié)果如表1所示，在位移較小階段，兩個軟件的結(jié)果相差約10%，隨著位移的增加，材料非線性及幾何非線性越來越大，兩者的結(jié)果差異也隨之變大，這主要是由于 SimSolid 非線性默認設(shè)定應(yīng)用場景為小塑性應(yīng)變，但是總體趨勢完全一致，并且差異比較穩(wěn)定，在可接受范圍以內(nèi)，這一點在工程應(yīng)用上很關(guān)鍵，也完全能滿足結(jié)構(gòu)前期設(shè)計的需求。

表1 分析結(jié)果

②案例說明：采用鈑金焊接擺臂結(jié)構(gòu)，在擺臂球銷位置，施加不同的位移，提取相應(yīng)的支反力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，對比軟件的非線性分析精度。如圖3所示：

圖3 鈑金擺臂

本案例鈑金擺臂采用雙板沖壓拼焊而成，Abaqus 有限元模型焊縫采用shell單元模擬，板厚定義為連接母材的平均值3mm，SimSolid 計算模型通過連接工具定義焊縫連接，焊縫尺寸定義為4mm，如下圖4所示。

圖4 Abaqus 模型（左） SimSolid 模型（右）

這里需要說明剛才定義焊縫參數(shù)的差異，有限元模擬焊縫的 shell 單元厚度為實際焊縫的平均有效厚度，SimSolid 定義的焊縫參數(shù)為焊角尺寸。

鈑金擺臂支反力的分析結(jié)果如表2所示，當變形在10mm以內(nèi)，兩個軟件的結(jié)果相差約10%，當位移達到16mm時，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲變形，這時結(jié)構(gòu)的極限載荷最大，SimSolid 和 Abaqus 都計算出這個關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)突變響應(yīng)，這說明 SimSolid 同樣適用于材料非線性及幾何非線性分析，這一點在工程應(yīng)用上很關(guān)鍵，可以在設(shè)計前期評估結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

表2 分析結(jié)果

這里需要補充說明，計算零部件的非線性屈曲載荷，也可以直接一次施加強制位移的方式求解，具體設(shè)置如下圖5所示，幾何非線性求解設(shè)置為增量負載，載荷步數(shù)10（步數(shù)越大，位移-載荷曲線越光滑，當然計算資源需求越高）。增量負載提供了加載歷史，其中包含了指定的加載增量數(shù)量的結(jié)果，用于非線性屈曲分析，以確定可能發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的載荷。

圖5 求解設(shè)置

3.4 發(fā)動機罩的可行性論證

選取某車型的后保險杠，開展了模態(tài)及表面剛度分析。后保險杠連接點數(shù)量較多，包括螺栓、卡扣等。采用傳統(tǒng)有限元方法需要手動定義簡化的剛性連接MPC，耗時較長，如圖6所示。SimSolid 通過定義搜索間隙及容差，可實現(xiàn)高效的自動連接，接觸類型為綁定，接觸分辨率增強，如圖7所示。

圖6 有限元模型

圖7 SimSolid 自動連接模型

同時，為了提高薄板結(jié)構(gòu)的計算精度，可以自定義求解設(shè)置，如圖8.1所示。為了提高計算速度，可以最大化利用硬件資源，設(shè)置如圖8.2所示，核數(shù)越高，計算速度越快。

圖8.1 求解設(shè)置

8.2硬件設(shè)置

最后統(tǒng)計了兩種方法的仿真效率及精度結(jié)果，如下表3、表4所示。

表3 模態(tài)分析結(jié)果

表 4 表面剛度結(jié)果

模態(tài)分析結(jié)果顯示，SimSolid 分析總時長僅需2小時，相比有限元可以提速79%，提速主要原因是 SimSolid 不用進行幾何簡化和殼網(wǎng)格劃分；結(jié)果對比顯示。前三階固有頻率平均精度95%，精度滿足快速校驗使用。

剛度結(jié)果顯示，SimSolid 分析總時長僅需2小時，相比有限元可以提速78%，提速主要原因是 SimSolid 不用進行幾何簡化和殼網(wǎng)格劃分。剛度對比結(jié)果顯示，三個位置點平均精度88%，精度滿足快速校驗使用。

4.結(jié)論

• 仿真效率： Simsolid 提供了快捷高效的前處理解決方案，無需網(wǎng)格劃分、快速定義各種連接，大大縮短了前處理周期。
• 仿真精度：線彈性范圍內(nèi)，剛強度及模態(tài)計算誤差小10%，在非線性階段，如非線性屈曲分析也有較高的分析精度，均適用于薄板及實體結(jié)構(gòu)。
• 應(yīng)用建議：基于軟件當前的功能和定位，適用于設(shè)計工程師及仿真工程師開展結(jié)構(gòu)設(shè)計的快速驗證及方案迭代。例如對于底盤控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、穩(wěn)定桿、副車架等關(guān)鍵零部件，設(shè)計工程師可以利用SimSolid 開展常規(guī)的強度分析、模態(tài)分析和疲勞分析；對于車門、機罩、保險杠等裝配件，快速開展剛度及模態(tài)分析，加速設(shè)計迭代，縮短性能目標達成周期。

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