研發(fā)高質(zhì)量的螺栓連接是汽車底盤設(shè)計(jì)不可分割的一部分。雖然與連接件的設(shè)計(jì)相比更鮮為人知，如連接副車架和轉(zhuǎn)向節(jié)連接的趾型連接臂連接，但是堅(jiān)固的螺栓連接對(duì)于提高操作性能和延長(zhǎng)汽車性能壽命至關(guān)重要。松動(dòng)的接頭可影響校準(zhǔn)等的質(zhì)量問題，并最終影響連接部件的耐久性。一個(gè)設(shè)計(jì)合理的接頭效率更高，可以以更小尺寸的緊固件支撐更大的負(fù)載而不出現(xiàn)松動(dòng)。

      福特汽車公司工程師的任務(wù)就是，為中型客車的后懸掛系統(tǒng)提供堅(jiān)固的懸臂式錐形鉸接設(shè)計(jì)（見圖一）。為了在滿足功能的情況下將時(shí)間和成本降至最低，團(tuán)隊(duì)使用針對(duì)結(jié)構(gòu)分析的 Abaqus for 3DS CATIA（AFC）和針對(duì)流程自動(dòng)化和優(yōu)化的 Isight，開發(fā)了自動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）流程。

     “我們團(tuán)隊(duì)采用了 AFC，以便以模板形式，為設(shè)計(jì)組織內(nèi)的更大的工程師團(tuán)隊(duì)提供標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力建模和仿真實(shí)踐。”福特底盤 CAE 工程師 Satyendra  Savanur 說，“Isight 與 AFC 的聯(lián)合，可以使我們研制出強(qiáng)大的自動(dòng)設(shè)計(jì)分析方法。我們使用近似模型中的響應(yīng)面模型，來找出接頭尺寸的最佳參數(shù)。”

分析錐形鉸接的性能

      螺栓連接是汽車懸掛系統(tǒng)中最常用的連接方法。在此連接方法中，錐形鉸接使用懸臂式連接方式，將趾型連接臂與后轉(zhuǎn)向節(jié)連接進(jìn)行連接。錐形鉸接的兩個(gè)接合部件——內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)——對(duì)錐角都有唯一的制造公差。

      為了在內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)間實(shí)現(xiàn)牢固的錐形連接，應(yīng)考慮以下方面：

?  ——各個(gè)元件的制造公差

?  ——錐體和錐形座接觸面

?  ——錐角角度

?  ——工作負(fù)載移除后的轉(zhuǎn)矩?fù)p耗

      為了對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬測(cè)試，福特公司工程師根據(jù)使用 3DS CATIA 創(chuàng)建的模型的幾何信息和材料屬性，使用 AFC 來創(chuàng)建內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元模型。AFC 與 3DS CATIA 模型保持關(guān)聯(lián)，以確保  CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）模型在設(shè)計(jì)變量范圍內(nèi)變更后，Abaqus更新后的模型保持一致。

      在物理裝配過程中，鍛鋼內(nèi)錐與鋁材轉(zhuǎn)向節(jié)座相連接。由于各個(gè)部件的制造工藝不同，內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)嚙合面的錐形設(shè)計(jì)的角公差也不同。

      “由于角公差可能存在不對(duì)等，兩個(gè)表面嚙合，并完全施以扭動(dòng)力時(shí)，接觸面積可能出現(xiàn)變化。”Savanur 說。嚙合材料可能出現(xiàn)局部變形現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸面積和壓力分布在接頭組裝過程中出現(xiàn)變化。當(dāng)施加工作負(fù)載后，接觸面積和接觸壓力可能進(jìn)一步發(fā)生變化。

      “因此，在分析時(shí)，要對(duì)接頭組裝和接頭工作負(fù)載的施加或移除進(jìn)行模擬，這至關(guān)重要。”他說，我們的目標(biāo)就是針對(duì)錐體和轉(zhuǎn)向節(jié)所有的錐形不匹配情況提供穩(wěn)健的錐形鉸接設(shè)計(jì)。”

      

      為了確保穩(wěn)健的接觸分析，以及接觸壓力分布，內(nèi)套管的網(wǎng)格被設(shè)計(jì)地與轉(zhuǎn)向節(jié)座的網(wǎng)格相匹配。為了在接觸面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格匹配，在樞軸連接座上創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的‘區(qū)域’（見圖二藍(lán)綠色部分），以簡(jiǎn)化建網(wǎng)格過程。在Abaqus 中，使用固連接觸將該部件與轉(zhuǎn)向節(jié)的其他部分相連。

       為了模擬螺栓組裝過程，先在內(nèi)套管和轉(zhuǎn)向節(jié)接合座間創(chuàng)建一個(gè)虛擬螺栓。然后對(duì)內(nèi)套管中部施加外部的工作負(fù)載。在 AFC 中導(dǎo)入鋁和鋼的非線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以促進(jìn)非線性分析。在AFC中創(chuàng)建接觸對(duì)和螺栓張力。通過AFC，接觸面積輸出（CAREA）和接觸力值（CFNM）可用于后期處理。最后，Abaqus分析文件被導(dǎo)出并提交至高效能計(jì)算集群，以進(jìn)行分析。

管理 DOE 流程

      福特需要對(duì)不同參數(shù)組合的大量設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，這促使工程師開發(fā)了自動(dòng)化 DOE 流程。在該流程中， CAD 幾何內(nèi)容更新和 FEA（有限元分析） 模型更新在同一環(huán)中完成，因此形成全自動(dòng)的 DOE 方法。

      在福特公司，外部產(chǎn)品管理系統(tǒng)和 3DS CATIA 啟動(dòng)進(jìn)行了定制。 腳本在對(duì) 3DS CATIA 界面進(jìn)行初始化前， 會(huì)首先斷開與產(chǎn)品管理系統(tǒng)的連接。

              

       通過外部 Excel 文件，將設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入 3DS CATIA 中，這是 3DS CATIA 更新設(shè)計(jì)表的通常方法。 Excel文件的輸入?yún)?shù)再映射至Isight管理器的DOE任務(wù)中。 在每一循環(huán)中，這可以實(shí)現(xiàn) Excel 工作表的自動(dòng)更新。由于 Excel 與設(shè)計(jì)表實(shí)行同步，因此3DS CATIA 中 CAD 幾何信息的更新都會(huì)反映在表中。在AFC中，幾何信息與 FE（有限元） 網(wǎng)格相關(guān)聯(lián)，因此網(wǎng)格操作也更新至變更后的 CAD 數(shù)據(jù)中。

       “通過開發(fā)一種單一的集成式流程，我們可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)幾何信息和網(wǎng)格的自動(dòng)更新。”Savanur 說。為了管理和控制 DOE 流程，使用Isight作為流程自動(dòng)化管理器。所產(chǎn)生的自動(dòng)化環(huán)會(huì)完全集成于 3DS CATIA 和AFC中，以進(jìn)行 CAD 更新，創(chuàng)建 Abaqus FE模型，提交作業(yè)，用于分析和后處理結(jié)果。

       Isight 環(huán)內(nèi)的 Abaqus 組件用于提取輸出內(nèi)容，包括 DOE 每次操作的 CAREA 和 CFNM（見圖三）。然后，將 Excel 文件的輸入?yún)?shù)映射至這些輸出參數(shù)中，以創(chuàng)建 Isight 的近似模型。

      “就我們而言，我們使用了響應(yīng)面模型的近似方法。” Savanur 說。這種錐形鉸接行為的近似模型可用于顯示輸入信息是如何影響輸出信息，并快速優(yōu)化錐形鉸接的。

      “這是福特首次借助 3DS CATIA 的 Abaqus 軟件，使用集成式 DOE 自動(dòng)化環(huán)對(duì)幾何信息進(jìn)行改變。” Savanur 說。

Isight 實(shí)現(xiàn)更高效的流程

      3DS CATIA 和 AFC 腳本、高性能計(jì)算作業(yè)提交批處理文件、 Windows 批處理命令文件的建立和驗(yàn)證均需要時(shí)間和資源，但只需進(jìn)行少量更改即可在后續(xù)項(xiàng)目中重復(fù)使用，因此值得采用。

      “開發(fā)相同的 3DS CATIA 模型以及關(guān)聯(lián)的 Excel 設(shè)計(jì)表，并與相關(guān)的 AFC 模型相關(guān)聯(lián)，這需要大約三天時(shí)間。” Savanur 說，“對(duì)之前開發(fā)的腳本進(jìn)行修改并調(diào)試，以用于新模型，這也需要一天時(shí)間。借助 Isight，只需 3 個(gè)半小時(shí)即可完成 35 次分析操作。”

      “通常情況下， 工程師手頭都有幾個(gè)項(xiàng)目，并在各個(gè)項(xiàng)目中取得平衡，這種情況下， 手動(dòng) CAE 操作需要兩天時(shí)間才完成一個(gè)操作。當(dāng)然，如果項(xiàng)目重要，時(shí)間也可以縮短。”福特底盤 CAE 主管 Joe Peters 說。

      在 CAE 和 CAD 機(jī)構(gòu)間來回轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)通常導(dǎo)致效率低下，因?yàn)槊總€(gè)人員有多項(xiàng)任務(wù)，當(dāng)需要新設(shè)計(jì)時(shí)，也不會(huì)馬上停下手中的工作。這類似于 CPU 時(shí)間和掛鐘時(shí)間。

      “據(jù)估計(jì)， 在照顧到其他日常工作的同時(shí)， 完成所有 35 次操作大約需要 70 天；然而，我們的新流程消除了手動(dòng) CAD/CAE 操作導(dǎo)致的低效率。” Savanur 說，“通過 Isight，創(chuàng)建集成的、自動(dòng)的閉環(huán) DOE 流程，我們大約四天就完成這項(xiàng)任務(wù)。這是 CAE 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精益管理，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目在成本和時(shí)間上的目標(biāo)的唯一方法。”

      “使用自動(dòng)化的 DOE 流程，我們大大縮短了開發(fā)穩(wěn)固的錐形鉸接的時(shí)間，并將資源使用量降至最低。” Peters 說，“從 CAD 中創(chuàng)建 CAE 模型的自動(dòng)化流程，最大程度地為我們節(jié)省了時(shí)間。這也證明，使用創(chuàng)新技術(shù)的小型 CAE 團(tuán)隊(duì)可幫助福特實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)。”

      使用 AFC，并創(chuàng)建基于 Isight 的集成式閉環(huán) DOE 流程，福特可制造出穩(wěn)固的錐形鉸接設(shè)計(jì)。該接頭具有良好的接觸面，并在規(guī)定的制造公差范圍內(nèi)，在移除負(fù)載后保持夾緊力。