HyperWorks在汽车零部件有限元分析中的应用--孙国兵

2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集 - 1 HyperWorks 在汽车零部件有限元分析中的应用在汽车零部件有限元分析中的应用 孙国兵孙国兵 东风汽车有限公司东风商用车技术中心 2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集 - 2 HyperWorks 在汽车零部件有限元分析中的应用在汽车零部件有限元分析中的应用 HyperWorks Application in FEA of Auto Parts 孙国兵 （东风汽车有限公司东风商用车技术中心） 摘摘 要要: 本文主要介绍如何用 Altair 公司的 HyperWorks 软件，对汽车零部件的刚度、强 度和模态等进行有限元分析。 并通过对某摩擦片的强度和某发动机飞轮壳的模态、 强度和刚 度等有限元分析.阐述了复杂结构强度计算时边界条件的简化.通过与理论解的对比，验证了 边界条件简化的合理性。 关键词关键词: 模态 强度 刚度 边界条件 简化 有限元分析 Abstract: This paper illustrate how to get the rigidity ,Intensity and mode by hyperworks .Through taking fraction plate and flywheel casing as an example ,it emphasizes the methods of simplify the boundary condition on complex structure .And the result will be validated by comparing the simulation results and theory result. Key words: Mode，Strength，Stiffness，Boundary Condition，Simplify，FEA 1 概述概述 随着计算机辅助设计和制造技术的日趋成熟， 设计人员迫切需要一种能对所做的设计进 行快速、精确评价分析的工具，而不再仅仅依靠以往积累的经验和知识去估计。Altair 公司 的 HyperWorks 软件正是这样一个有效的工具。他能与常用的 CAD 软件相集成，实现“设计 校核再设计”的功能，可以轻松的直接从 CAD 软件中读取几何文件，并将最终的仿真计 算结果反馈到 CAD 几何模型的设计中。 同时由于有限元计算的高精度， 可以减少试验次数， 大大降低产品开发成本，缩短产品开发周期，提高产品设计质量。 本文通过两个案例， 阐述了如何利用 HyperWorks 软件简化边界条件及计算复杂结构的 强度，并通过与理论解的对比，验证 HyperWorks 软件在有限元计算方面的准确性。 2 案例一：摩擦片从动盘的强度计算案例一：摩擦片从动盘的强度计算 由于摩擦片的形状比较特殊， 九个叶片和内部八根加强筋呈同心圆分布， 本案例介绍了 如何灵活使用简化方法划分有限元网格及简化加载。摩擦片从动盘的几何模型如图 1 所示。 2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集 - 3 图 1 摩擦片从动盘几何模型 2.1 摩擦片从动盘有限元模型的建立摩擦片从动盘有限元模型的建立 由上述图 1 可见， 摩擦片从动盘的九个叶片和八根加强筋呈同心圆分布， 因此在划分此 摩擦片从动盘有限元模型时可以将划分过程分成两部分： 内圈加强筋部分和叶片部分， 在接 合部分进行局部修改缝合。首先可以将内圈几何模型分成八部分，叶片分成九部分，分别选 取其中的一片进行网格划分，如图 2 所示。再使用 HyperMesh 的旋转功能 Rotate 划分出 整个网格，最后进行局部缝合，这样，整个摩擦片从动盘的 2D 网格就完成了，继续使用 3D 中的拉伸功能，完整的三维网格就建立成功了，如图 3 所示。 图 2 局部网格划分 图 3 完整的三维网格 2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集 - 4 2.2 材料和边界条件材料和边界条件 该摩擦片从动盘采用 QT450 制成，其材料参数如表 1 所示。 表 1 从动盘材料参数 材料 杨氏模量 （MPa） 泊松比 密度 （Kg/m） 屈服强度 （MPa） 抗拉强度 （MPa） QT450-10 2.1E+05 0.3 7800 310 450 模型的强度不仅与模型的建立有关，还和模型边界条件的定义有密切关系。上述摩擦片 在运行过程中靠外围的九个叶片的相互摩擦来其到制动作用。 但是从图 3 我们可以看出， 有 限元模型中叶片的单元节点数目非常巨大， 并且每个节点受力方向都是沿着其切线方向， 因 此如果每个节点都按实际情况加载， 将非常困难。 因此我建议将每个叶片上的载荷进行简化， 分别在每个叶片的中部做一个刚性元， 把叶片上所有节点约束到一起， 再分别对每个叶片加 载，从动盘载荷及约束有限元模型如图 4 所示。 图 4 摩擦片从动盘的载荷及约束有限元模型 2.3 强度计算结果强度计算结果 摩擦片从动片采用 QT450-10 球墨铸铁制成，上下两面均与主动片摩擦，最大受到 2500NM 的扭矩作用。换算后，每个小片受到 844N 的摩擦力。其 Von Mises 应力及应变 云图如图 5 和图 6 所示，强度计算结果如表 2 所示。 2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集 - 5 图 5 从动盘 Von Mises 应力云图（单位：MPa ） 图 6 从动盘变形云图 （单位： mm） 表 2 从动盘强度计算结果 摩擦片从动盘 变形 （mm）Von Mises 应力 （MPa）仿真分析误差 理论计算值 44.1 仿真计算结果 0.347 42.9 -2.7% 2.4 摩擦片从动盘计算结果分析摩擦片从动盘计算结果分析 由上述计算结果可知： 案例使用的简化方法加载方法对仿真计算结果影响不大， 仿真计 算结果与理论计算值相差很小，只有 2.7%，由此可知，简化方法应用得当，仿真计算结果 非常准确。 3 案例二：某发动机飞轮壳及传动系刚度和模态分析案例二：某发动机飞轮壳及传动系刚度和模态分析 发动机飞轮壳是发动机中一个重要的组成部分， 它的刚度直接影响到整个发动机系 统的性能。同时传动系作为一个大总成，在试验中很难测得其模态，而借助于有限元技 术很容易计算其固有模态。 本文介绍了通过在飞轮壳圆心处加集中力矩和在每个受力位 置分别加载外力的两种方法计算飞轮壳的刚度，并对比计算结果，同时通过用 HyperWorks 求解飞轮壳及传动系的刚度，来展示仿真分析在复杂结构计算上的优势。 飞轮壳几何模型如图 6 所示： 图 6 飞轮壳几何模型图 2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集 - 6 3.1 飞轮壳及传动系有限元模型的建立及载荷的确立飞轮壳及传动系有限元模型的建立及载荷的确立 飞轮壳及传动系的有限元模型如图 7图 8 和图 9 所示， 其中图 7 和图 8 分别为飞轮壳 在集中力矩和均布力两种加载方式下有限元模型图。飞轮壳共划分节点 41547 个，单元 148704 个；传动系建模总共有节点 143403 个，单元 590833 个。 图 7 飞轮壳受均布载荷有限元模型 图 8 飞轮壳受集中力矩作用有限元模型 图 9 传动系有限元模型图 飞轮壳刚度计算时，约束壳体 12 个螺栓孔，载荷有两种方案： 方案一：均布力作用，在顶部 12 个螺栓上分别加载 83.3N。 方案二： 集中力矩作用， 通过刚性连接， 在飞轮壳的中间位置加载一个 1000NM 的力矩。 飞轮壳的密度 =6950Kg/m3,缸体质量为 214Kg， 缸盖质量为 77Kg， 起动机质量为 24.2Kg， 配载的大同 9js 变速箱质量为 375Kg。 3.2 飞轮壳及传动系结算结果飞轮壳及传动系结算结果 飞轮壳在两种加载方案下的应力，应变云图类似，图 10 和图 11 给出了飞轮壳在均布 力作用下的应力和应变云图， 其计算结果如表 3 所示。 飞轮壳和传动系的模态计算结果如表 4 和表 5 所示。 2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集 - 7 图 10 飞轮壳均布载荷作用下变形云图 单位：mm 图 11 飞轮壳均布载荷作用 Von Mises 应力云图 单位:Mpa 表 3 飞轮壳强度计算结果 飞轮壳 变形（mm） on Mises 应力 （MPa） 刚度（N/M） 方案一 5.94e-4 0.602 1.6835e9 方案二 2.22e-3 2.13 1.6991e9 两方案差异 0.93 2007 Altair 大中国区用户技术大会论文集 - 8 表 4 飞轮壳模态计算结果 模 态 频率（Hz） 模 态 频率（Hz）模 态 频率（Hz） 一阶模态 319.253 三阶模态 714.161 五阶模态 981.390 二阶模态 393.013 四阶模态 750.470 表 5 传动系模态计算结果 模 态 频率值（Hz） 描 述 模 态 频率值 （Hz） 描 述 一阶模态 139.950 横弯变形 六阶模态 508.049 轴向扭转 二阶模态 151.530 纵弯变形 七阶模态 574.698 横行搓动 三阶模态 256.727 局部横弯 八阶模态 632.654 纵向搓动 四阶模态 293.525 局部纵弯 九阶模态 824.167 局部拉伸 五阶模态 363.160 轴向挤压 十阶模态 1032.46 局部扭转 由表