03HyperWorks在汽车零部件有限元分析中的应用孙国兵

1、HyperWorks在汽车零部件有限元分析中的应用孙国兵东风汽车有限公司东风商用车技术中心HyperWorks在汽车零部件有限元分析中的应用HyperWorksApplicationinFEAofAutoParts孙国兵（东风汽车有限公司东风商用车技术中心）摘要：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:模态强度刚度边界条件简化有限元分析Abstract:Thispa

2、perillustratehowtogettherigidity,lntensityandmodebyhyperworks.Throughtakingfractionplateandflywheelcasingasanexample,itemphasizesthemethodsofsimplifytheboundaryconditiononcomplexstructure.Andtheresultwillbevalidatedbycomparingthesimulationresultsandtheoryresult.Keywords:Mode，Strength，Stiffness，Bound

3、aryCondition，Simplify，FEA1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

4、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，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本案例介绍了1所示。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

5、，如图2所示。再使用HyperMesh的旋转功能Rotate戈U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2局部网格划分图3完整的三维网格2.2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/m3)屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)QT450-102.1E+050.37800310450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

6、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2500N-M的扭矩作用。换算后，每个小片受到844N的摩擦力。其VonMises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。:

7、9H'"-I-*-q1"1»<liIWniVw图5从动盘VonMises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）VonMises应力（MPa）仿真分析误差理论计算值44.1仿真计算结果0.34742.9-2.7%2.4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发动机飞轮壳是发动机中一个重要的组成部

8、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

9、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1000N-M的力矩。飞轮壳的密度p=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在两种加载方案下的应力，应变云图类似，图飞轮壳在两种加载方案下的应力，应变云图

10、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,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。图10飞轮壳均布载荷作用下变形云图单位：mm叭応”曲<5KriiKr4沟尸吋“两尸騒<I?3b-KatI-WWIEnIiJmI<Dn'liJJSCfiCE-!*!/fFCJRCE-Hlr«4*图11飞轮壳均布载荷作用VonMises应力云图单位:Mpa表3飞轮壳强度计算结果飞轮壳变形（mm）onMises应力刚度（N/M）(MPa)万案一5.94e-40.6021.6835e9万案一2.22e-32.1

11、31.6991e9两方案差异0.93%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3可知，两种加载方案的计算结果相差只有0