智能化扭轉(zhuǎn)梁設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)研究與開發(fā)

周杰梁　張偉　許諾　王光耀

摘? 要：該文簡(jiǎn)述了傳統(tǒng)扭轉(zhuǎn)梁智能化設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)研究與開發(fā)的背景，并介紹了使用該系統(tǒng)對(duì)扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行分析的流程，通過對(duì)比開發(fā)前后的分析效率，結(jié)果表明應(yīng)用該系統(tǒng)后某汽車扭轉(zhuǎn)梁的剛度性能分析的效率提升92.5%，同時(shí)產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：智能化設(shè)計(jì)分析系統(tǒng);CATIA;扭轉(zhuǎn)梁

中圖分類號(hào)：TU311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

CAD設(shè)計(jì)及CAE仿真分析是整車開發(fā)工作中重要的一部分，而零部件的CAE仿真分析與CAD設(shè)計(jì)工作的對(duì)接效率是影響整車開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)短的重要因素。目前CAD/CAE 技術(shù)目前已經(jīng)貫穿到了汽車研發(fā)的整個(gè)生命周期，覆蓋了造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析、三維校核、二維數(shù)據(jù)、模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造等全部過程，實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和分析的目的，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析是2個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。

近年來，隨著智能化的不斷發(fā)展，汽車行業(yè)的開發(fā)周期越來越短，由原來的36個(gè)月縮短到現(xiàn)在的24個(gè)月，對(duì)工程開發(fā)提出了很大的挑戰(zhàn)。如何在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高開發(fā)效率、縮短開發(fā)周期，這是所有汽車開發(fā)工程師在考慮研究的方向。

智能化零部件設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的研究與開發(fā)，將CAE功能集成到CAD設(shè)計(jì)軟件中，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段即可快捷地進(jìn)行CAE分析，將CAE仿真分析工作更好地與設(shè)計(jì)工作進(jìn)行融合，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

該文以傳統(tǒng)扭轉(zhuǎn)梁為例，介紹了智能化零部件設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的分析流程，并對(duì)開發(fā)前后的效率進(jìn)行了比較研究。

1 扭轉(zhuǎn)梁簡(jiǎn)介

1.1 扭轉(zhuǎn)梁懸架介紹

扭轉(zhuǎn)梁是一種典型的非半獨(dú)立懸架，主要連接車身，減震器，彈簧及后芯軸，其主要功能是傳遞懸架載荷，支撐彈簧、減震器、后芯軸、制動(dòng)管路，并滿足幾何學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)的要求，其結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。

1.2 扭轉(zhuǎn)梁懸架功能

扭轉(zhuǎn)梁主要由4個(gè)部分組成，分別是扭轉(zhuǎn)橫梁、縱向擺臂、連接襯套、彈簧減震器系統(tǒng)，如圖1所示。這4個(gè)部分在車輛系統(tǒng)中所起的作用如下。

（1）扭轉(zhuǎn)橫梁：用于承受主要垂向和側(cè)向力矩扭轉(zhuǎn)。

（2）縱向擺臂：擺動(dòng)以傳遞輪心和車身安裝點(diǎn)的力及力矩。

（3）襯套及連接支架：柔性連接于車身，隔振。

（4）彈簧減振器系統(tǒng)： 減振。

另外，硬點(diǎn)位置也是扭轉(zhuǎn)梁非常重要的參數(shù)，硬點(diǎn)主要由車輛動(dòng)力學(xué)性能決定，輪心和車身連接點(diǎn)布置由側(cè)傾性能等決定。硬點(diǎn)布置決定了左右輪距、縱臂縱向長(zhǎng)度及彈簧盤和減震器形式。

1.3 扭轉(zhuǎn)梁懸架性能要求

通常來說，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)梁的選型和前期設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該在設(shè)計(jì)過程中充分考慮扭轉(zhuǎn)梁自身的結(jié)構(gòu)特性以及不同截面和接頭的剛度分布等，同時(shí)要盡量匹配車身在承載狀況下的變形規(guī)律，使扭轉(zhuǎn)梁能夠順應(yīng)車身的扭曲，達(dá)到兩者剛度盡量相互匹配。所以前期設(shè)計(jì)階段扭轉(zhuǎn)梁選型及截面和硬點(diǎn)等參數(shù)就要已經(jīng)要進(jìn)行充分地考量了。

在傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)梁設(shè)計(jì)流程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師初步完成CAD設(shè)計(jì)后，由CAE仿真分析工程師進(jìn)行性能分析，然后再反饋到產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，此過程周期很長(zhǎng);而扭轉(zhuǎn)梁優(yōu)化多依靠經(jīng)驗(yàn)，CAD/CAE工程師根據(jù)各自設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出優(yōu)化建議，迭代次數(shù)多，周期長(zhǎng)。智能化零部件設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)將CAD和CAE工作融合在一起，可以很好地解決這一難題。

2 扭轉(zhuǎn)梁智能化零部件設(shè)計(jì)分析

智能化零部件設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)集成了CAE分析標(biāo)準(zhǔn)和分析流程，無需CAE專業(yè)工具，即可對(duì)扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行快捷的剛度性能分析，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師直觀地看到產(chǎn)品的剛度性能，進(jìn)而可以對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改。整個(gè)流程主要分為4步，所需時(shí)間不足1小時(shí)，大大提升了扭轉(zhuǎn)梁設(shè)計(jì)分析效率。下面對(duì)流程分步進(jìn)行介紹。

2.1 模型和數(shù)據(jù)處理

首先，進(jìn)入智能化零部件設(shè)計(jì)分析后，選擇扭轉(zhuǎn)梁模塊，系統(tǒng)會(huì)對(duì)扭轉(zhuǎn)梁CAD模型、連接信息及接觸對(duì)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，導(dǎo)入工況表后，自動(dòng)創(chuàng)建約束與工況。在此模塊中，系統(tǒng)自動(dòng)批量創(chuàng)建了需要進(jìn)行分析的工況，用戶可以對(duì)工況進(jìn)行刪除、編輯操作，如果有遺漏的，也可以添加工況，極大地減少了工況創(chuàng)建及編輯的工作量。

2.2 分析模型創(chuàng)建

在模型和數(shù)據(jù)處理模塊中，對(duì)工況及約束設(shè)置完成后，點(diǎn)擊進(jìn)入分析模塊，即可保存前處理文件，進(jìn)而可以看到可選工況列表中，其中列有需要?jiǎng)?chuàng)建的工況列表，選擇需要進(jìn)行分析的工況，點(diǎn)擊創(chuàng)建分析模型，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建已選工況的分析模型。

2.2.1 計(jì)算

系統(tǒng)創(chuàng)建分析模型完成后，進(jìn)入計(jì)算模塊，在可選工況列表中選擇需要進(jìn)行計(jì)算的工況，點(diǎn)擊計(jì)算后，自動(dòng)進(jìn)行批量計(jì)算，如圖2所示。

2.2.2 分析報(bào)告

在后處理模塊中，選擇需要查看并導(dǎo)出的分析報(bào)告類型，點(diǎn)擊生成，可以直接查看報(bào)告，并保存到本地，如圖3所示。

3 扭轉(zhuǎn)梁智能化設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

3.1 分析效率

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)分析流程中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師完成CAD建模后，專業(yè)CAE分析工程師進(jìn)行性能校核，周期長(zhǎng)，效率低，如圖4所示，僅前處理就需要近5 h。應(yīng)用該系統(tǒng)后，對(duì)于傳統(tǒng)扭轉(zhuǎn)梁，前處理很多工作系統(tǒng)自動(dòng)完成，整個(gè)分析工時(shí)由原來的4.9 h降低為0.37 h，效率提升92.5%。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

采用該智能化設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)后，分析效率有很大提升，同時(shí)也產(chǎn)生了很多經(jīng)濟(jì)效益。

（1）將分析標(biāo)準(zhǔn)和流程集成到系統(tǒng)中，產(chǎn)品工程師無需CAE基礎(chǔ)，即可進(jìn)行零部件性能分析，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高零部件設(shè)計(jì)水平。

（2）將分析標(biāo)準(zhǔn)集成到系統(tǒng)后，產(chǎn)品性能分析穩(wěn)定性更高，提升了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（3）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的無縫銜接，縮短性能分析周期，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

4 結(jié)語

通過對(duì)扭轉(zhuǎn)梁智能化設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的開發(fā)和研究，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師承擔(dān)部分性能評(píng)估工作，可以極大地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)及性能分析周期，帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益。因此，后續(xù)對(duì)汽車其他子系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)分系統(tǒng)的開發(fā)和研究是值得嘗試的工作。

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