基于adams和ansys的车架仿真与瞬态响应分析

基于adams和ansys的车架仿真与瞬态响应分析

1信息模型的联合仿真随着现代技术的发展，cae软件在所有行业都越来越流行。但是每个CAE软件都有各自的优缺点。为了充分发挥各自的优点,软件之间都提供许多相互之间能够读取和导入其它软件数据的接口,从而实现联合仿真。在汽车领域对车架的瞬态动态力学分析一般是在有限元软件中建立悬架,然后在悬架上施加载荷谱来分析,很少涉及轮胎和路面对车架传力的影响,从而降低了计算精度。所以利用多个软件进行联合仿真来提高仿真精度,显得尤为重要。2壳单元划分网格用UG建立车架的三维模型,导入HYPERMESH提取中面并通过适当的处理,生成车架的面结构。由于该车架几乎全部由薄壁方钢焊接而成,长厚比很小,所以选择壳单元划分网格可以提高计算精度,并提高计算速度。采用shell93壳单元划分网格,单元格边长取10mm。车架采用钢是Q235,密度是7850kg/m3,弹性模量为206MPa,泊松比为0.3,屈服极限为235MPa。选定了单元类型,单元大小和材料模型后,划分网格,车架有限元模型共有93572个单元,有287584个节点构成。导入ANSYS观光车车架有限元模型,如图1所示。3创建关联节点(1)添加新的质量单元mass21,并设置此单元的实常数,在对话框中填写属性,一般设置为1e-6,设置如此小的质量为了减小新的质量单元对后续分析的影响。(2)建立新的关键点keypoints,创建的关键点作为外联点的设置点,同时关键点的编号不能与模型单元的节点重合,否则会引起原来模型的变形。(3)选择mass21对上一步建立的关键点进行网格划分,建立起interfacenodes,即导入ADAMS软件中的外联点。(4)建立刚性区域,在ADAMS中作为和外界连接不变形区域(preprocessor→coupling/ceqn→rigidregion)。导入ADAMS中的外联点至少为两个,所以应刚性区域应该和外联点的个数相等。(5)提交ANSYS进行模态中性文件生成(solution→ADAMSconnection→ExporttoADAMS)。4启动与重构的混合系统4.1u3000车辆后悬架模型的建立车架是在UG中建立并导出Parasolid格式,然后再导入到ADAMS/VIEW中,然后用柔性体代替刚性体车架,其它部件都是以车架为基础建立。观光车前悬架采用的是麦弗逊式独立悬架,后悬架采用的是单纵臂独立悬架。前悬架主要部件包括:减振器、螺旋弹簧、转向主轴、摆臂、转向横拉杆和衬套等。后悬架主要部件包括:纵臂、螺旋弹簧和减振器。主要涉及整车的直线行驶工况,所以进行了一定的简化,没有建立齿轮齿条转向机构和方向盘传动装置,同时直接把转向直拉杆固定在车架上,以保证汽车的直线行驶。FTire作为MSC官方推荐的轮胎模型用于车辆所有类型的平顺性、耐久性分析以及操纵性仿真。考虑到观光车在路况较好的路面上行驶,所以选取路面等级为D级的2D随机路面模型。所建立的刚柔耦合模型,如图2所示。4.2车架前进方向的速度仿真给整车模型的两个前轮施加1580d*time的转速即,由于整车从起步到加速到30km/h需要一定的时间,所以我们可以从车架前进方向的速度可以得到整车运行到30km/h需要的时间,如图3所示。从图3可以看出车速沿前进方向达到30km/h速度所需要的时间大约是2Os,而整个仿真过程为50s,所以应该取20s到50s之间的各种信号,这样仿真结果接近实际情况。同时得出车架柔性体上的应力最大的前十三个热点,如表1所示。4.3控制器输出仿真在ADAMS软件中仿真结束,点击file→export→FEA.loads,设置输出结果为ANSYS,添加车架与悬架连接点,并设置输出仿真时间段为(20~50)s,点击OK。(注意导出的文件没有后缀名,要为导出生成的文件添加.log后缀名)。导出车架与悬架连接处各点的载荷谱(10个点),其中左侧后悬架摆臂力和力矩随时间的载荷谱,如图4、图5所示。5应仔细分析汽车的瞬态噪声5.1结构矩阵。[a]2瞬态动力学求解的运动方程如下:式中:[M]—结构的质量矩阵;[C]—结构的阻尼矩阵;[K]—结构的刚度矩阵;[X]—节点位移列阵;{F(t)}—载荷向量,可以随时间任意变化。5.2adams仿真结果具体步骤为:进入ANSYS界面,打开前面导出中性文件的有限元模型,点击ANSYS主菜单中的Solution→ImportfromADAMS,选择上一步导出的.log文件,就可以导入ADAMS仿真过程中的载荷步(ANSYS和ADAMS中的单位要一致)。在ANSYS读取仿真结果,选取ADAMS仿真中得出的十三个热点(应力最大的点)作为考察的主要点,其中点29689总位移随时间变化的曲线,如图6所示。横坐标为时间(单位s),纵坐标为位移(单位m)。从图6中可以看出,应力最大点29689的在整个仿真过程中的动载荷最大位移为25.5mm,平稳时的位移为12.5mm,超出了车架变形量的要求。通过ADAMS仿真得出的共有13个热点(应力最大点)随时间的位移值,发现位移变形最大的点中有几点位于车架静态分析应力比较大是区域,这说明这些区域为最容易发生断裂或是疲劳破坏的区域。特别是顶棚后立柱与车架连接处的应力和位移都比较大,而实际生产中此处在结构上设置加强筋,证明分析是可信的。6工作场所疲劳分析6.1材料的s—瞬态分析基本理论材料的疲劳性能可以用作用应力S与到破坏时的寿命N之间的关系描述。表示这种外加应力水平和标准试件疲劳寿命之间关系的曲线,称为材料的S—N曲线。材料的S—N曲线给出了光滑材料在恒幅对称循环应力作用下的裂纹寿命。用一组标准试件(通常为(7~10)件),在给定的应力比R下,施加不同的应力幅Sa,进行疲劳试验,记录相应的寿命N,即可得到S—N曲线,如图7所示。6.2道路系统疲劳寿命分析载荷的获得可以通过实测和仿真分析两种方法来获得。实测法是利用实车辆在道路上行驶从而测得道路载荷-时间历程,仿真分析法是通过虚拟仿真通过多体动力学软件进行道路和车辆系统的模拟仿真,获得载荷—时间历程。在疲劳寿命分析中,需要静态载荷分析结果和载荷谱等参数。文中所采用的载荷是通过ANSYS瞬态响应分析中得到的结果文件(.rst文件),因为在30s的瞬态响应分析中,划分为121个子步,结果文件中就包含121个子步的静态分析结果,这样就避免了计算静态载荷分析和载荷谱的加载。6.3车架对数疲劳分析采用fe-safe疲劳分析软件,直接导入ANSYS结果文件,车架的材料为Q235,设置好相关参数,提交计算,通过ANSYS后处理读取fe-safe计算结果,得出车架对数疲劳损伤云图,如图8所示。车架对数疲劳损伤云图局部放大图,如图9、图10所示。从疲劳分析的仿真结果可以看出,车架最低寿命处也发生在顶棚后立柱与车架的连接处,此处所能行驶的里程数为(1/120)×30×104.953=24040km小于车架设计要求,再次验证了在此处设置加强筋是必要的。而车架的其它部位的寿命都符合车架设计的要求。7悬架的等效性及其疲劳寿命分析以某厂观光车车架为研究对象,把UG数模导入HYPERM-ESH进行了网格划分,在ANSYS中进行了自由模态分析,并详细阐述了导出ADAMS所使用中性文件(MNF文件)的步骤。考虑到路面、轮胎和悬架对车架受力的影响,同时兼顾车架变形对整车运动的影响导致车架受力的变化,在ADAMS中建立以车架为柔性体(导入MNF文件)的刚柔耦合模型,并在D级随机路面上进行仿真,确定了车架柔性体上应力最大的一些热点,得出顶棚后支柱与车架连接处设置加强筋是合理的,同时导出与悬架与车架连接处的载荷谱。利用ANSYS与ADAMS软件之间强大接口把载荷谱导入ANSYS并采用惯性释放法对车架进行瞬