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汽車制動管路設(shè)計仿真與驗證
2019-04-12 19:49:28· 來源：Simcenter 3D Online
汽車制動管路設(shè)計與仿真面臨的問題隨著汽車的快速發(fā)展以及客戶對整車品質(zhì)要求的逐漸提高，制動系統(tǒng)柔性管路關(guān)鍵件設(shè)計的可靠性更加重要?，F(xiàn)在正在研發(fā)的很多車型
汽車制動管路設(shè)計與仿真面臨的問題
隨著汽車的快速發(fā)展以及客戶對整車品質(zhì)要求的逐漸提高，制動系統(tǒng)柔性管路關(guān)鍵件設(shè)計的可靠性更加重要?，F(xiàn)在正在研發(fā)的很多車型在開發(fā)過程中大都存在管線路干涉問題，在后期解決干涉問題過程中投入了大量的人力物力。為了在設(shè)計研發(fā)前期就能充分的識別出柔性管路干涉風(fēng)險，暴露問題進(jìn)而整改問題，只能通過柔性管路仿真軟件進(jìn)行管路設(shè)計、運動仿真分析才能達(dá)到上述效果。柔性管路運動仿真是能夠在設(shè)計階段充分識別柔性管路問題及風(fēng)險的極其重要的有效手段。
因為管路問題的復(fù)雜性，涉及非線性效應(yīng)（大位移、大旋轉(zhuǎn)）和過程中可能產(chǎn)生的屈曲和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，傳統(tǒng)的管路設(shè)計方法，由于無法知道管路在運動過程中的實時位置和狀態(tài)，而多采用試錯的方法，即反復(fù)試驗不斷修正。這導(dǎo)致管路設(shè)計周期很漫長，而且不斷交互試驗也產(chǎn)生很多額外成本。
為縮短開發(fā)周期，提高管路設(shè)計可靠性，管路設(shè)計工程師亟須一款軟件能夠根據(jù)各種工況輸入，對所有管路進(jìn)行動態(tài)分析模擬：檢查柔性管路曲率，以保證其不小于可接受的最小值；檢查管路安裝及運動過程中可能存在的干涉；優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量和管路長度以降低成本；
基本計算方法介紹
管路靜力分析是計算在固定不變的載荷和約束的作用下管路最終成型和管路的曲率輸出，靜力分析是用來計算管路在固定不變載荷作用下的響應(yīng)，如位移、應(yīng)力、應(yīng)變等，可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），靜力分析包含線性靜力分析和非線性靜力分析。
靜力學(xué)方程：K q = g
其中K為剛度矩陣，q為位移矩陣，F(xiàn)為載荷矩陣，所有輸入?yún)?shù)都會體現(xiàn)在這三個矩陣中，和載荷相關(guān)的如重力、集中力、等效加速度等，最終生成相應(yīng)的載荷矩陣，管路的廚師位置、約束等會反應(yīng)到位移矩陣中，而總體剛度矩陣相對比較復(fù)雜，影響因素包含：管徑、壁厚、彈性模量、走向、約束，以及約束點的剛度都有關(guān)系。在Tea pipe中我們首先要建立幾何模型，然后輸入材料屬性，對于軟管材料的非線性需要充分考慮，一種近似的非線性救求解是將載荷分成一系列的載荷增量?？梢栽趲讉€載荷步內(nèi)或者在一個載荷步的幾個子步內(nèi)施加載荷增量。在每一個增量的求解完成后，繼續(xù)進(jìn)行下一個載荷增量之前程序調(diào)整剛度矩陣以反映結(jié)構(gòu)剛度的非線性變化，使用平衡迭代使在每一個載荷增量的末端解達(dá)到平衡收斂（在某個容限范圍內(nèi)）在每次求解前，NR 方法估算出殘差矢量，這個矢量是回復(fù)力（對應(yīng)于單元應(yīng)力的載荷）和所加載荷的差值。程序然后使用非平衡載荷進(jìn)行線性求解，且核查收斂性。如果不滿足收斂準(zhǔn)則，重新估算非平衡載荷，修改剛度矩陣，獲得新解。持續(xù)這種迭代過程直到問題收斂。對于管路成型中的每一個工況都可以輸出對應(yīng)載荷約束下的形變即管路形狀，Simcenter flexible pipe將整個有限元分析過程全部做成智能盒子，用戶只需輸入?yún)?shù)，模型即可自動建立，有限元網(wǎng)格只需要選擇一維或二維軟件自動劃分，計算求解模塊中默認(rèn)的收斂準(zhǔn)則會根據(jù)客戶定義的管路智能排序，自動求解。因為管路問題的復(fù)雜性，涉及非線性效應(yīng)（大位移、大旋轉(zhuǎn)）和過程中可能產(chǎn)生的屈曲和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，傳統(tǒng)的管路設(shè)計方法，由于無法知道管路在運動過程中的實時位置和狀態(tài)，而多采用試錯的方法，即反復(fù)試驗不斷修正。這導(dǎo)致管路設(shè)計周期很漫長，而且不斷交互試驗也產(chǎn)生很多額外成本。采用有限元分析方法可以很好的節(jié)約設(shè)計成本?？梢詫崿F(xiàn)依據(jù)管路特性參數(shù)，接頭、支撐結(jié)構(gòu)等參數(shù)計算管路最終成形形狀，計算模擬真實的安裝過程，始于直管先與一接頭連接，然后根據(jù)另一接頭、支撐結(jié)構(gòu)、彈簧、加強(qiáng)材料等的位置和方向逐步進(jìn)行管路成形計算。
設(shè)計仿真一體化平臺
Simcenter flexible pipe是一款管路分析和優(yōu)化專業(yè)解決方案軟件，能夠提供管路分析與管路優(yōu)化兩種功能，其強(qiáng)大的功能可全面滿足管路設(shè)計工程師的需要。在Simcenter flexible pipe管路定義界面完成管路長度、材料特性、溫度、接頭、支撐結(jié)構(gòu)等附屬裝置的類型、位置、方向等管路要素的定義，從而最真實的實現(xiàn)管路模擬
管路分析：設(shè)計者定義管路參數(shù)（長度、直徑、壁厚、材料、接頭、護(hù)簧、橡膠護(hù)套、支撐等）并且將管路通過運動副連接到整車上，即可進(jìn)行管路的動態(tài)分析，得到管路的變形情況和實時運動情況、曲率、應(yīng)力、碰撞和距離信息。
管路優(yōu)化：設(shè)計者定義設(shè)計變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)（如長度最小化或安全系數(shù)最大化），來實現(xiàn)管路優(yōu)化分析，軟件自動找到管路最佳設(shè)計方案。
Simcenter flexible pipe BEAM采用非線性BEAM單元來模擬不同類型的柔性管路，如制動管、轉(zhuǎn)向管、燃油管、線束等。
Simcenter flexible pipe 強(qiáng)大的非線性管路分析包含管路安裝準(zhǔn)靜態(tài)分析、運動學(xué)分析、模態(tài)及動態(tài)響應(yīng)分析等。強(qiáng)大的管路優(yōu)化功能，可進(jìn)行包含管路接頭、支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量、位置及方向優(yōu)化以及管路長度優(yōu)化等，幫助設(shè)計者獲得最佳管路設(shè)計方案。
Simcenter flexible pipe管路定義界面完成管路長度、材料特性、溫度、接頭、支撐結(jié)構(gòu)等附屬裝置的類型、位置、方向等管路要素的定義，從而最真實的實現(xiàn)管路模擬中不僅包含多種不同類型的支撐結(jié)構(gòu)可供選擇，同時還考慮接頭及支撐結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)以及管路本身的軸向和扭轉(zhuǎn)耦合效應(yīng)等。同時液體重力及內(nèi)壓對管路產(chǎn)生的影響也會予以考慮。
為考慮管路的動態(tài)運動，真實的實現(xiàn)管路模擬還可以施加相應(yīng)的運動副到管路接頭、支撐結(jié)構(gòu)及車身連接部件，以實現(xiàn)管路與車身的連帶運動，從而實現(xiàn)管路的實時運動模擬。
Simcenter flexible pipe采用非線性BEAM單元來模擬不同類型的柔性管路。TEA Pipe Beam提供了兩種功能：
a.管路設(shè)計分析：
用戶定義管路參數(shù)（長度、直徑、材料、接頭、支撐結(jié)構(gòu)等附屬裝置等），并且將管路通過運動副連接到整車上，即可進(jìn)行分析，得到管路的變形情況和實時運動情況、曲率、應(yīng)力、碰撞和距離信息等。
b.管路優(yōu)化：
用戶可以定義設(shè)計變量、約束條件及目標(biāo)函數(shù)（如長度最小化或安全系數(shù)最大化等），來實現(xiàn)管路參數(shù)化優(yōu)化分析，找到管路設(shè)計的最佳解決方案。
此案例采用tea pipe對制動軟管進(jìn)行創(chuàng)建、模擬、仿真，如圖1所示為實車狀態(tài)掃描云圖與軟件仿真結(jié)果對比。
圖 1左前制動軟管校核
由此可以看出Simcenter flexible pipe可以實現(xiàn)制動軟管的創(chuàng)建、模擬、仿真，應(yīng)用軟件自帶material模擬出來的管路較應(yīng)用CATIA設(shè)計出的管路更準(zhǔn)確些。
拉線管路應(yīng)用
此案例采用Simcenter flexible pipe對拉線管路進(jìn)行創(chuàng)建、模擬、仿真。在軟件里定義拉線的相應(yīng)尺寸，與制動軟管不同，拉線管路需要定義兩個管路以及拉線位移與內(nèi)外管的摩擦系數(shù)進(jìn)行分析。
圖 2拉線仿真
Simcenter flexible pipe可以快速定義及創(chuàng)建制動拉線幾何數(shù)據(jù)，并可以實現(xiàn)運動仿真動態(tài)間隙偵測。
輪速傳感器仿真應(yīng)用
圖 3輪速傳感器模型
Simcenter flexible pipe可快速定義及創(chuàng)建輪速傳感器線束幾何數(shù)據(jù)，并可以實現(xiàn)運動仿真動態(tài)間隙偵測。
仿真結(jié)果與試驗對比
某車型管路仿真方案制定及驗證：
圖 4仿真與實車掃描狀態(tài)數(shù)據(jù)對比
圖 5仿真與實車掃描狀態(tài)數(shù)據(jù)對比
實際問題解決
某車型前制動軟管：兩前輪制動軟管短（余量不足），轉(zhuǎn)向輪在最大轉(zhuǎn)角時，油管過度拉伸，容易老化破損，存在制動失效的安全隱患。
存在問題的管路 改善后的管路
結(jié)論：通過實際項目的對比仿真分析，應(yīng)用 Simcenter flexible pipe可以快速的實現(xiàn)柔性管路的運動仿真，仿真結(jié)果精度滿足需求。
結(jié)論
本文詳細(xì)地分析了Simcenter flexible pipe在管路設(shè)計仿真中的應(yīng)用，通過對比，可以發(fā)現(xiàn)，無論是臺架測量結(jié)果還是實車測量結(jié)果，采用Simcenter flexible pipe 設(shè)計的制動軟管仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)差異較小，可以很好的指導(dǎo)設(shè)計開發(fā)，減短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。
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