屈磊_基于超单元法的重型汽车车架分析

Altair2014HyperWorks技术大会论文集基于超单元法的重型汽车车架分析AnalysisOfHeavyTruckFrameUsingSuperelementTechnology屈磊1崔云霞1高银峰1(上汽依维柯红岩商用车有限公司技术中心重庆市401122)摘要：重型汽车结构复杂，其离散后有限元模型也较大。本文采用Hyperworks中超单元技术划分车架的有限元模型，并结合DMIG直接矩阵输入法，以有效的降低求解自由度的大小。通过对某牵引车车架进行详细分析，对比了超单元建模方式与常规建模方式的计算结果和计算消耗时间。在大模型计算时，灵活应用超单元法能够在保证计算结果精度的前提下有效的节省计算资源和计算时间，提高分析效率。关键词：重型汽车；超单元；DMIGAbstract:FEAmodelofheavytruckwillbelargerforitscomplicatedstructure.HereFEAmodelofframeisdividedusingsuperelementtechnologyinHyperworks,combinedwiththeDMIGdirectmatrixinputmethodinordertoreducethedegreesoffreedom.Detailedanalysisoftractorframeasanexampleiscarriedon,andtheresultandtimecostbysuperelementmethodandbygeneralwayarecomparedsubsequently.Computeresourceandtimecanbesavedusingsuperelementtechnologyflexibly,withtheassuranceofresultaccuracy,whilecomputinglargemodels.Keywords:Heavytruck;superelements;DMIG1概述本文以某6X2牵引车为分析对象，通过使用超单元法，提取整车分析中应力集中部分的边界条件，对该部件进行详细分析。对比了在相同的计算环境下，不同分析模型的计算时间及计算结果，分析了超单元在重型汽车分析应用中的可行性。2超单元应用超单元可以看作一种子结构，每个超单元的处理都形成一组减缩矩阵（质量、阻尼、刚度、载荷），代表从相连的邻近结构所看到的超单元特性。当所有超单元都被处理之后，这些减缩矩阵被装配到子模型中，并对其进行求解。然后使用与超单元的初始减缩类似的转换过程，对每个超单元扩展到附着点的数据，进行数据恢复。超单元可以由物理数据组成，也可以定义为一组外来矩阵，附加到模型上。超单元的定义流程如下：1.按照一般方法定义单元和节点；2.将各个超单元包含的单元和节点分为不同的组；3.选择不同组创建相应的超单元，同时定义边界节点。超单元在静力学分析中的载荷要求：Altair2014HyperWorks技术大会论文集可以使用一般约束及载荷（如各种力、温度或压力）不能使用强迫运动（比如加速度、速度、强制位移等）否则在分析时会导致结果错误或计算终止。3牵引车车架强度分析牵引车一般为公路用车，使用工况为高速公路和国道。该车型主要针对长途跨省际物流运输市场，行车的速度区间也较高，一般在75km/h～100km/h之间。该车设计列车总质量为55T，设计鞍载质量约17T。考虑用户存在轻微超载情况，该模型假设用户超载质量约为总质量的20%，则超载时，列车总质量为65T，鞍载质量则为21T，由于该车为公路用车，选择工况比较恶劣且具有代表性的满载过凸包工况进行分析，如图1所示，图中凸包的高度约为120mm。图1满载过凸包工况3.1完成基本模型的建模车架采用壳单元，单元尺寸约10mm。铸造件采用二阶四面体单元，单元基本长度为8mm，最小单元长度为2mm。驾驶室、动力总成、电瓶箱、散热器、油箱等附件系统均采用集中质量点，分布在各总成的质心处，通过RB3单元传递力或力矩。钢板弹簧通过等效刚度简化成单片beam梁。车桥使用工字梁或者矩形梁，并调整其质量及惯量等，使其与物理样件保持一致。所有通过螺栓及铆钉连接的零件均采用Rigid-Bar-Rigid连接方式，有限元模型如图2所示。Altair2014HyperWorks技术大会论文集图2牵引车车架有限元模型3.2调整模型及对标调整模型的总质量与物理样车称重质量保持一致，同时调整模型各附件的质心位置，使得计算模型的轴荷与物理样车的轴荷（空载/标载）误差不超过5%，从而确保计算模型的准确度。3.3计算结果该模型在超载20%时，前一轴驶上120mm高的台阶时的计算结果，如图3所示，最大应力集中在一轴后吊耳支架和二轴前吊耳支架处，最大应力超过了510MPa，并在这一段车架纵梁上形成了小区域的应力集中区。因此该段模型需要进行更详细的计算以确定该处的应力是否失真。图3线性整体模型计算结果4超单元在牵引车车架分析中的应用4.1定义超单元确定需要详细计算的子模型，并在超单元模型中将需要详细计算的子模型删除，剩下的模型便是我们需要定义的超单元部分，如图4所示。Altair2014HyperWorks技术大会论文集图4车架的超单元模型计算该超单元模型，并得到该模型的等效刚度矩阵及等效载荷矩阵。将该等效矩阵通过DMIG直接矩阵输入法与子模型进行合并，计算后与整体计算模型的结果进行对比，验证超单元模型定义是否准确，子模型计算结果如图5所示，子模型的应力云图（图5(b)）与整体模型的应力云图（图5(a)红圈所示部分）基本一致。图5(a)整车模型应力云图(b)子模型应力云图4.2细化子模型对子模型进行以下细化。调整网格密度，增加接触、及接触之间的摩擦力，增加螺栓的预紧力，图6细化后的子模型更改子模型算法为非线性算法。细化后的子模型如图6所示。计算结果与整体模型应力云图的比较如Altair2014HyperWorks技术大会论文集图7(a)整体模型结果(b)细化后子模型结果图7所示，图7(a)为整体模型计算结果，图7(b)为细化后的子模型结果。整体模型此处最大应力值为596MPa，细化的子模型此处最大应力值为590MPa。最大应力值及应力位置基本无变化，但应力云图变化较大。图8样车车架失效部位此处也正是该样车车架失效较多的部分，其破坏结果与计算结果吻合度较高，样车车架失效情况如图8所示。5计算耗时对比使用超单元分析有利于缩减计算规模和缩短计算时间，图9为非线性子模型（图9(a)）与非线性整体模型（图9(b)）计算时的硬件和时间的消耗情况，表3为不同模型及算法的计算时间的对比。Altair2014HyperWorks技术大会论文集图9(a)非线性子模型计算时间及硬件需求(b)非线性整体模型计算时间及硬件需求表3计算时间对比线性模型非线性模型整体模型120秒12小时子模型90秒+13秒90秒+210秒注：整体模型在进行非线性计算时，子模型区域的网格尺寸、接触区域、螺栓预载荷模型等均与子模型一致。其中90秒为超单元求解时长。从表中可以看出，运用超单元方法对需要详细计算的部分进行细化，或者由线性算法变成非线性算法，不仅有效的提升了计算效率，而且能让有限元模型更加符合实际情况。超单元方法在对车架的局部优化及局部模型的详细计算等方面有着不可取代的优势。6结论本文利用超单元方法对某牵引车模型进行了详细计算，对比了不同的分析模型所需要的计算资源与消耗时间。研究结果表明，利用超单元方法对大模型进行子结构的详细分析，有利于节省计算资源，缩短计算时长，能大大提高对现有计算资源的利用效率。7参考文献[1]AltairEngineering.”HyperworksHelp”[2]刘巨，等.用子结构模态综合法求解光学反射镜组件结构动响应[J]光学技术，2005，31(3):338-343.[3]马洪亮贾海涛等，超单元应用中的关键问题研究计算机仿真，2009，26（5）：48-51[4]欧贺国，等.RADIOSS理论基础与工程应用机械工业出版社2013.3