车架优化

2-2010

计算分析改进设计 SAE 框架结构 Nagurbabu Noorbhasha 内华达大学拉斯维加斯

请遵循以下操作和其他工作： http://digitalscholarship.unlv.edu/thesesdissertations 机械工程共同性的一部分

资料库引文 Noorbhasha, Nagurbabu, “一个 SAE 下框架结构改进设计的计算分析 (2010) Capstones。736. http://digitalscholarship.unlv.edu/thesesdissertations/736

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框架结构

的

Nagurbabu Noorbhasha

机械工程技术学士 尼赫鲁科技大学， 印度 2003年4月

部分履行要求提交的论文

机械工程硕士 机械工程系 休斯工程学院

研究生学院 内华达大学， 2012年12月拉斯维加斯

版权所有 Nagurbabu Noorbhasha 2011 保留所有权

研究生学院

我们建议由Nagurbabu Noorbhasha在我们的监督下编写的论文 题为

计算分析改进下架结构设计

被接受部分履行要求的程度

机械工程理学硕士

Toole, 委员会主席

穆罕默德帕勒莫， 委员会成员

雷诺道格拉斯， 委员会成员

Aly M 说, 研究生教师代表

罗纳德. 史密斯博士， 研究生研究副总裁， 研究生院院长

2010年12月

抽象

计算分析改进设计 框架结构

的

Nagurbabu Noorbhasha

Dr. Toole, 考试委员会主席 机械工程系副教授 内华达大学拉斯维加斯分校

巴哈 SAE 是校际竞争设计， 制造, 和种族一样小， 单乘客， 越野车辆由10马力布里格斯组成 & 斯特拉顿4冲程汽油发动机动力。所有的巴哈 SAE 车辆的竞争是由小型发动机组成的， 因此, 大多数车辆的性能取决于车辆的加速度和机动性， 这是比例和底盘 rollcage 的重量。由于重量对提高车辆性能至关重要， 必须在 rollcage 在强度和重量之间找到平衡， 确保驾驶员的安全。 本研究的目的是基础 SAE 指导原则， 优化辊笼设计， 并进行有限元分析验证设计。基于竞争规则的初步设计 rollcage, 并利用 CAD 生成3D模型。研究应力和变形对框架构件的影响， 采用有限元法对 rollcage 对不同加载条件下的线性静态冲击进行了分析。本研究的静态分析主要是为了获得 rollcage 最佳网格尺寸的结构。修改现有设计， 基于应用负载的最佳网格尺寸分析结果。该设计被认为是安全的, 如果产生的辊笼冯米塞斯应力低于屈服强度的材料和挠度成员， 安全驱动程序。本研究还提出了实现辊笼优化设计的不同方法。有限元分析新设计 进行验证。

动态分析汽车底盘， 以审查底盘车架的结构刚度。整车建模了车辆的等效质量分布。初始速度为6.7 米/秒 (15 英里/秒) 归因于整个车辆模型， 影响固定刚性墙研究， 动态应力, 能量, 框架成员在最坏情况下加载反应力和加速度。本研究还讨论了降低底盘加速度的不同方法， 确保司机的安全。

确认

我衷心感谢我的导师 Dr. Toole 相信我在这个项目中的工作能力。他宝贵的指导， 建议, 思想贯穿整个研究过程是无价之宝。与他合作是一次非常有益和令人满意的经历。我也要感谢内华达拉斯维加斯大学机械工程系， 为我提供攻读硕士学位的机会。 我要感谢 Dr. 帕勒莫, Dr. 雷诺和 Dr. Aly 审查招股说明书， 作为委员会成员参加答辩和咨询的论文。 最后但不是最不重要的， 我要感谢我的父母， 家人和朋友， 和别人， 以上没提， 但帮助我在某种程度上完成我的论文学位。我想藉此机会向那些曾帮助我把这篇论文以他们的知识、帮助和合作成功结束的人表示谢意。

目录

… iii

确认… v

数据清单…viii

表格列表…。ix

1 章介绍…。1

1.1 背景…1 1.2 SAE 下一帧设计目标…2 1.3 正冲击试验…。6 1.4 研究的目标…。10 2 章有限元分析…12

2.1 预处理器 HyperMesh…12 2.2 规划 OptiStruct …。14 2.3 规划求解…。16 2.4 后处理器 HyperView…17 3 线性静态正面影响分析…。20

3.1 设计方法…。20 3.2 开发初步设计…。23 3.2.1 设计指南…。24 3.2.2…25 3.2.3 适当的操作空间…25 3.3 几何发展…26 3.4 材料选择…30 3.5 线性静态正面影响分析…。33 3.5.1 加载/边界条件…34 4 章结果 & 讨论静态分析…。37

4.1 网格独立…。37 4.2 加强机制…。49 4.2.1 框架提供角的关键节点…50 4.2.2 尺寸对应力集中的影响…51 4.3 框架的承载能力…56 4.4 设计修改…59 5 章动态正面冲击分析…。62

5.1 动态分析…。62 5.2 动态分析设计方法…64 5.3 几何发展…65 5.4 材料…66 5.4.1 MAT_PLASTIC_KINEMATIC …。67 5.5 接触面…67 5.5.1 CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE…68 5.6 刚性壁…。69 5.6.1 RIGIDWALL_PLANAR …。69 5.7 装载和边界条件…69 5.7.1 INITIAL_VELOCITY_NODE …。70 5.8 讨论积极影响分析结果： …。71 6 章节总结、结论和今后的工作…。78

6.1 研究总结和结论…78 6.2 未来的工作…81 参考)…。82

附录 A …。85

附录 B 示例 LS 程序…96

…99

数字列表

图1.1 全宽度和正偏移碰撞试验…。7 图3.1 设计过程通用图解流程图…。22 图 3.2 rollcage 框架专业/工程师模型…。27 图 3.3 rollcage 框架构件的 HyperMesh 模型…。28 图 3.4 rollcage 放大模型视图…。29 图 3.5 2D 元素质量报告…。30 图4.1 各种网格尺寸的网格配置…。40 图4.2 最大的冯米塞斯应力位置用于各种网格大小 …42 图4.3 最大米塞斯应力网格独立性研究图 …44 图4.4 最大位移的网格独立学习图…。44 图4.5 点选地点…。45 图4.6 在选定位置的应力的网格独立研究图 …46 图4.7 选定位移的网格独立性研究图 …。47 图4.8 在框架节点提供角…。51 图4.9 节点尺寸对帧的最大应力的影响 …55 图4.10 节点尺寸对最大值的影响。frame55 的位移 图4.11 冲击载荷对最大应力的影响…。58 图4.12 冲击载荷对最大位移的影响…。58 图4.13 机箱架/rollcage 的新设计…。60 图4.14 在帧中的 31138 N 的应力分布 对…。60 图4.15 在 31138 N 冲击载荷框架内的位移…。61 图5.1 底盘/Rollcage 多体动力分析模型…。66 Figure5.2 rollcage 结构速度剖面…。72 图 5.3 rollcage 刚性壁力结构的历史剖面 的影响…。73 图5.4 框架构件在不同阶段的变形 影响…。75 图5.5 能量图形的冲击载荷…。75 图5.6 在冲击过程中加速剖面…。76

表列表

表3.1 框架的材料性能…。33 表4.1 最大应力和位移对网格尺寸的影响…。41 表4.2 在影响加载后定位置 米塞斯应力 …46 表4.3 撞击后所选位置的框架位移 …47 表4.4 计算时间的网格大小 & 内存的影响…。48 表4.5 节点大小对最大值的影响。框架的应力 …53 表4.6 节点尺寸对最大值的影响。框架位移。 表4.7 冲击载荷对米塞斯应力和位移的影响。 表 5.1 LS-动力材料模型…。67

1章导言

1.1 背景

汽车工程师协会校际 (sae) 本科生和研究生工程工程设计竞赛。竞争的目标是模拟现实世界中的工程设计项目及其相关挑战。一群学生 (SAE 巴哈团队) 10马力布里格斯和斯特拉顿汽油发动机必须设计、制造和竞争野车辆。根据这些车辆的判断, 典型的能力是爬山, 负重拉, 岩石爬行, 加速度, 机动性和陆地以及水的耐力。 所有 SAE 批准的巴哈车辆需要使用10马力四冲程发动机。发动机不能以任何方式提高, 以确保整体车辆设计的统一比较。因此, 汽车性能的很大一部分取决于驱动的列车和车辆的机动性。通过提高列车的传动效率, 使车辆加速, 达到较高的最高速度。汽车性能的另一个贡献因素是加速度和机动性。汽车总重量包括驾驶员重量对性能有显著影响。总的来说, 由于发动机的容量是固定的, 轻型车应该表现得更好。 驾驶员安全是汽车设计中的一个重要问题。机箱的 rollcage 部分是驱动程序的主要保护。为了确保驾驶员安全, rollcage 必须具有结构刚性。由于重量在小型发动机驱动的车辆中至关重要, 因此必须在车辆的强度和重量之间找到平衡。因而底盘设计变得非常重要在车表现。 1.2 SAE 下架设计目标

SAE 下架的设计受到竞争组织者制定的安全规则的严重影响。这些规则每年更新, 以解决新的安全问题。本报告中讨论的框架设计符合2009下 SAE 规则 [1]。这些规则以两种方式定义框架设计。首先, 规定了对最小框架截面抗弯强度的具体要求。这种弯曲强度可以通过任何材料和截面几何的组合来实现。更小的成员可以使用与更强的材料。它们还定义了框架几何的具体要求, 例如最大长度、宽度和高度以及驱动程序和框架成员之间的最小间隙。在做出有关材料选择、设计几何和对设计的任何附加修改的决策时, 会参考这些要求。在设计阶段结束前, 对不同类型的机箱设计和规则进行了全面的回顾 [2、3、4]。这一审查不仅包括该指南的文字, 而且还讨论了意向。在任何一种规则的明确性或含义有疑问的情况下, 与 SAE 规则委员会联系以确保遵守。 在设计过程中, 使用了以下功能和设计要求作为指南。功能上, 车应该 [5]:

1. 允许方便的驱动程序进出

2. 赏心悦目

3. 坚固耐用、可靠且易于维护

4. 能够跨粗糙的地形进行操作

5. 成本少于2500美元

6. 维护安全作为主要考虑因素

设计的范围包括 [5]:

1. 一个四轮车辆与一个适当的支撑辊笼, 满足或超过 SAE 迷你巴哈竞争的所有要求

2. 优化整车的强度/重量比以提高性能

3. 一种框架, 其结构为至少含碳量为0.18% 的钢管, 外径为0.0254 米 (1.0), 壁厚为0.0021 米 (0.083), 或具有等效强度和弯曲模量的材料.

4. 一个框架, 旨在将连续长度的油管在可能的情况下, 以减少焊接和提高强度.

5. 考虑所有部件的可靠性和安全性, 包括框架、悬挂、驱动系统、制动器和转向 这辆车是设计和生产的半熟练劳动力在一个相对较高的产量, 根据概念, 引进一个新的产品的消费工业市场从一个虚构的公司。该团队使用学习过的工程实践来设计、构建、测试和竞赛这辆车与其他学生团队, 在一系列的竞争项目, 奖励团队良好的工程和机械实践。大学 SAE 下底盘/rollcage 的设计, 以最大限度的强度和耐用性, 同时最小重量和保留可制造性 [6]。在竞争中, 大学 SAE 的团队相对于大多数学校来说是比较缺乏经验的。该小组选择了最便宜的钢管材料, 并选择了直径和壁厚, 以满足规则中规定的最低强度要求。这导致了相对地微弱的材料和大管材维度比许多竞争者。框架的初始布局是根据团队成员的最佳判断和最高/最大驱动程序的尺寸选择的。当团队成员了解框架规则时, 添加了其他成员。3年期间的最终结果是符合规则中指定的设计要求但不是最佳的框架。它没有优化, 因为团队没有资金购买高强度钢, 他们没有在他们的设计/制造阶段开始的分析能力。ameter 和壁厚满足迷你 为了最大限度地优化平衡强度, 重量, 耐久性和可制造性, 使用计算机辅助设计 (CAD) 建模和有限元分析技术是非常有用的, 除了传统的分析。它包括 SAE、材料选择、结构分析和设计修改所要求的设计约束。它将最终覆盖实际的现实世界使用的框架设计的结果。 框架配置设计为在可能的情况下将连续管长度合并在一起。这有助于保持框架尽可能强大, 提高了材料的使用效率, 减少了焊接所需的数量和缩短了制造时间。 框架构造了以以下重要特征 [5]:

6. 防火墙滚箍从垂直的角度向后倾斜, 以节约空间.

7. 滚动保持架加宽前面到后面增加乘客

辅助.

3. 油管接头布置优化, 以提高辊笼的强度.
4. 在可能的情况下利用油管的连续截面, 通过弯曲油管而不是焊接边角来提高车架的可制造性.
5. 可调节座椅, 以适应团队中驱动程序的高度差异 1.3 正面冲击测试

研究表明, 大多数汽车死亡或死亡发生的原因是头部或正面的崩溃。为了减少与交通有关的伤亡, 所有车辆必须通过正面碰撞试验。在正面撞击或碰撞试验中, 车辆在特定的速度下迎头撞上刚性混凝土屏障。联邦法律要求所有客车通过13.4 米/秒 (30 英里/秒) 正面碰撞测试, 而 NCAP 测试包括碰撞一个固定的障碍在15.64 米/秒 (35 哩/秒) [7]。仪器拟人假人被安置在司机和乘客位子为测试。在碰撞过程中, 加速度计也被放置在车辆上以记录结构的响应。这些测试是为了测量乘员在碰撞中的头部受保护的程度。在测试中, 仪器的假人被放置在全束的位置, 以测量冲击力的胸部, 头部和腿部。该测试程序只处理耐撞, 并表明汽车如何能保护其乘员在正面碰撞。 有两种类型的固定屏障测试, 以测量车辆的耐撞性差异 [8]。它们是全宽刚性屏障正面碰撞试验和抵消刚性屏障正面撞击试验。

图1.1 全宽度和正面偏移碰撞试验 [8]

固定刚性屏障碰撞可以代表严重的汽车撞击。这项测试是在汽车上进行的, 以获得有关减少乘员伤害和评估结构完整性的价值信息。屏障装置可以是几乎任何配置, 如平, 圆, 抵消等。这一标准测试方法的主要目的是提供对车辆和乘员在与固定物体碰撞时的作用力的逼真模拟。对结构荷载和挠度的测量、乘员动力学的测定以及有关特殊事件的摄影和后观测, 可能有助于确定设计标准。 全宽度和偏移测试相互补充。将车辆的全部宽度撞成刚性屏障, 可以最大限度地吸收能量, 使乘员舱或安全笼的完整性能够在所有但非常高速的碰撞中保持完好。全宽 rigidbarrier 测试产生高乘员舱减速, 所以他们特别要求约束系统。在偏移测试中, 只有车辆前端的一侧, 而不是整个宽度, 会撞上障碍物, 以便结构的较小区域必须管理碰撞能量。这意味着在被击中的一侧的前端粉碎超过了全角测试, 而且侵入乘员舱的可能性更大。底线是, 全角测试是特别苛刻的约束, 但对结构的要求更低, 而反过来是正确的偏移。

在额距碰撞试验中评估的三因素-结构性能、损伤措施和约束/虚拟运动学-确定每辆车的总体正面偏移抗撞性评估。

a. 结构/安全保持架: 结构性能基于测量, 表明在偏移测试期间侵入乘员舱的数量和模式。这一评估表明, front-end 粉碎区如何管理的碰撞能量, 以及如何良好的安全笼限制侵入驱动空间。通过比较这9点的 precrash 和 postcrash 位置, 在驾驶员座位区的9地方进行入侵测量。(方向盘入侵分为向上和向后的组成部分, 以获得共10测量。更大的入侵数字表明安全笼的倒塌。

b. 伤害措施: 从驾驶员座椅上的第五十个百分位男性杂交假体中获得的伤害措施, 用于确定驾驶员对不同身体区域造成持续伤害的可能性。从头部、颈部、胸部、腿部和脚部记录的测量结果表明, 该部位的应力/应变水平。因此, 更多的数字意味着更大的压力/应变和更大的伤害风险。 c. 限制/虚拟运动学 (运动): 严重的伤害风险可能是由于不希望的假运动学造成的-例如, 从乘员的部分弹射 compartment-in 没有高伤害措施。这方面的性能涉及如何安全带, 安全气囊, 转向柱, 头部限制, 和其他方面的约束系统相互作用, 以控制假动作。

有不同的规则和测试程序来评估乘用车的测试结果。虽然没有一套明确的规则来估计越野车辆的耐撞性, 但根据现有的规则和程序对测试方法进行评估。 1.4 研究的目标

本研究的目的是为中巴哈汽车的分析制定指导方针。针对几种最坏的情况, 对当前大学下架进行了广泛的分析。考虑到改进的强度和安全性的框架的修改。这项工作的分析建议应提供指导方针, 使下一大学团队能够设计出更优化的车架。 具体目标是:

a) 根据 SAE [1] 提供的规范开发初步设计, 满足上述要求并在专业/工程师野火4.0 中生成 rollcage 模型. b) 执行线性静态分析, 通过有限元技术模拟从正面影响的负载。对 rollcage 结构不同加载条件下的应力和位移进行了分析。该设计的目的是安全因素不少于1.25。线性静态结构分析包括: i. 网格独立 (2)。确定安全装货条件 iii.。节点设计 iv. 的效果其他设计修改 c) 使用 LS 动态来执行对正面撞击碰撞载荷的多体动力学分析, 以确定在框架结构的撞击和反作用力作用下的加速度响应、能量耗散.

2章有限元分析

有限元分析是一种强大的设计工具, 大大提高了工程设计的标准和设计过程的方法论。有限元分析的引入, 使产品从概念到生产线的时间大大缩短。它主要是通过改进的初步原型设计, 使用有限元, 测试和开发已经加快。总之, 有限元分析的好处包括提高精确度、增强设计和更好地洞察关键设计参数、虚拟原型、更少的硬件原型、更快、更便宜的设计周期、提高生产率和增加收入.本部分包括了本研究中使用的有限元分析工具, 并简要介绍了每个 工具.

2.1 预处理器牛郎 HyperMesh

HyperMesh 是一个高性能的有限元预处理器 [9], 它适用于许多有限元求解器。它允许工程师在高度互动和视觉环境中分析产品设计性能。HyperMesh 的用户界面易于学习, 并且支持许多 CAD 几何和有限元模型文件格式, 从而提高了互操作性和效率。HyperMesh 中的高级功能允许用户在高度复杂的模型中高效地操作几何和网格。这些功能包括广泛的啮合和模型控制, 变形技术, 以更新现有的网格, 以新的设计方案和自动 mid-surface 生成的复杂设计, 具有不同的壁厚。通过减少交互式建模时间, 实体几何增强了四网格和六的啮合, 而间歇啮合使零件的大尺度啮合不受人工清理和最小用户输入。 HyperMesh 提供了直接访问各种行业领先的 CAD 数据格式, 以生成有限元模型。此外, HyperMesh 还有工具来清理包含有间隙、重叠和错位的表面的进口几何, 以防止高质量的网格生成。通过消除错位和孔, 并抑制相邻曲面之间的边界, 用户可以跨越较大的, 更合理的模型区域, 同时提高整体的啮合速度和质量。边界条件可应用于这些曲面, 以便将来映射到基础未来数据。 HyperMesh 为用户提供了一套高级易用的工具来构建和编辑 CAE 模型。对于2D 和3D 模型的创建, 用户可以访问各种网格生成, 以及 HyperMesh 的强大的自动啮合模块。自动 mid-surface 生成 全面的层压建模师和变形提供了新的模型操作水平。HyperMesh 中的曲面 auto-meshing 模块是一种网格生成工具, 它为用户提供了交互式调整每个曲面或曲面边缘的各种网格参数的能力。这些参数包括元素密度、元素偏置和网格算法。可以为一组用户定义的质量标准自动优化元素生成。用户还可以在 HyperMesh 中使用交互式的、过程驱动的工具进行简单的模型设置, 包括使用连接器进行模型组装、创建复杂的联系人定义、应用边界条件和规划求解甲板准备。 HyperMesh 支持一大堆不同的规划求解格式, 用于导入和导出。除了完全支持的解决方法之外, HyperMesh 还通过完整的导出模板语言和用于开发输入翻译器的库, 提供了支持其他解决程序的灵活性。虽然 HyperMesh 支持不同的求解者, 但在目前的应用中, OptiStruct 和 LS 动力学求解分别用于静态分析和动态分析来解决当前的问题。 2.2 规划求解 OptiStruct

OptiStruct 是一个高度先进的有限基于软件的结构分析和设计优化。OptiStruct 用于设计、评估和改善机械结构的性能。OptiStruct 的设计模块采用拓扑优化的方法来生成创新的概念设计方案。在开发过程的初始阶段, 用户输入包空间信息、设计目标和制造过程参数。OptiStruct 生成针对给定设计目标而优化的设计方案。 OptiStruct 的分析模块使用最新的元素配方和快速, 稳健的稀疏矩阵求解线性静态, 频率, 屈曲或简单的接触问题。OptiStruct 以其大量的解决方案、材料模型和元素类型, 对结构分析进行分析, 并产生可靠和准确的结果 在现有产品组件上应用形状优化。OptiStruct 的 free-shape 优化可用于降低高压浓度。OptiStruct 也可以使用 HyperMesh 的变形 用于优化有限元网格的技术。因此, 戏剧性的形状变化是可能的, 没有网格失真。OptiStruct 可以很容易地提出设计修改, 而不需要底层 CAD 数据, 使用最少的用户交互。 OptiStruct 与 HyperWorks 环境紧密结合。因此, 模型可以完全建立在 HyperMesh。可以使用 HyperView 中的后处理工具生成动画、等高线图形和图表。OptiStruct 使用 NASTRAN 语法来确保封闭模拟过程链。此外, 通过使用 HyperWorks 中可用的强大的自动化和数据管理层, 可以轻松地实现工作自动化。 2.3 规划求解 LS 动态

LS 动态是一种用于分析三维结构的非线性动力响应的通用显式和隐式有限元程序 [10]。它的全自动接触分析能力和错误检查功能使全世界的用户能够成功地解决许多复杂的崩溃和形成问题。LS 动态是一个主要的软件的研究汽车崩溃, 并有许多默认的输入参数为碰撞模拟定制。对于碰撞仿真, 由于利用隐式积分方法, 采用了显式时间积分法。在显式积分法中, 该解是在不计算刚度矩阵的情况下进行的, 从而大大缩短了仿真时间。由于这些节省, 复杂的几何形状和大变形可以模拟。LS 动态支持一个非常广泛的材料模型库。超过100金属和非金属材料模型能够模拟弹性, 弹塑性, 弹粘塑性, Blatzko 橡胶, 泡沫, 玻璃和复合材料。 LS 动态支持完全自动化的接触分析, 这是简单易用, 稳健, 并已验证。用约束和惩罚的方法来模拟接触条件。这些方法已被证明在全面的汽车耐撞研究, 系统/成分分析和乘员安全研究中尤其奏效。LS 动态支持超过二十五接触配方, 以处理接触之间的变形对象和刚性体。 2.4 后处理器牛郎 HyperView

HyperView 是一个完整的后处理和可视化环境的有限元分析, 多体系统仿真, 数字视频和工程数据。HyperView 结合先进的动画和 XY 绘图功能与窗口 同步以增强结果可视化。惊人的快速3D 图形和无与伦比的功能设置了一个新的速度和集成的 CAE 结果后处理标准。HyperView 通过直接读取器支持许多流行的 CAE 规划器格式, 提供灵活且一致的高性能后处理环境。 HyperView 的动画客户端提供了一整套交互式后处理功能, 大大提高了结果可视性。HyperView 还支持一个先进的工具集模型查询和结果比较的单一和覆盖的模型。 HyperView 中的视频客户端介绍了读取数字视频文件的独特能力, 并将其与 CAE 动画和 XY 绘图信息进行同步, 以增强仿真后处理和关联性。视频客户端直接读取和写入大多数标准的电影文件格式, 包括 AVI、BMP、JPEG、PNG 和 TIFF。HyperView 支持以下内容: i. 多体动力学动画与 flex 体 (2)。复杂的动画和复杂的应力计算 iii。变形的动画 iv。线性动画 五. 瞬态动画

HyperView 的绘图客户端是一个强大的数据分析和绘图工具与接口的广泛的数据文件格式数组。工程师可以生成、编辑和操作2D 曲线和3D 图形 (如瀑布、曲面和3D 线图) 一个简单的点, 单击 “环境” 可方便地访问曲线表达式、轴标签和图例、绘制页眉和页脚。此外, 还可以使用模板、内置文本和数字处理器, 用高级注释对绘图进行注释。一个复杂的数学引擎能够处理甚至最复杂的数学表达式。 发布会话导出功能允许用户将报告输出到 HTML 或活动 HyperView 会话的电源点 XML。用户可以指定要写出哪些页面, 以及指定导出的每个窗口的格式。 HyperView 通过直接读取器支持许多流行的 CAE 规划器格式, 提供灵活且一致的高性能后处理环境。可以通过用户定义的结果转换器来支持其他规划求解格式, 将结果转化为 H3D 压缩二进制格式。通过扩大支持其他商业和专有的规划求解格式的能力, 此功能进一步增加了 HyperView 的价值主张。

3章线性静态正面影响分析

3.1 设计方法学

本节的目的是提供一个基本知识的方法, 用于分析的 SAE 巴哈框架成员。图3.1 显示了设计优化过程中所涉及的主要步骤的通用说明。

1. 考虑到目标、功能、设计考虑和 SAE 的规则, 开发了框架结构的初步设计.

2. 一旦设计完成, 将使用专业/工程师野火4.0 与初步设计一起创建 CAD 模型。所创建的模型是完全参数化的, 以确保可以轻松地进行将来的更改。该模型是建立复杂有限元模型的基础。

3. 有限元 (FE) 模型是利用 HyperMesh 的壳单元建立的, 对其进行了结构分析。为优化分析确保了元素质量 结果.

4. 分析中的下一步是选择用于设置模拟的参数。这些参数包括材料性质、截面性质、约束条件、加载情况和其他模拟相关参数。

5. 设置参数后, 使用 OptiStruct 求解器运行模拟。在初始阶段对当前问题进行了静态分析, 找出了动态分析的最佳参数。

6. 模拟的结果在 HyperView 中解释。分析确定了最高的冯米塞斯应力的强度和区域, 以及框架构件受外加载荷的变形。

7. 如果在机箱成员中产生的应力高于材料的屈服极限并且/或框架成员的变形较多, 则已修改现有框架以改善性能.

8. 新的设计已经受到了一定的输入参数的结构分析, 该过程将继续进行, 直到应力和变形达到预期的极限.

9. 最后, 考虑所有制造和成本问题以开发最终设计的设计工程师应解释结构分析的结果.

图3.1 设计过程通用图的流程图 3.2 初步设计的发展

该车架是用来提供一个基础上安装的各种外围设备所需的自。车架是任何车辆的 “骨架”。辊笼提供了一个框架, 以保护操作员免受危害和伤害。在发生翻转事故时, 滚动保持架的设计可以尽可能地吸收尽可能多的惯性, 以减少对操作者的碰撞力。这意味着, 底盘的设计, 以最大限度的强度和耐久性, 同时尽量减少重量和保留可制造性。它必须支持所有操作员控制系统, 前面和后方悬浮系统, 和引擎和驱动火车。框架设计的目的是满足这些功能, 同时符合 SAE 规则, 特别考虑到乘员的安全, 制造, 成本, 质量, 重量和整体吸引力。其它设计因素包括车架的耐久性和可维护性。 要开始框架的初始设计, 首先必须设置一些设计准则。这不仅包括设计的特点和制造方法, 而且还要在设计中使用的工具。从这一点, 应该分析的设计, 可能显示薄弱或高负荷的领域, 应确定的应力集中, 应进行分析。 3.2.1 设计指南

在开始设计框架之前, 做出一些全球性的设计决定是很重要的。这些细节包括预期的转向和悬挂设计, 还有预期的制造方法。虽然这些决策对框架的分析并不重要, 但它们对于理解设计是很重要的。关于框架几何和驾驶员安全的规则也必须考虑。 由于构建团队的能力和技能以及设计指令的局限性, 预期的制作是很重要的。目的是尽量减少框架上焊接接头的数量, 以利于弯曲的构件。弯曲是更少的时间消耗, 当正确地做显示一个更低的应力集中。随着设计的进展, 可制造性不断地与组建团队进行评审。这确保了设计中没有不可能的功能, 并且团队对它的建设感到自信。与材料类型一样, 整体框架几何遵循严格的规则。这些规则在整个框架的设计中不断被引用, 以确保法规遵从性。如上所述规则变动逐年, 为此他们附有附录 A。框架的相互作用和严格的安全规则要求框架设计一个坚实的建模软件包。

3.2.2 小巴哈指南

SAE 制定了一套指引和规则, 每辆车都应该遵守。这些准则是根据设计专业人员的建议和测试进行的。为创建初步设计, 遵循这些准则, 包括在机箱的框架成员。最初未添加其他成员, 因此获得最小权重的帧。 这些元素的尺寸被选择, 牢记 SAE 规定的规则。未添加其他成员。在任何可能的情况下都采用了自适应设计的方法, 并考虑了驾驶员的工效学。这些成员包括在初步设计和最小可能的部分是采取的, 即外径 = 25.4 毫米 (1.0 in.), 内径 = 19.3 毫米 (0.76 in.), 材料: AISI1020 合金钢。 3.2.3 足够的操作员空间

rollcage 设计的另一个目标是为驾驶员的舒适度提供足够的操作空间。该设计将允许1.9 米 (6 英尺3英寸) 的驱动程序的高度, 90.7 公斤 (200 磅) 的重量, 以适应舒适的框架。据推测, 一个司机被放置在框架中的驱动位置和测量, 使一定的所有 SAE 安全规则得到了满足。

3.3 几何发展

一个初步的设计是由大学 sae 团队根据 sae 为巴哈竞争制定的规则和准则。由于计算机辅助设计 (cad) 模型是建立复杂有限元模型的基础, 因此开始了开发 cad 模型的探索。初步设计不存在 CAD 数据。为了创建 CAD, 车辆是手动测量的尺寸。在参考维度的支持下, 开发了一个 CAD 模型。从开发的模型中进行了 CAD 绘图, 并对原始尺寸进行了框架设计验证。图代表在临/工程师野火4.0 为初步设计开发的底盘实体模型。 该框架的 CAD 模型完成后, 将 Pro/工程师部分模型导入到 HyperMesh 环境中, 这是 HyperWorks 软件包的一部分。将 HyperMesh 作为有限元啮合工具用于优化研究。这是确保所有的表面是进口到 HyperMesh 正确没有任何几何问题。下一步是提取固体管模型的 midsurface。HyperMesh 可以从对称剖面自动生成 mid-surface。表面编辑工具将允许变形生成的 mid-surface, 便于二次啮合。mid-surface 几何被 “清洗” 为啮合准备。这意味着导入的模型中的某些行从边缘线切换到隐含 (或流形) 线, 这样它们就不会表示人为的边缘, 这将迫使有限元素对它们进行不必要的对齐。对线的误读发生在 CAD 模型中创建的圆角和半径特征的位置, 因为这些特征在 IGES 变换中被错误地解释为不同的曲面。

图 3.2 rollcage 框架的 Pro/工程师模型

一旦清除了几何, 框架成员的曲面就被编辑为适当的啮合。在每个接头处分别进行表面分离, 使接头可以先与相邻的管成员啮合。这样可以提高网格的质量。利用 HyperMesh 的 auto-mesh 特征, 设计空间容积用四边形单元填充。根据要求选择网格大小。选择齐次优化判据, 根据预设条件优化网格质量。所得到的网格作为拓扑优化研究的设计空间可以从图中看出 3.3 & 3.4。

图 3.3 rollcage 框架构件的 HyperMesh 模型

图3.4 网状 rollcage 模型的放大视图

为了保证模型的准确性和效率, 模型的网格需要满足网格质量标准。网格的质量将影响仿真的时间步长计算和计算时间。时间步长与元素的特征长度直接相关, 因此最小元素的大小尤为重要。严重扭曲的元素会影响结果的准确性, 因为由于失真, 元素的刚度增加。三角形元素的百分比应小于组件中元素数的 5%, 因为三角形元素将人工刚度传递给建模的零件。这将导致机箱框架的不切实际的行为。图3.5 概述了重要的网格质量标准。

图 3.5 2D 元素质量报告

3.4 材料选择

在笼中使用的材料必须符合 SAE 设定的某些几何要求和其他限制。在选择卷笼材料时, 我们考虑的主要标准是安全、成本和耐久性。在巴哈会翻身的情况下, 所用的材料必须足够坚固, 以保护驾驶员免于致命的伤害。由于车架是用于赛车, 重量是一个关键因素, 必须考虑。适当的平衡完成设计要求和最小化重量是关键的成功的设计 [12]。 规则定义要用与以下规格相等同的材料制成的笼子 [1]: 具有至少相等弯曲刚度和弯曲强度的钢构件, 1018 钢具有圆形截面, 具有 25.4 mm (1 英寸) 外径和壁厚2.10 毫米 (0.083 英寸)

这一声明的一个关键因素是, 框架结构只允许钢构件。然而钢的合金是可定义的, 只要它符合等值要求。这些值需要计算出最小值的坐标轴。这种方法的强度和刚度的计算确保了非圆截面的管即使在最坏的情况下也会是等价的。规则继续定义弯曲强度和 刚度:

弯曲刚度与 EI 乘积成正比,

弯曲强度由 SyI/c 的值给出,

(为1018钢价值是;Sy = 370 兆帕斯卡 (53.7 ksi) E = 205 GPa

(29700 ksi) E = 弹性模量

I = 第二片刻区域的横断面关于轴给最低值 材料的屈服强度单位面积 c = 从中性轴到极端纤维的距离 虽然规则设置了许多因素的材料的几何, 有其他的限制。这些限制包括制造方法和材料的工业标准。该框架将建立使用弯管结构和 TIG 焊接接头。几何受工业标准的限制。重要的是要利用普遍可用的油管尺寸和材料。考虑到上述因素, 对框架材料考虑了1020级配筋。表3.1 给出了1020钢的材料和截面特性。 3.5 线性静态正面冲击分析

在底盘上进行线性静力分析, 以测试不同的加载条件, 并找出产生的应力和变形的框架成员。了解当前设计对不同加载条件的反应, 将使设计者在物理原型之前进行更改。此外, 线性静力分析是动态或非线性有限元分析的基础。如果一个设计无法在线性静态应力分析中幸存下来, 那么在移动到更复杂、耗时和昂贵的动态或非线性分析之前, 必须先进行固定。 表3.1 框架的材料性能 [6] S。 属性 值 1 材料 (钢) 1020 2 外径 (mm) 25。4 3 内径 (mm) 19。3 4 截面厚度 (mm) 3 5 惯性区域转动惯量 (mm4) 8324。6 6 杨氏模量 E (MPa) 247749 7 屈服强度 Sy (MPa) 594。6 8 密度 (Kg/m3) 7861 9 泊松比 0。3

设计过程的下一个阶段是进行有限元线性静力分析, 对框架构件的应力和变形模式进行回顾, 并对框架构件进行修正, 以减小应力和变形, 从而承受应用荷载。虽然, 车辆需要不同类型的有限元分析, 以验证其设计, 针对当前的问题, 进行了正面的影响分析, 研究了加载对框架的影响。 正面撞击模拟的假设:

1. 机箱材料被认为是各向同性和均匀的

2. 底盘管接头假定为完美接头

3. 撞击屏障不是可变形的.

3.5.1 加载/边界条件

正面撞击是一个动态事件, 但用线性弹性准静态分析方法进行初步分析比较容易。因此, 我们需要确定一个在静态分析中使用的力值, 它大致相当于撞击时观测到的峰值动力或平均动力力。估计最大允许力的一种方法是从简化的损伤判据开始。研究发现, 人体将在负荷超过9倍的重力或9克的力量。价值 10 G 的被设置了作为目标点为极端最坏的案件碰撞 [13]。在静态正面撞击分析中, 假设车辆的重量为272.16 公斤 (600 磅), 则假定在车辆上的负荷相当于 26698 N (相当于 6000 lbf) 的静力, 则为10克的减速。 佛罗里达理工学院分析了来自 “汽车保险维修研究中心” 的数据, 估计下一辆车将看到的最大 g 力是7.9 克的 [14, 15]。为了计算用于分析 7.9 G 撞击的力, 牛顿的第二定律被使用。力计算如下所示的方程。F = ma m = 272.16 公斤 (600 磅) a = 7.9 X 9.81 米/秒 = 77.5 米/秒

F = 272.16 x 77.5 = 21092.4 N (相当于 4750 lbf)

冲击力的3.5.2 分析计算

车为 SAE 巴哈是设计的最大速度为 17.88 m/s (40mph) 为竞争 [15]。车辆的总重量, 包括司机估计是272.16 公斤 (600 磅)。 对于完全非弹性碰撞, 可以使用下面的公式估计冲击力:

W net = 中 2最终 W net = f x d

该方程指出动能的变化等于所做的净功, 而停止汽车所需的功等于力乘以距离。

12 f x d = − mv初始 2

它为静态分析被考虑车来到休息0.1 秒在冲击以后 [16]。对于17.88 米/秒 (40 英里/秒) 的速度, 车辆在撞击后的行程是1.79 米。

• 272.16 * 17.88 2 * 影响力量 =1. = 24304 N 只要在这种情况下保护驱动程序, 框架就不需要在崩溃负载下生存。在这里, 我们有三种不同类型的负载, 即 26698 n (10G 力), 21092 n (7.9G 力) & 24304 n (分析值)。在初始阶段, 目前的框架设计是为了抵御冲击负荷 33262 N (7500 lbf)。如果不是, 它被确定框架承受冲击装载 26698 N (等效于 6000 lbf) 极小值, 以安全的设计因素1.25。

为解决结构运动学分析问题而采用的有限元分析软件程序是 OptiStruct。对不同网格尺寸进行了正面撞击分析, 并对每个机箱构件的应力和位移的影响进行了评述。对机箱成员进行了相应的更改或修改, 以承受冲击载荷 (即生成的米塞斯应力应小于材料的屈服应力)。

4章静态分析的结果 & 讨论

4.1 网格独立

网格大小是一个重要的参数, 以考虑在数值分析, 由于人工定义的分布位移或应力在 元素, 无论是建模是基于连续或连续的方法。网格大小或网格大小在解决方案的收敛性和精确性方面都起着重要的作用。理论上, 网格尺寸越细的计算模型得到的结果就越准确。虽然, 高密度网格的使用提高了模拟的准确性, 但在计算上昂贵, 有时解决方案可能是不可能的。另一方面, 太细的网格可能不会产生更准确的结果, 因为其他因素, 如时间步长和边界条件可能会控制建模精度。课程网格用于快速检查规划求解设置和边界条件。这意味着, 粗网格的数值模型比细网格的计算时间要短。因此, 进行网格独立研究, 以获得一个优化的网格大小。 网格独立性是网格密度变化的结果的 non-variation。这是为了确保在计算过程中使用理想的网格大小, 从而避免了不必要的计算空间和时间。这是在经济上充分利用现有资源的一种方式。针对当前的问题, 通过模拟各种网格大小的正面影响分析, 实现了网格的自主化。比较了各网格尺寸的计算结果。最初一个粗网与大小5.08 毫米 (0.2 in.) 用于研究正面冲击的影响在 SAE 下底盘框架。网格大小为进一步分析减少了到4.57 毫米 (0.18 in.), 4.24 毫米 (0.167 in.), 3.6 毫米 (0.14 in.), 3.05 毫米 (0.12), 2.54 毫米 (0.10), 2.23 毫米 (0.088), 1.9 毫米 (0.075) 和1.27 毫米 (0.05 in.) 随后, 元素的数量增加。对于每种情况, 对正面撞击的分析是运行的, 并列出了冲击后最大应力和位移的值。网格大小稳定或网格的独立性, 如果在撞击后的框架的应力和挠度小于 10%, 不同的格子大小图4.1 代表了不同网格大小的相似管道的网格配置。

网孔尺寸: 1.27 毫米 (0.05)

网孔尺寸: 1.9 毫米 (0.075)

网孔尺寸: 2.23 毫米 (0.088)

网孔尺寸: 2.54 毫米 (0.1)

网孔尺寸: 3.048 毫米 (0.12)

网孔尺寸: 3.56 毫米 (0.14)

网孔尺寸: 4.24 毫米 (0.167)

网孔尺寸: 4.57 毫米 (0.18)

网孔尺寸: 5.08 毫米 (0.2)

图4.1 各种网格大小的网格配置

表4.1 表示最大的米塞斯应力和位移对网格尺寸的影响。结果表明, 随着网格尺寸的减小, 最大应力增大。在撞击后, 框架的挠度小于 10%, 不同的网格大小, 并假定是独立的网格大小。结果表明, 收敛应力是选择网格尺寸而非挠度的主要判据。

表4.1 最大应力和位移对网格尺寸的影响 s 号 网 大小 毫米) 不。的 元素 不。的 自由度 最大. 冯米塞斯 压力 (MPa) 最大. 位移 毫米) 1 1.27 597443 (本地化网格 细化) 3561360 2192.53 21.54 2 1.91 507408 3030570 1751.27 21.89 3 2.24 385244 2299686 1503.06 22.81 4 2.54 294141 1762104 1337.58 21.79 5 3.05 210290 1258626 1054.90 21.16 6 3.56 151870 904548 1020.42 21.69 7 4.24 103134 613647 958.37 25.10 8 4.57 94286 560526 917.00 22.40 9 5.08 75071 448404 848.06 23.06

在所有的模拟中, 最大应力不会发生在相同的位置。对于大多数的分析, 最大应力的位置要么在左边, 要么是右边的约束, 如图4.2 所示。对于网格尺寸 4.24 mm 最大应力的位置是在前保险杠。由于最大应力不是在同一位置的所有情况下, 这是不公平的, 得出的网格大小的独立基于最大应力收敛。为了准确地测试网格的独立性, 对不同位置的应力和挠度的框架的行为进行了研究。

图4.2 各种网格尺寸的最大冯米塞斯应力的位置在表4.2 中显示了米塞斯应力和五个选定点位置的挠度, 图中为分析绘制了4.3.The 结果, 如图表 4.2 & 4.3 点位置所示, 如图4.5 所示, 被选中, 以找出框架的确切行为的应力和挠度在关节和框架的中间, 在前面和后面的机箱的各种网格大小。从结果中可以看出, 在所有选择的位置, 如图 4.6 & 4.7 所示, 米塞斯应力随网格尺寸的增加而减小。撞击后的挠度对网格尺寸影响不大。该表表明, 在不同的网格尺寸下, 加载后的位移变化小于10%。

当两个网格大小的解在预定公差范围内时, 该有限元模型可以实现网格独立。对于同一位置, 在所有给定的网格大小中, 观察到的最大百分比差异在米塞斯应力值中小于10%。因此, 根据应力的最大值选择网格尺寸, 因为所有网格尺寸的不同点 B、C、D & E 的位移变化几乎是一致的。此外, 还应根据计算时间和解决问题所需的内存要求, 选择网格的独立性。

图4.3 最大米塞斯应力的网格独立性研究图

图4.4 最大位移的网格独立性研究图

图4.5 点的选定位置

表4.2 在撞击荷载后在选定地点的压力 s 号 网格尺寸 毫米)

米塞斯压力 (MPa) 点-A 点-b 点 C 点 D 点 E 1 1.27

      力量: lbf

      长度: 英寸 (in)

      质量: lbf-s2/in

      时间: sec