Применение программ конечно-элементного анализа в автомобильной промышленности (или аналог)

Введение
Исследование напряженного состояния рамы прицепа автомобиля
Конечно-элементный анализ напряженного состояния стрелы экскаватора
Повышение надежности несущих конструкций и узлов сельскохозяйственных машин путем применения методов конечно – элементного анализа
Использование программного обеспечения BETAsoft
Многоцелевые пакеты и их преимущества
Аэродинамическое моделирование для "Daytona"
Корреляция эксперимента и моделирования РГД
Создание моделей нового поколения для исследования двигателя
Моделирование отливки деталей сложной формы из жидких композитных материалов
Математическое моделирование и оптимизация конструкций и процессов
Новые решения в области производства и проектирования
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6
Приложение 7
Приложение 8
Заключение
Литература

Применение программ конечно-элементного анализа в автомобильной промышленности (или аналог)

Многоцелевые пакеты и их преимущества
Перечислим новые разработанные пакеты, помогающие осуществлять конечно – элементный анализ в промышленности, в том числе и в автомобилтной:
1) STAR-CD является многоцелевым единым “тяжелым” CFD-пакетом. Эффективная параллелизация алгоритма решения, основанного на применении метода конечных объемов, в сочетании с уникальными методиками автоматизированного разбиения области течения позволяют моделировать задачи любой степени геометрической сложности. Одной из первых областей широкого применения программы была автомобильная промышленность, после чего STAR-CD получила распространение во всех отраслях. Гарантией качества программы является широкое сотрудничество с промышленными корпорациями, инжиниринговыми фирмами и научно-исследовательскими центрами ( Daimler-Chrysler, Imperial College, Aerospatiale-Missiles и т.д.). 5
2)MSC.Sofy является сравнительно новым продуктом в ряду интегрированных систем корпорации MSC. Эта графическая система автоматизирует процесс создания конечно – элементной модели и обеспечивает обработку результатов расчетов
В первую очередь MSC.Sofy адресована специалистам предприятий автомобильной промышленности, поскольку многие из стандартных процессов моделирования структуры автомобиля автоматизированы. В то же время система находит широкое применение в других отраслях, где при разработке конечно – элементных моделей в основном используются оболочечные конечные элементы.
Известно, что процесс сборки сложных конечно – элементных моделей требует продолжительного времени. Весьма показательным в этом смысле является создание конечно – элементной модели автомобильного кузова, который состоит из нескольких сотен деталей, соединенных тысячами сварных точек, шовной сваркой, склейкой, болтовыми и заклепочными соединениями. Структура данных и возможности автоматизации процессов MSC.Sofy обеспечивают существенное сокращение времени и повышение качества процесса сборки сложных моделей.
Наряду со стандартными пре- и постпроцессорными функциями (создание и редактирование геометрической модели, автоматическая генерация конечно – элементной сетки, визуализация результатов расчетов и т.д.), MSC.Sofy обеспечивает:
- организацию, управление и автоматическую сборку больших и сложных конечно – элементных моделей с применением соединений «узел-узел», контактных методов, клеевых соединений и различных методов сварных соединений, независимых от топологии конечно – элементной сетки
- инструменты управления качеством модели, которые позволяют пользователю проверить не только качество отдельно взятых элементов, но также качество модели в целом, ее состав, топологию и другие нюансы
- проверку и устранение начальных коллизий
- морфинг конечно – элементной модели (плавное преобразование одной конечно – элементной сетки в другую) без изменения геометрической модели
- графическую среду для быстрой и простой разработки новых инструментов автоматизации процессов создания расчетной модели и обработки результатов
- среду быстрой разработки собственных приложений, включающую язык программирования, подобный С++. Этот язык предоставляет пользователю доступ ко всем модулям и функциям MSC.Sofy.
Новые возможности постпроцессора MSC.Sofy обеспечивают автоматическую связь деталей конструкции друг с другом.6
3) "ОПТИМУМ Пауэр Текнолоджи" разработала пакет PtrAN для "Виндоуз", для анализа диаграмм по измерению давления двигателей внутреннего сгорания. Диаграммы могут быть для цилиндра, кривошипной камеры, поршневой камеры. Пакет выполняет стандартные производственные вычисления для получения информации по характеристикам двигателя и сгорания. Обрабатывает до 20 диаграмм, содержащих информацию по 1000 циклов, работает с двухтактными, четырехтактными, бензиновыми и дизельными двигателями; производит анализ от цикла к циклу, равно как и анализ статистики.
4) 3D СЕРФ, модееллер трехмерной поверхности прилагается к 3D Шоп эксперт от C4W. Программа позволяет создавать, обрабатывать и анализировать поверхности. Формы создаются на основе оцифрованных точек, сканированных поверхностей или целиком в системе автоматического проектирования. Среди инструментов присутствуют сварка, штамповка, проверка. Программа также позволяет моделировать процесс обработки и физические процессы с их обсчетом.
5) Международная измерительная система разработала пакет программного обеспечения модернизации «Virtual DMIS» для любого типа, изделия или размера СMМ. Путем сочетания последних инструментов разработки программного обеспечения , CAD и отраслевых стандартов CMM, данное программное обеспечение позволяет создать общую картину, выполнить анализ, визуализацию и обмен информацией в отношении данных о качестве в производственной среде. Оно обеспечивает графическое программирование, интеллектуальное измерение, выравнивание поверхности, вывод графических изображений, а также статический контроль, полностью обеспечивающий связь трехмерных данных CAD с процессом приемочного контроля CMM.7
Аэродинамическое моделирование для "Daytona"
Как только корреляция подтвердилась экспериментально, и исследователи приобрели уверенность в цифровом моделировании, РГД применили для разработки гоночных машин "2001 Daytona 500", которым предстояло стать первыми гонками для "Intrepid R/Т". Новое аэродинамическое оборудование было предложено в январе 2001 года (по изменениям правил гонок), и оно обнаружило увеличение полного лобового сопротивления и уменьшение полного прижимающего усилия. Продольное распределение прижимающего усилия обнаружило значительное смещение вперед, и этот эффект нашел подтверждение в эксперименте и в комментариях гонщиков. Преимущество цифрового моделирования было в обилии как качественных, так и количественных данных. Результаты были сходны с результатами эксперимента по визуализации спутного следа, поставленного вскоре после изменения правил. Визуализация следа позволила быстро охватить картину в целом, но не дала той детальной информации, что была потом получена по РГД.
При анализе поперечных разрезов при помощи РГД оказалось, что над передней стойкой кузова имеются завихрения, в добавок к спутному следу спойлеров. Комбинация трехмерной модели очертаний корпуса вместе с двухмерной моделью слоя на уровне крыши показала дала картину структуры спутного следа после антикрыла на крыше и потока, который сталкивается с главным антикрылом. После просмотра этих изображений инженеры увидели, что именно является ключевым фактором воздействия на антикрыло на крыше. Гоночная команда использовала эту информацию для визуализации эффекта и оптимизации обводов автомобиля путем экспериментирования с аэродинамической трубой до гонок "2001 Daytona 500".8
Корреляция эксперимента и моделирования РГД
Для уверенности в анализе РГД по моделированию внешней аэродинамики было необходимо соотнести результаты моделирования с результатами экспериментов в аэродинамической трубе. Целью было достичь разумной корреляции в пределах 5% для коэффициента лобового сопротивления, 10% для коэффициента вертикальной составляющей, и 5% для распределения прижимающего усилия.
Для ранних экспериментов с РГД был выбран код PowerFLOW от Exa Corp., поскольку в этой программной продукции возможен полный трехмерный динамический (точный по времени) анализ; она обеспечивает хорошую конвергентность и быструю автоматическую дискретизацию в области гидродинамики. Для моделирования аэродинамического поведения одиночной машины была использована версия 3.2p4.
Первым шагом было установить необходимый для корреляции минимум уровня детализации, и здесь хорошие результаты были достигнуты после нескольких месяцев последовательного приближения. В частности, успеху в достижении первичной корреляции послужило аккуратное сеточное разбиение геометрии и компоновки автомобиля. Что до результатов моделирования, картина давления по поверхности была отображена в виде областей высокого и низкого давления, которые были использованы для определения локализации отверстий охладительной системы и раздельных областей (воздушного потока). Трехмерные линии обтекания были отображены под автомобилем, как и типичный подковообразный вихрь позади. Когда была достигнута корреляция в экспериментальных данных, геометрию стало можно использовать в предсказательном моделировании.
Создание моделей нового поколения для исследования двигателя
Компьютер, управляющий событием и собирающий данные, был интегрирован в систему контроля, чтобы обеспечить синхронизацию и задержку. Пропускание соответствующих сигналов запуска от компьютера контролировало запуск инжектора, затвор лазера, фотографирование и сбор данных.
Благодаря таким возможностям контроля, исследователям удалось создать экспериментальные условия, моделирующие запуск холодного двигателя. Каждый период работы двигателя длился 50 с, после чего двигатель отключался до тех пор, пока его крышка, цилиндр, поршень и клапаны не охладятся до изначальной температуры. Период работы двигателя ограничивался для того, чтобы не повредить кольца из торлона и снизить время остывания до примерно одного часа.
Синхронизация начала зажигания (НЗ) – поворот коленвала 100 град. до ВМТ (такт сжатия) для СВВК, поворот коленвала 33 град. после ВМТ (такт впуска) для ВВКП, оптимизируется для ПВ
Синхронизация зажигания – оптимизируется для каждой системы впрыска
Общий показатель среднего полезного давления (ОПСПД) был основным параметром для анализа данных по характеристикам двигателя. Хотя ОПСПД обычно используется для оценки выхода работы цикла без учета насосных потерь, в этом исследовании он использовался для снижения времени сбора данных для каждого цикла. На рис. 5 показаны основные показатели работы при холодном пуске оптически прозрачного двигателя с ПВ. Оценка легкости пуска производилась по двум параметрам: продолжительность переходного процесса при пуске и стабильность квазистационарного холостого хода. Количественная оценка этих параметров проводилась при помощи коэффициента изменений ОПСПД (КИ ОПСПД), то есть отношения квадратичного отклонения ОПСПД к среднему ОПСПД, выраженного в процентах.9
Моделирование отливки деталей сложной формы из жидких композитных материалов
Отливка из жидких композитных материалов (LCM) – это производственный процесс, в ходе которого происходит введение полимерного материала в полость литейной формы с волокнистым армированием, обеспечивающим отслоение предварительно пропитанной ленты и укладку слоев. Программное обеспечение интеграции средствами САПР для производства составных конструкций FiberSIM технологий композиционного проектирования «Composite Design Technologies» (CDT), а также LCMFLOT, программное обеспечение для анализа заполнения форм Предварительной оценки показателей процесса работы с жидкими материалами «Liquid Process Performance Prediction» (L3P), используются совместно для обеспечения возможностей компаниям, использующим LCM, осуществлять более точное моделирование введения полимерного материала в литейную форму без необходимости изготовления и проведения испытаний на модели литейной формы. Новый метод моделирования обеспечивает точность описания распределения полимерного материала во время введения путем определения пространственных изменений пустотности вследствие заполнения полимерным материалом.
Точность моделирования прохождения полимерного материала сквозь волокнистое армирование являлась ограниченной для деталей сложной формы, поскольку было невозможно легко выполнить расчеты для отклонений пористости армирования. Моделирование позволило получить приемлемые результаты для отливки деталей простой формы с использованием литья, например, при литьевом прессовании полимеров (RTM), при котором полимерный материал подается под относительно низким давлением и пористость детали остается относительно постоянной в течение всего процесса отливки. Тем не менее, необходимо учитывать значительное влияние отклонений местной пористости на изгибах больших деталей, гофрированных деталей в сочетании с гладкими поверхностями, деталей различной толщины, либо деталей, содержащих многослойные элементы.
При использовании технологии отливки из жидких полимерных материалов, такой как LCM, при которой полимерный материал подается в пресс-форму под более высоким давлением, либо когда пресс-форма закрывается только после ввода определенного количества полимерного материала, отклонения пористости во времени и пространстве необходимо принимать во внимание для обеспечения реалистичного моделирования заполнения пресс-формы. Точное моделирование данной последовательности отклонений пористости является необходимым условием получения удовлетворительных результатов для изготовления готовых деталей.
Технологии CDT и L3P используют двухступенчатый процесс для моделирования новых и традиционных процессов отливки из полимерных материалов. Инженеры используют комплект программ FiberSIM, интегрированных с систему автоматизированного проектирования CAD для моделирования распределения смесового материала и прогнозирования направления волокон, окончательной формы и толщины изгибов композитного армирования. Данная информация передается LCMFLOT, которая принимает во внимание отклонения пористости для моделирования процесса заполнения пресс-формы. В дополнение к определению пространственных отклонений пористости, которые рассчитываются на основании данных, полученных от программы FiberSIM, система LCMFLOT также определяет среднее значение изменений по времени относительно пористости, возникающей вследствие сжатия армирования, открывая форму во время введения материала, а также учитывает иные факторы. Наконец, LCMFLOT учитывает «скорость уплотнения» полимерного материала по краям пресс-формы, изменение вязкости полимерного материала вследствие химической реакции под воздействием времени и температуры, а также отверждение.
Путем повышения точности моделирования, совместное применение программ FiberSIM и LCMFLOT обеспечивает поверку деталей и оптимизацию перед изготовлением опытного образца. Инженерам больше нет необходимости выполнять процесс создания экспериментальной пресс-формы и нарезания опытных образцов вручную для определения технических характеристик предполагаемой модели. Вместо этого, процесс отливки и введения материала можно моделировать на компьютере для определения важнейших параметров заполнения пресс-формы.10
Математическое моделирование и оптимизация конструкций и процессов
Современное развитие технологии характеризуется тем, что каждый шаг на пути повышения совершенства продукции требует больших финансовых и временных затрат. Они могут значительно уменьшены при использовании современных компьютерных технологий заменой значительной доли натуральных экспериментов вычислительными. Применение таких методов может повысить уровень информационной насыщенности об объекте разработки и, тем самым, открыть новые резервы повышения совершенства изделий. Эффективность применения этих методов в значительной мере зависит от опыта и квалификации специалистов, которые их используют.
Существуют следующие методики инженерного анализа:
1) разработка трехмерных конечно - элементных моделей объектов сложной геометрической формы (поршень, головка и блок цилиндров автомобильного двигателя, покрышка, протез тазобедренного сустава, ветротурбина, плита перекрытия);
2) нелинейный прочностной анализ (большие пластические деформации и перемещения, контактные условия, трещинообразование);
3) динамический анализ (амплитудно-частотные характеристики, вынужденные колебания);
4) нелинейный анализ при потере устойчивости конструкции;
5) тепловой и термопрочностной анализ
6) гидродинамика внутренних течений.11
Новые решения в области производства и проектирования
Многие программные разработки дополнят и улучшат список программной продукции, расширяющей возможности инженеров, в новом тысячелетии.
Компании — производители программного обеспечения для инженеров неустанно повышают качество существующей продукции и вместе с тем ищут пути создания новой. При огромных темпах компьютерной индустрии компаниям, если они хотят остаться конкурентоспособными, приходится расширять возможности своего товара и увеличивать сферу его применения.
Инженерное программное обеспечение присутствует практически на всех стадиях проектирования, начиная с эскиза-идеи и заканчивая детализированной разработкой дизайна. Каждая компания-разработчик находит свои способы сократить временные затраты производства. Automotive Engineering International предлагает по-новому взглянуть на инженерный инструментарий.
IBM и Dassault Systemes объявили о выходе в свет CATIA, версия 5, выпуск 3 для Windows и Unix. Были расширены возможности версии 5 в части механического проектирования, также моделирования и оформления внешнего вида, анализа, производства, синтеза продукции, технического обслуживания оборудования и систем, решений по оборудованию завода и других инфраструктур.
В части механического проектирования появились новые возможности поэлементного и смешанного моделирования, такие как создание разверток (разбивок?), зачищенных соединений, переменных скруглений с нулевым радиусом, дополнительные операции с углом конусности. Перемещение элементов каркаса или поверхности в какой-либо части проекта автоматически вызывает соответствующие изменения в этой части, что обеспечивает гибкость моделирования.
Версия 5, выпуск 3 поддерживает каталог стандартных деталей и узлов, а также позволяет проектировщикам использовать библиотеки из CATIA версии 4 или создавать новые каталоги под Версию 5 для наиболее оптимальной эксплуатации механизмов формирования стандартных деталей в новой версии. В части проектирования узлов расширен список команд компоновки деталей, что ускоряет множественную реализацию детали или продукции. Программа также поддерживает новые сопутствующие инженерные методологии и снабжена функцией “публикация”, благодаря которой проектирование в контексте приобретает новую силу. Новые графические функции, отображающие взаимозависимость деталей в рамках одного узла, позволяют отслеживать, какие последствия будут иметь те или иные изменения проекта. Кроме того, при помощи нового выпуска CATIA пользователи смогут создавать индивидуальные спецификации и управляться со множественными визуализациями устойчивых узлов, такими как общий вид изделия или изображение в разобранном виде.12
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
(а)
(б)
Рис. 1. Пространственная конечно-элементная модель рамы прицепа легкового автомобиля (а) и деформированная конструкция под действием полезной нагрузки и собственного веса (б).
Приложение 2
Рис. 2. Распределение нормальных напряжений по лонжеронам и поперечинам рамы.
Приложение 3
(а)