motio在懸架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、Altair 2010 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集MotionView 在懸架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用冉海上海 200433泛亞汽車(chē)技術(shù)中心摘要:為了減少汽車(chē)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在汽車(chē)前期開(kāi)發(fā)中的愈加重要。本文介紹了多體動(dòng)力學(xué)軟件 MotionView 在汽車(chē)懸架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要從高效建模，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能分析及優(yōu)化，懸架零件載荷計(jì)算和懸架零件動(dòng)態(tài)間隙校核這幾方面來(lái)簡(jiǎn)述。: 懸架，MotionView1 前言隨著汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的持續(xù)增加，降低開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期尤為重要，分析的應(yīng)用降低了對(duì)懸架是汽車(chē)上最重要的總成之一，在懸架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，多體動(dòng)力學(xué)物理樣機(jī)的依賴(lài)程度，是降低開(kāi)發(fā)成本和縮短

2、開(kāi)發(fā)周期有效。懸架的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，首先是確定懸架基本參數(shù)目標(biāo)值，根據(jù)目標(biāo)值，選取懸架類(lèi)型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算，初步確定懸架硬點(diǎn)、襯套剛度、彈簧剛度等參數(shù)值；其次是懸架零件的概念設(shè)計(jì)，校核懸架零件的動(dòng)態(tài)間隙；然后是細(xì)化懸架零件結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能分析進(jìn)一步確定懸架零件的參數(shù)值（如彈簧剛度、襯套剛度等）；再次是制定零部件及總成技術(shù)規(guī)范、二維圖紙、試驗(yàn)計(jì)劃，開(kāi)始制造樣件；最后是樣件及樣車(chē)的耐久試驗(yàn)，以及懸架，最終確定懸架參數(shù)。在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，尤其是前期階段，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)分析是重要的設(shè)計(jì)之一。本文主要虛擬分析，從高效建模，車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能分析及優(yōu)化，懸架零件載荷計(jì)算和懸架零件

3、動(dòng)態(tài)間隙校核這幾方面介紹了多體動(dòng)力學(xué)軟件 MotionView 在懸架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。MotionView 是澳汰爾公司開(kāi)發(fā)的新一代系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件。它是一個(gè)通用的多體動(dòng)力學(xué)前處理器和可視化工具，采用完全開(kāi)放的程序架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高度的流程自動(dòng)化和客戶(hù)化定制。MotionView 具有簡(jiǎn)潔友好的界面，高效的建模語(yǔ)言（MDL），同時(shí)也是第一款支持多求解器輸出的多體動(dòng)力學(xué)軟件，可以將模型直接輸出成 ADAMS、DADS、ABAQUS 和NASTRAN 等多種求解格式文件，或直接由 MotionSolve 求解。2 動(dòng)力學(xué)模型建立做任何分析，第一步是建立模型。使用 MotionView 的建模裝配

4、向?qū)?，能快速建立整?chē)動(dòng)力學(xué)模型。MotionView 的圖形界面提供了高效的模型建立和編輯功能，所有操作對(duì)- 1 -Altair 2010 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集象屬性都可以通過(guò)模型瀏覽器或數(shù)據(jù)總結(jié)工具來(lái)和編輯，還可以通過(guò)編輯 MDL 文件本身來(lái)修改模型?？芍赜米酉到y(tǒng)是 MotionView 的另一個(gè)功能，任何現(xiàn)有模型在定義附著關(guān)系后都可以為子系統(tǒng)，子系統(tǒng)可以靈活調(diào)用和任意編輯，從而充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)。且子系統(tǒng)中的不同選項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)不同零部件系統(tǒng)的任意切換，大大提高建模速度并增強(qiáng)模型的可移植性。一般全新車(chē)型的建模選用 MotionView 建模裝配向?qū)У姆椒ǎ男蛙?chē)型的建模選用重用子系統(tǒng)

5、的方法。有些底盤(pán)零件必須考慮其柔性變形，例如扭力梁后橋，MotionView 對(duì)柔體系統(tǒng)強(qiáng)大的前后處理功能，使柔體建?？焖俜奖?。用戶(hù)可以調(diào)用 OptiStruct 生成柔體模型，在窗口中定義柔體的各種屬性和界面點(diǎn)，將其添加到 MDL 模型中，最后將組合到一起的剛體和柔體模型進(jìn)行分析和動(dòng)畫(huà)顯示。當(dāng)然，在建立動(dòng)力學(xué)模型之前，一些工程數(shù)據(jù)需要被收集。具體包含：懸架硬點(diǎn)，襯套剛度，緩沖限位塊的剛度、位置，彈簧的剛度及自由長(zhǎng)度，穩(wěn)定桿的直徑，轉(zhuǎn)向機(jī)行程，輪跳行程，后橋的柔性體，輪胎型號(hào)及等信息。大部分?jǐn)?shù)據(jù)需要工程圖紙或基于樣車(chē)數(shù)據(jù)測(cè)量的支持。整車(chē)模型的建立被特征化成簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)模塊，如轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，前懸架，

6、后懸架等.以前懸，后懸扭桿梁，前驅(qū)前轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)為例，建立的模型如圖 1 所示。圖 1. 多體車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型3 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能分析及優(yōu)化MotionView提供了相應(yīng)的分析工況，用戶(hù)也可以基于MDL語(yǔ)言編寫(xiě)的分析工況。在MotionView的環(huán)境下，可以直接調(diào)用HyperStudy模塊，實(shí)現(xiàn)多體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化和隨機(jī)研究功能。下面是一個(gè)通過(guò)MotionView做動(dòng)力學(xué)性能分析，利用HyperStudy優(yōu)化前懸硬點(diǎn)的例子。因?yàn)橛绊懬皯覄?dòng)力學(xué)性能的硬點(diǎn)參數(shù)較多，在做優(yōu)化前，先做DOE分析，得到各個(gè)變量對(duì)各個(gè)響應(yīng)的貢獻(xiàn)量。DOE的設(shè)計(jì)變量是前懸7個(gè)硬點(diǎn)（臂外球頭- 2 -Altair 2010 Hy

7、perWorks 技術(shù)大會(huì)集點(diǎn)，轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)、外球頭點(diǎn)，臂與副車(chē)架的兩個(gè)連接點(diǎn)，減震器上支柱與車(chē)身的連接點(diǎn)，減震器筒的下端中心點(diǎn)）的坐標(biāo)值，共21個(gè)，每個(gè)變量取兩個(gè)水平，設(shè)計(jì)矩陣選取的HyperStudy自帶的L32正交設(shè)計(jì)矩陣；共建立了16個(gè)響應(yīng)（包括懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和柔性變形特性參數(shù)，以及懸架本身幾何特性參數(shù)，如隨車(chē)輪上跳或車(chē)身側(cè)傾的車(chē)輪轉(zhuǎn)角變化量，在側(cè)向力或縱向力作用下的車(chē)輪轉(zhuǎn)角變化量，主銷(xiāo)內(nèi)傾角、后傾角等）；最后綜合考慮各個(gè)響應(yīng)，得到貢獻(xiàn)量較大的12個(gè)設(shè)計(jì)變量。然后選用了自適應(yīng)優(yōu)化算法重點(diǎn)這12個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，以滿(mǎn)足懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和柔性變形特性參數(shù)的目標(biāo)要求，根據(jù)最終的優(yōu)化方案初步確定了前懸

8、硬點(diǎn)。圖2是以側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)為例，21個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)其的貢獻(xiàn)量柱狀圖。圖 2 各變量對(duì)側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)的貢獻(xiàn)量4 懸架零件載荷計(jì)算與輸出在懸架設(shè)計(jì)中，懸架零件的應(yīng)力疲勞計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化是零件設(shè)計(jì)的重要步驟，其過(guò)程是先通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出各個(gè)工況下零件載荷，將載荷輸入零件有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，然后再將零件的應(yīng)力和應(yīng)變信息輸入疲勞分析軟件做疲勞分析。可見(jiàn)，零件載荷的準(zhǔn)確輸入是結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲勞計(jì)算的先決條件。底盤(pán)零件的載荷計(jì)算一般有三種方法， 準(zhǔn)靜態(tài)載荷分析法、半分析載荷法和全分析載荷法，基于MDL語(yǔ)言編寫(xiě)了相應(yīng)的分析工況模版。在實(shí)際情況中會(huì)根據(jù)開(kāi)發(fā)的不同階段選取不同的方法來(lái)計(jì)算載荷。Motio

9、nView中的載荷輸出工具和疲勞分析工具使得計(jì)算的載荷和應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果可以方便的輸出，并且支持相關(guān)有限元軟件和疲勞軟件的輸出格式。以某扭力梁后橋?yàn)槔d荷計(jì)算完成后，可以使用Load Export工具直接將扭力梁后橋界面點(diǎn)的載荷結(jié)果轉(zhuǎn)化成Nastran 格式的載荷約束文件，直接調(diào)用到Nastran有限元模型中進(jìn)行應(yīng)力疲勞分析，不需要做任何處理。另外，扭力 用柔體建模，做完載荷分析后，MotionView對(duì)柔體的后處理功能可以直接查看后橋柔體在各個(gè)工況下的應(yīng)力情況（如圖3示），還可以使用MotionView的Fatigue- 3 -Altair 2010 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集Prep工

10、具直接將柔體應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果輸入給疲勞分析軟件nCode做疲勞分析。圖 3 某扭力梁后橋應(yīng)力圖5 懸架零件動(dòng)態(tài)間隙校核懸架零件動(dòng)態(tài)間隙校核重要性顯而易見(jiàn)，它不但影響懸架零件本身的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)，也會(huì)影響到周邊零件（如車(chē)身縱梁）的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)。對(duì)懸架零件的動(dòng)態(tài)間隙校核，可以分為四類(lèi)，1） 第一類(lèi)是變形很小的剛性懸架零件與車(chē)身零件或相對(duì)車(chē)身不動(dòng)的零件的間隙校核（如懸架下臂和車(chē)身縱梁的間隙校核）。一般是通過(guò) MotionView 將懸架零件上三個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的坐標(biāo)輸出，然后在 UG 生成零件包絡(luò)（如圖 4），再放到整車(chē) UG 模型中進(jìn)行間隙校核，這樣不但方便檢查，也便于相關(guān)車(chē)身零件根據(jù)懸架零件包絡(luò)做更改設(shè)計(jì)

11、。圖 4 前懸下臂的 UG 包絡(luò)2） 第二類(lèi)是剛性懸架零件與相對(duì)車(chē)身運(yùn)動(dòng)的零件的間隙校核（如下臂與輪胎的間隙校核）。這一類(lèi)間隙校核不便于像第一類(lèi)那樣在 UG 中生成包絡(luò)面，因?yàn)閮蓚€(gè)零件都是相對(duì)車(chē)身運(yùn)動(dòng)的，但是通過(guò) MotionView 中的 Collisions 工具，可以方便的做間隙檢查。如圖 5 所示，將輪胎和下臂的幾何添加到 MotionView 的動(dòng)畫(huà)顯示中，用 Collisions 工具設(shè)定最小間隙的值，運(yùn)行動(dòng)畫(huà)，在不滿(mǎn)足給定判定標(biāo)準(zhǔn)的工況，動(dòng)畫(huà)會(huì)暫停并可以顯示間隙不滿(mǎn)足要求的區(qū)域。- 4 -Altair 2010 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集圖 5 在 MotionView 中

12、輪胎和下臂的間隙檢查3） 第三類(lèi)是有大變形的懸架零件與車(chē)身零件或相對(duì)車(chē)身不動(dòng)的零件的間隙校核（如穩(wěn)定桿和車(chē)身縱梁的間隙校核）。以穩(wěn)定桿為例，先將穩(wěn)定桿作為柔體建到動(dòng)力學(xué)模型中， 完成相關(guān)工況計(jì)算后，用 MotionView Utilities 工具中 export deformed shape 選項(xiàng)，將穩(wěn)定體在某一時(shí)刻下變形后的形狀以 Nastran 格式的文件輸出，在經(jīng)過(guò)處理，就可以在 UG里生成穩(wěn)定桿在此時(shí)刻變形后的幾何面。圖 6 所示就是用這種方法生成的穩(wěn)定桿 UG 包絡(luò)，再放到整車(chē) UG 模型中進(jìn)行間隙校核。圖 6 穩(wěn)定桿的 UG 包絡(luò)4） 第四類(lèi)是大變形的懸架零件與相對(duì)車(chē)身運(yùn)動(dòng)的零件

13、的間隙校核（下臂與穩(wěn)定桿的間隙校核）。這類(lèi)間隙校核和第二類(lèi)的相似，但大變形的懸架零件在動(dòng)力學(xué)模型中要建成柔體做計(jì)算，計(jì)算完成后，在 MotionView 中動(dòng)畫(huà)檢查間隙。6 結(jié)論通過(guò)本文的介紹，多體動(dòng)力學(xué)在懸架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中尤其是在前期開(kāi)發(fā)階段發(fā)揮著重要作用。動(dòng)力學(xué)軟件 MotionView 高效靈活的前、后處理，對(duì)柔體處理的強(qiáng)大功能以及與第軟件的無(wú)縫接口，有效快速地支持了懸架零件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。7 參考文獻(xiàn)1 Ligang Liu, Xiaofeng Ran, Life Li. Hybrid Vehicle Road Loads Simulation and Correlation. SAE

14、paper No. 2007-01-1202.2 Altair Engineering,MotionSolve10.0 Users Guide,2009,Tory,MI- 5 -Altair 2010 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)集MotionView Application in Suspension DesignAbstract： In order to reduce the cost and developing time, CAD and CAE application is more and more important during vehicle advanced developing period. This paperintroduced the application of dynamic software Motio