CN113919199A - 一种轻量化转向节的强度工况快速分析评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻量化转向节的强度工况快速分析评价方法，包括设计第d版转向节实体数模结构、仿真模型前处理、赋予材料属性和进行硬点相关参数设置、进行第1强度工况相关参数设置、得到第1版网格信息文件和第1工况信息文件、得到n个强度工况对应的n个工况信息文件、使用批处理文件生成模块生成批处理文件、批量提交计算、评价强度性能等步骤。本发明的该种分析评价方法节约时间、加快轻量化转向节的开发效率。
Description
技术领域
本发明涉及CAE分析领域，尤其涉及一种轻量化转向节的强度工况快速分析评价方法。
背景技术
转向节是汽车悬架系统的安全件之一，能够使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向，转向节的功能是承受汽车前部和后部载荷，支撑并带动车轮主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受多变的冲击载荷，因此要求其具有很高的安全性，在这些载荷的作用下,转向节的强度具有非常重要的作用，其失效就会导致汽车丧失灵活转弯的能力，造成不可预料的生命财产损失。为了满足轻量化的需求，需要对转向节进行重新设计；为了判断重新设计后的转向节强度是否符合设计要求，需要对其进行强度分析。
转向节的强度分析一般具有多个强度工况，传统的仿真分析方法需要对各个工况一一的计算，分析完一个后，再处理下一个工况的分析，需要一直盯着计算机，占用的个人时间和电脑的时间都较长。并且要设计出性格合格的转向节，通常来说一版实体数模结构是不够的，需要多次修改优化，有时需要修改十几版实体数模结构甚至更多。因实体数模结构的更改，需要重新进行强度工况的仿真分析，大部分工作还需要重头开始，尤其是转向节的工况一般都比较多，这样因为数据修改会大量浪费宝贵的时间进行重复性工作。
因此，需要一种节约分析时间，加快开发效率的强度工况快速分析评价方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种节约时间、加快开发效率的强度工况快速分析评价方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种轻量化转向节的强度工况快速分析评价方法包括以下步骤：
S0、令d＝1；
S1、根据轻量化减重目标设计第d版转向节实体数模的结构；
S2、仿真模型前处理：将所述转向节实体数模导入有限元前处理软件，对所述第d版转向节实体数模结构进行仿真模型前处理包括创建硬点集、进行网格划分，导出前处理信息文件；
S3、赋予材料属性和进行硬点相关参数设置：将所述前处理信息文件导入有限元求解软件，赋予材料属性，并进行硬点相关参数设置；
S4、判断d≤1是否成立，若为是，则转到步骤S5；若为否，则转到步骤X5；
S5、进行第1强度工况相关参数设置；
S6、得到第1版网格信息文件和第1工况信息文件：输出第1版仿真分析文件，并将第1版仿真分析文件拆分为第1版网格信息文件和第1工况信息文件，所述第1版网格信息文件包括步骤S2的仿真模型前处理信息、步骤S3的材料属性和硬点相关参数信息，所述第1工况信息文件包括步骤S5的第1强度工况相关参数信息；
S7、得到n个强度工况对应的n个工况信息文件：以所述第1工况信息文件为基础，根据第2强度工况，修改所述第1工况信息文件中的工况信息，得到第2工况信息文件，重复该步骤直至得到第n强度工况的第n工况信息文件，从而得到n个强度工况对应的n个工况信息文件；
该步骤只需要修改第1工况信息文件中的载荷值就能得到对应的其他强度工况下的工况信息文件，不需要重复进行前述步骤，简化了分析流程，提高分析效率。
S8、使用批处理文件生成模块生成批处理文件：批处理文件生成模块能自动提取所述第1版网格信息文件的数据，与第k工况信息文件的数据，组合成完整的第k强度工况仿真分析数据，所述k依次取值1、2、3……直至n，得到包含n个强度工况仿真分析数据的批处理文件，完成此步骤后转到步骤S9；
该步骤由于各个强度工况的网格信息都没有发生改变，因此都能使用所述第1版网格信息文件，从而节约了获得对应网格信息文件的时间。
X5、导出第d版网格信息文件：所述第d版网格信息文件包括步骤S2的仿真模型前处理信息、步骤S3的材料属性和硬点相关参数信息；
X6、使用批处理文件生成模块生成批处理文件：所述批处理文件生成模块能自动提取所述步骤X5得到的第d版网格信息文件的数据，与所述步骤S6-S7得到的第k工况信息文件的数据，组合成完整的第k强度工况仿真分析数据，所述k依次取值1、2、3……直至n，得到包含n个强度工况仿真分析数据的批处理文件；完成本步骤后，转到步骤S9；
该步骤n个工况信息文件采用步骤S6-S7得到的n个工况信息文件的数据，因为不同版本的转向节实体数模结构均在同样的强度工况下进行分析，不需要重新得到工况信息文件，节约了分析时间。
S9、批量提交计算：具有批处理文件计算模块，向所述批处理文件计算模块提交所述批处理文件，就能够一次性计算得到n个强度工况的应力分布结果；
该批处理文件计算模块能使用批处理文件，调用有限元求解软件(例如abaqus)进行计算。
该步骤只需要提交一次计算就能够得到n个强度工况的结果，这样在电脑计算分析的同时，工程师可以干其他工作，不会占用工程师时间，也不用一直查看分析的进度，只有电脑在后台进行分析计算，大大节约了时间。现有技术中，要得到n个强度工况的结果需要提交n次，需要工程人员等待前一次计算结束后，再提交下一个工况的计算，非常耗时耗力。
S10、评价强度性能：若得到的n个应力分布结果全部满足强度工况评判指标，则为合格，结束流程；若有至少一个应力分布结果不满足强度工况评判指标，则为不合格，使得d＝d+1，返回步骤S1。
为了得到更准确的应力分布结果，所述步骤S2、仿真模型前处理包括建立隐藏部件A1步骤，具体为：所述转向节实体数模具有多个安装孔，针对每个所述安装孔建立环形的隐藏部件，所述隐藏部件自所述安装孔的外缘径向延伸，所述隐藏部件的厚度至少为2倍网格大小；且将所有的隐藏部件与转向节主体切割开来，将转向节主体、隐藏部件分别保存在部件集1、部件集2内；
对应的，所述步骤S9、批量提交计算与步骤S10、评价强度性能步骤之间具有步骤：S9.5、修正应力分布结果：依次打开n个强度工况的应力分布结果，并隐藏所述部件集2，得到对应的修正后的n个应力分布结果。
转向节上设有多个安装孔，所述转向节通过安装孔与周边件接触连接装配，在仿真分析计算时，周边件简化成一个硬点，然后通过硬点和接触面建立连接来模拟转向节与周边件的连接。在分析计算时，所述安装孔内表面作为耦合面与所述硬点建立连接，在耦合面附近会出现应力集中，应力集中会造成耦合面附近的应力非常大，会远超部件的真实应力，造成分析计算结果不准确，因此一般耦合面附近的应力我们是不考虑的，在后处理时，我们一般都会把耦合面附近的网格隐藏掉。
现有技术中每次手动隐藏耦合面附近的网格数量和位置也很难保持一致，这样就会造成每个工况此处的应力大小不一样；并且工作量重复且巨大，不仅耗费大量的时间去隐藏网格，并且显示的结果还会出现误差。
该建立隐藏部件步骤与S9.5步骤互相配合通过隐藏部件集2就能快速、准确地一次性隐藏所有应力集中的网格，可以避免因手动隐藏网格而造成的应力结果显示误差。
优选的，所述步骤S2、仿真模型前处理的具体步骤为：
a、导入有限元前处理软件：把转向节实体数模导入有限元前处理软件(例如Hypermesh)；
b、创建硬点集：在有限元前处理软件里依次输入各个硬点的点坐标，得到各个硬点，并建立一个硬点集，将所述各个受力硬点保存在所述硬点集内；
c、所述建立隐藏部件步骤，参见前文；
d、网格划分：网格划分时一般采用二阶四面体，网格大小选择3mm左右，关键区域可以用细一点的网格，并且为了保证精度，最小厚度方向网格需保证2层以上；
其中所述隐藏部件要保证有两圈网格。
优选的，所述S3、赋予材料属性和进行硬点相关参数设置具体步骤为：
a、把所述前处理信息文件导入有限元求解软件(例如abaqus)，并赋予材料属性。
b、给硬点重命名：对所述硬点集内的硬点进行重命名，依次命名为C1、...、Cn。
c、建立关联：根据各个硬点和对应周边件的装配关系，创建各个硬点的对应的关联，本发明的关联选用刚性连接关系。优选的具体步骤为：在求解器Abaqus里建立刚性连接关系(kinematic)；控制点(control point)选择步骤2重命名后的硬点，表面(surface)选择和硬点对应的耦合面，按此方式依次创建所有硬点的关联方式。
该步骤对硬点进行了重命名：
仿真分析软件在计算强度工况仿真分析数据时，是先通过识别硬点的名字，然后再读取该硬点上x、y、z、绕x、绕y、绕z六个方向的载荷值。
对硬点重命名有如下好处：
1、方便在后续步骤S6-S7中(得到n个强度工况对应的n个工况信息)快速找到需要修改的硬点。硬点的名字可以是数字、字母以及他们之间的相互组合，系统默认节点的名字是节点的节点号，节点号一般有五位或六位数字，甚至更大，不方便后期创建其他强度工况的工况信息。
2、仿真分析前期准备资料中的各硬点上x、y、z、绕x、绕y、绕z六个方向的载荷值一般存放是在XLSX工作表中的，是按硬点的顺序依次排列展开的，因此对硬点也按照此顺序依次重命名。可以快速对硬点不同方向加载不同的载荷值，后期也便于检查。
优选的，所述步骤S5、进行第1强度工况相关参数设置，具体步骤为：
a、建立分析步：选用隐式非线性分析类型，为了方便收敛，初始步设置0.01。
b、施加载荷与约束：根据第1强度工况要求，给各个硬点C1、C2、...、Cn施加对应x、y、z、绕x、绕y、绕z六个方向的载荷值；并选用惯性释放约束。惯性释放约束分析的外载荷有一系列平动和转动加速度平衡，这些加速度组组成体载荷，分布在整个转向节结构上，这些载荷的矢量刚好使作用在转向节结构上的总载荷为0；这就为分析提供了一种稳态的应力和变形，相当于转向节在这些载荷作用下做自由匀加速运动，使得分析结果更为准确。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的步骤S6-S7，只需要修改第1工况信息文件中的载荷值就能得到对应的其他强度工况下的工况信息文件，不需要重复进行设置步骤，节约了分析时间；
2、步骤S8由于各个强度工况的网格信息都没有发生改变，因此都能使用所述第1版网格信息文件，从而节约了获得对应网格信息文件的时间；
3、步骤X6 n个工况信息文件采用步骤S6-7得到的n个工况信息文件的数据，因为不同版本的转向节实体数模结构均在同样的强度工况下进行分析，不需要重新得到工况信息文件，节约了分析时间；
4、步骤S8、X6均生成了批处理文件，配合S9步骤的批处理文件计算模块就能一次性计算得到n个强度工况的应力分布结果，不需要逐个操作计算，大大节约了时间；
综上所述，本发明通过各个步骤之间的相互配合，将强度分析中的各个设置过程最终转化成了获得对应的网格信息文件和工况信息文件，最后将需要计算的n个工况的强度工况仿真分析数据都整合到了批处理文件中，只需要向批处理文件计算模块提交一次批处理文件，即可一次性计算得到n个强度工况的应力分布结果，简化了分析流程，节约分析时间，加快转向节的开发流程。
附图说明
图1为本发明的实施例的快速分析评价方法的流程图；
图2为本发明的实施例的隐藏部件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示为本实施例的快速分析评价方法的流程图，该种轻量化转向节的强度工况快速分析评价方法包括以下步骤：
S0、令d＝1
S1、根据轻量化减重目标设计第d版转向节实体数模结构；
S2、仿真模型前处理：优选的，仿真模型前处理包括导入有限元前处理软件、创建硬点集、建立隐藏部件、网格划分以及导出前处理信息文件，具体步骤如下；
1、导入有限元前处理软件：把转向节实体数模导入有限元前处理软件，本实施例使用Hypermesh。
2、创建硬点集：在有限元前处理软件里依次输入各个硬点的点坐标，得到各个硬点，并建立一个硬点集，将各个受力硬点保存在硬点集内。
3、建立隐藏部件：转向节实体数模具有多个安装孔，针对每个安装孔建立环形的隐藏部件A1，隐藏部件A1自安装孔的外缘径向延伸，隐藏部件A1的厚度至少为2倍网格大小；且将所有的隐藏部件A1与转向节主体A2切割开来，将转向节主体A2、隐藏部件A1分别保存在部件集1、部件集2内；隐藏部件A1结构如图2所示；
4、网格划分：网格划分时一般采用二阶四面体，网格大小选择3mm左右，关键区域可以用细一点的网格，并且为了保证精度，最小厚度方向网格需保证2层以上。其中隐藏部件A1要保证有两圈网格。
5、导出前处理信息文件：导出包括1-4步骤处理后的硬点集、隐藏部件、网格划分信息的前处理信息文件。
S3、赋予材料属性和进行硬点相关参数设置：优选的，具体包括以下步骤：
1、把前处理信息文件导入有限元求解软件，本实施例为abaqus，本实施例的材料为铝合金，赋予相应的材料属性。
2、给硬点重命名：对硬点集内的硬点进行重命名，依次命名为C1、...、Cn。
3、建立关联：根据各个硬点和对应周边件的装配关系，创建各个硬点的对应的关联，本发明的关联选用刚性连接关系。优选的具体步骤为：在求解器Abaqus里建立刚性连接关系(kinematic)；控制点(control point)选择步骤2重命名后的硬点，表面(surface)选择和硬点对应的耦合面，按此方式依次创建所有硬点的关联方式。
S4、判断d≤1是否成立，若为是，则转到步骤S5；若为否，则转到步骤X5；
S5、进行第1强度工况相关参数设置，优选的包括以下步骤：
1、建立分析步：选用隐式非线性分析类型，为了方便收敛，初始步设置0.01。
2、施加载荷与约束：根据第1强度工况要求，给各个硬点C1、C2、...、Cn施加对应x、y、z、绕x、绕y、绕z六个方向的载荷值；并选用惯性释放约束。惯性释放约束分析的外载荷有一系列平动和转动加速度平衡，这些加速度组组成体载荷，分布在整个转向节结构上，这些载荷的矢量刚好使作用在转向节结构上的总载荷为0；这就为分析提供了一种稳态的应力和变形，相当于转向节在这些载荷作用下做自由匀加速运动，使得分析结果更为准确。
S6、得到第1版网格信息文件和第1工况信息文件：输出第1版仿真分析文件，并将第1版仿真分析文件拆分为第1版网格信息文件和第1工况信息文件，第1版网格信息文件包括步骤S2的仿真模型前处理信息、步骤S3的材料属性和硬点相关参数信息，第1工况信息文件包括步骤S5的第1强度工况相关参数信息；
S7、得到n个强度工况对应的n个工况信息文件：以第1工况信息文件为基础，根据第2强度工况，修改第1工况信息文件中的工况信息(该工况信息一般为x、y、z、绕x、绕y、绕z六个方向的载荷值)，得到第2工况信息文件，重复该步骤直至得到第n强度工况的第n工况信息文件，从而得到n个强度工况对应的n个工况信息文件；
该步骤只需要修改第1工况信息文件中的载荷值就能得到对应的其他强度工况下的工况信息文件，不需要重复进行前述步骤，简化了分析流程，提高分析效率。
S8、使用批处理文件生成模块生成批处理文件：批处理文件生成模块能自动提取第1版网格信息文件的数据，与第k工况信息文件的数据，组合成完整的第k强度工况仿真分析数据，k依次取值1、2、3……直至n，得到包含n个强度工况仿真分析数据的批处理文件；完成该步骤后转到步骤S9。
该步骤由于各个强度工况的网格信息都没有发生改变，因此都能使用第1版网格信息文件，从而节约了获得对应网格信息文件的时间。
X5、导出第d版网格信息文件，第d版网格信息文件包括包括步骤S2的仿真模型前处理信息、步骤S3的材料属性、步骤S4的硬点重命名信息、步骤S5的关联信息；
X6、使用批处理文件生成模块生成批处理文件：批处理文件生成模块能自动提取步骤X5得到的第d版网格信息文件的数据，与步骤S6-S7得到的第k工况信息文件的数据，组合成完整的第k强度工况仿真分析数据，k依次取值1、2、3……直至n，得到包含n个强度工况仿真分析数据的批处理文件；完成本步骤后，转到步骤S9。
该步骤n个工况信息文件采用步骤S6-S7得到的n个工况信息文件的数据，因为不同版本的转向节实体数模结构均在同样的强度工况下进行分析，不需要重新得到工况信息文件，节约了分析时间。
S9、批量提交计算：具有批处理文件计算模块，向批处理文件计算模块提交批处理文件，就能够一次性计算得到n个强度工况的应力分布结果。
该批处理文件计算模块能使用批处理文件，调用有限元求解软件(例如abaqus)进行计算。
该步骤只需要提交一次计算就能够得到n个强度工况的结果，这样在电脑计算分析的同时，工程师可以干其他工作，不会占用工程师时间，也不用一直查看分析的进度，只有电脑在后台进行分析计算，大大节约了时间。现有技术中，要得到n个强度工况的结果需要提交n次，需要工程人员等待前一次计算结束后，再提交下一个工况的计算，非常耗时耗力。
S9.5、修正应力分布结果：依次打开n个强度工况的应力分布结果，并隐藏部件集2，得到对应的修正后的n个应力分布结果。
如前转向节的安装孔附近的应力分布分析结果不准确，为了得到准确的应力分布结果需要对其进行隐藏，现有技术中每次手动隐藏耦合面附近的网格数量和位置也很难保持一致，这样就会造成每个工况此处的应力大小不一样；并且工作量重复且巨大，不仅耗费大量的时间去隐藏网格，并且显示的结果还会出现误差。
该步骤通过隐藏部件集2就能快速、准确地一次性隐藏所有应力集中的网格，可以避免因手动隐藏网格而造成的应力结果显示误差。
S10、评价强度性能：若得到的n个应力分布结果全部满足强度工况评判指标，则为合格，结束流程；若有至少一个应力分布结果不满足强度工况评判指标，则为不合格，使得d＝d+1，返回步骤S1。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种轻量化转向节的强度工况快速分析评价方法，其特征在于包括以下步骤：
S0、令d＝1；
S1、根据轻量化减重目标设计第d版转向节实体数模的结构；
S2、仿真模型前处理：将所述转向节实体数模导入有限元前处理软件，对所述第d版转向节实体数模结构进行仿真模型前处理包括创建硬点集、和进行网格划分，导出前处理信息文件；
S3、赋予材料属性和进行硬点相关参数设置：将所述前处理信息文件导入有限元求解软件，赋予材料属性，并进行硬点相关参数设置；
S4、判断d≤1是否成立，若为是，则转到步骤S5；若为否，则转到步骤X5；
S5、进行第1强度工况相关参数设置；
S6、得到第1版网格信息文件和第1工况信息文件：输出第1版仿真分析文件，并将第1版仿真分析文件拆分为第1版网格信息文件和第1工况信息文件，所述第1版网格信息文件包括步骤S2的仿真模型前处理信息、步骤S3的材料属性和硬点相关参数信息，所述第1工况信息文件包括步骤S5的第1强度工况相关参数信息；
S7、得到n个强度工况对应的n个工况信息文件：以所述第1工况信息文件为基础，根据第2强度工况，修改所述第1工况信息文件中的工况信息，得到第2工况信息文件，重复该步骤直至得到第n强度工况的第n工况信息文件，从而得到n个强度工况对应的n个工况信息文件；
S8、使用批处理文件生成模块生成批处理文件：批处理文件生成模块能自动提取所述第1版网格信息文件的数据，与第k工况信息文件的数据，组合成完整的第k强度工况仿真分析数据，所述k依次取值1、2、3……直至n，得到包含n个强度工况仿真分析数据的批处理文件，完成此步骤后转到步骤S9；
X5、导出第d版网格信息文件：所述第d版网格信息文件包括步骤S2的仿真模型前处理信息、步骤S3的材料属性和硬点相关参数信息；
X6、使用批处理文件生成模块生成批处理文件：所述批处理文件生成模块能自动提取所述步骤X5得到的第d版网格信息文件的数据，与所述步骤S6-S7得到的第k工况信息文件的数据，组合成完整的第k强度工况仿真分析数据，所述k依次取值1、2、3……直至n，得到包含n个强度工况仿真分析数据的批处理文件；完成本步骤后，转到步骤S9；
S9、批量提交计算：具有批处理文件计算模块，向所述批处理文件计算模块提交所述批处理文件，就能够一次性计算得到n个强度工况的应力分布结果；
S10、评价强度性能：若得到的n个应力分布结果全部满足强度工况评判指标，则为合格，结束流程；若有至少一个应力分布结果不满足强度工况评判指标，则为不合格，使得d＝d+1，返回步骤S1。
2.根据权利要求1所述的轻量化转向节的强度工况快速分析评价方法，其特征在于：所述步骤S2、仿真模型前处理包括建立隐藏部件步骤，具体为：所述转向节实体数模具有多个安装孔，针对每个所述安装孔建立环形的隐藏部件(A1)，所述隐藏部件(A1)自所述安装孔的外缘径向延伸，所述隐藏部件(A1)的厚度至少为2倍网格大小；且将所有的隐藏部件(A1)与转向节主体(A2)切割开来，将转向节主体(A2)、隐藏部件(A1)分别保存在部件集1、部件集2内；
对应的，所述步骤S9、批量提交计算与步骤S10、评价强度性能步骤之间具有步骤：S9.5修正应力分布结果：依次打开n个强度工况的应力分布结果，并隐藏所述部件集2，得到对应的修正后的n个应力分布结果。
3.根据权利要求2所述的轻量化转向节的强度工况快速分析评价方法，其特征在于：所述步骤S2、仿真模型前处理的具体步骤为：
a、导入有限元前处理软件：把转向节实体数模导入有限元前处理软件；
b、创建硬点集：在有限元前处理软件里依次输入各个硬点的点坐标，得到各个硬点，并建立一个硬点集，将所述各个受力硬点保存在所述硬点集内；
c、所述建立隐藏部件步骤；
d、网格划分：网格划分时一般采用二阶四面体，网格大小选择3mm左右，关键区域可以用细一点的网格，并且为了保证精度，最小厚度方向网格需保证2层以上；其中所述隐藏部件(A1)要保证有两圈网格。
4.根据权利要求3所述的轻量化转向节的强度工况快速分析评价方法，其特征在于：所述S3、赋予材料属性和进行硬点相关参数设置具体步骤为：
a、把所述前处理信息文件导入有限元求解软件，并赋予材料属性；
b、给硬点重命名：对所述硬点集内的硬点进行重命名，依次命名为C1、...、Cn；
c、建立关联：根据各个硬点和对应周边件的装配关系，创建各个硬点的对应的关联，本发明的关联选用刚性连接关系。
5.根据权利要求4所述的轻量化转向节的强度工况快速分析评价方法，其特征在于：所述步骤S5、进行第1强度工况相关参数设置，具体步骤为：
a、建立分析步：选用隐式非线性分析类型，为了方便收敛，初始步设置0.01；
b、施加载荷与约束：根据第1强度工况要求，给各个硬点C1、C2、...、Cn施加对应x、y、z、绕x、绕y、绕z六个方向的载荷值；并选用惯性释放约束。
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