汽車工業

汽車工業在工業成長的歷程中佔有舉足輕重的地位,在CAE分析之中更是應用最為廣泛的領域之一。由於近年來汽車在安全性、輕量化、節能環保各方面的需求日益提升,許多新技術跟新素材的使用,都可以經由CAE的模擬得到更好的驗證,在設計整體流程中透過不同的電腦數值模擬,協助設計人員更快速的開發新產品與新車型,長期累計可節省相當多的實驗成本。

今日Abaqus在汽車工業的應用已經越來越廣泛,模擬的方式也更貼近真實世界的模型,充分發揮Abaqus在非線性分析與接觸的卓越能力。由於Abaqus有自己的standard與explicit求解器,讓使用者可以更方便針對不同的問題選用不同的求解器求解,並可在同一介面中切換不同的求解器,模擬加工流程與不同的環境歷程,透過穩定的平行運算效能加速運算,直接提供工程師最方便的研發模擬平台。

另一方面Abaqus原廠長期與世界各大車廠密切合作開發新的模擬技術,使得在汽車領域的模擬無論真實性與效能都可以領先同業,充分展現研發團隊整合創新的理念,因此深深獲得世界各大車廠的信任與採用。目前的用戶幾乎囊括了世界各主要車廠以及眾多協力廠商,德國著名車廠BMW更是全面改用Abaqus作為其汽車碰撞的模擬器。

Abaqus在汽車產業的運用非常廣泛,物理的尺度上由巨觀到微觀來看,主要可以分為整車分析,系統分析、零組件分析與材料分析四個層級。依求解的類型又可分為穩態與暫態兩種形式,再搭配結構、熱傳、聲場、電場多物理場的耦合,以及多體動力學的模擬能力;舉凡整車碰撞、轉向系統、噪音振動、安全氣囊、乘客保護、輪胎動態、行車穩定、動力系統、行人安全分析等各種複雜的分析皆可以實現,同時與各車廠合作的實務上得到相當良好的印證。


 

虛擬道路操控性能測試

這是Chevrolet C1500型的小貨卡有限元素整車模型,包含各種主要零件及車體結構,這些零件我們可以分別採用三維梁元素、板殼元素、實體元素來構成。

  

 

 使用Abaqus/Standard求解卡車負重與煞車的效應,可以分析出最大應力發生在與底盤連接的懸吊系統零件上,並可判斷材料是否發生降服。下圖分別為負重與煞車時的應力分佈圖。

(重力荷載下的底盤的應力分佈) (刹車制動時底盤的應力分佈)

使用子結構技術簡化問題:
分析卡車在不平整的路面上行駛,將車輛運動中線彈性變形的零件建立成子結構,總共建立約二十幾個子結構(如底盤、輪軸、A臂、輪胎、驅動軸、油箱等),並利用couling以及connector element來組裝零件及設定相應的連結功能(如hinge、joint、axial、revolute等)。下圖中不同的顏色分別代表不同的子結構。在本實例中,用子結構的技術來分析比使用一般元素分析運算速度快了約120倍。

 

 

汽車碰撞分析

國外許多的汽車製造商對碰撞模擬進行了很多年,但在進行真正可預測的碰撞模擬還有許多工作要做。現今的汽車碰撞分析,不僅僅是模擬碰撞當下車體結構的受力與變形,甚至需要將安全氣囊、安全帶緊縮裝置、乘客安全與行人安全作全盤的考量,更可以搭配控制軟體加入sensor與actuator來模擬車輛主動與被動的安全性。Abaqus同其重要客戶德國BMW汽車公司一起努力開發新一代的防撞性能模擬技術,多項新技術已經實際運用於現行車種的模擬。基於Abaqus強大的結構分析研發工作,我們將為客戶提供真正可預測的碰撞分析解決方案。

有限元素全車模型

  

 

歐盟汽車碰撞法規示意圖

 

側向安全氣囊模擬

 

  

 

輪胎分析實例

輪胎在車輛中是直接與地面接觸,除了傳遞動力,實是安全上的第一線,舉凡胎紋的摩擦力是否良好、地面的接觸力是否足夠,在濕地與雪地中的行駛排水性是否優良等問題,都與行車安全息息相關,所以輪胎的分析是非常重要的一環。輪胎的分析是個非常複雜的問題,包含了材料非線性與多物理場耦合的問題。

裝配和充氣分析:
下圖為利用Abaqus對不同設計進行輪胎裝配充氣進行相關分析。
 

輪胎印跡分析:
下圖為某輪胎研發中心,對輪胎印跡的應力分佈進行分析,可以減少輪胎的磨損及偏磨。

輪胎穩態滾動分析:
Abaqus採用Euler與Lagrangian混合的方法進行輪胎穩態滾動分析,在整個分析中可以得到側偏力和回正力矩隨側偏角的變化情況,對輪胎的操縱性進行評估。

輪胎振動特性分析:
Abaqus中提供Lanczos和subspace兩種求解器進行特徵值的求解,同時Abaqus在穩態動力學分析中可以考慮預載及橡膠材料的粘彈性特性。

輪胎生熱分析:
Abaqus具有強大的熱固耦合分析功能,可以看出溫度分佈在胎內最高,輪胎外部溫度最低。

輪胎瞬態衝擊的模擬:
可以在Abaqus/STANDARD分析得到的穩態滾動的結果基礎上,進行相應的EXPLICIT瞬態分析結果,進而完整模擬輪胎由穩態滾動到瞬態衝擊的全過程。

輪胎在濕地行駛抓地力分析:
可以在Abaqus/Explicit中透過CEL(coupled Eulerian and Lagrangian)功能,模擬輪胎行經濕地或雪地時,是否有足夠的抓地力,是否會產生水漂現象導致車輛打滑。

 

動力傳動系統分析

動力傳動系統如同汽車的心臟與血管,引擎產生車輛運動所需的動力,並透過傳動機構傳輸動力,所以其耐久性的考量是非常重要的,而這又與結構設計的強度、零件組裝、結構振動等有非常大的關連,且汽車行駛的環境也容易導致材料疲勞的產生。又動力系統常常是在高溫的環境下運轉,伴隨著產生零件潛變與失效的問題,所以在零件的製造與材料的選用上都必須非常慎重。在Abaqus中,可以完全的模擬車輛動力傳動系統的複雜結構與環境,以下介紹GM汽車使用Abaqus模擬的一些實例。

發動機連杆強度分析:
下圖是GM汽車公司的曲軸孔扭曲的有限元模型及計算結果,分析過程中考慮了螺栓鎖固的預應力、gasket以及組裝的裝配公差等效應。

汽缸體熱應力分析:
Abaqus提供與FLUENT的介面進行流固耦合分析,可以將汽缸點火燃燒與冷卻液冷卻參數導入Abaqus模型,進行準確的結構強度與熱傳分析和模擬。世界著名的發動機公司如AVL均採用Abaqus做為其產品的分析工具。

曲柄連杆機構—機構運動的模擬:
Abaqus獨特的connector元素可以模擬複雜的機構運動,零件可以是剛體也可以是變形體。下圖為曲柄連杆機構分析的計算結果,可以模擬運動過程中零件的應力、應變變化。

中央差速器機構運動模擬:
傳動系主要是傳遞功率的作用,涉及大量的傳動齒輪,因此接觸與接觸疲勞的計算顯得尤為重要。

密封系統分析—墊片:
Abaqus採用專門的gasket元素,使用簡單的建模方法,可以在發動機分析中方便的模擬墊片部件。下圖是GM汽車公司閥體的密封分析結果,並與試驗值進行對比。

盤式制動器刹車過程分析:
刹車盤熱固耦合分析:利用Abaqus強大的熱傳以及熱固耦合分析可以對刹車盤上的溫度以及熱應力進行準確的預測。為刹車盤的設計提高強有力的參考。
  

NVH分析

動力傳動系統自由振動分析:
Abaqus已經成為汽車工業中動力系統耐久性分析的標準軟體,下圖是通用汽車公司動力系統模型,對該模型進行自由振動的特徵值提取分析。

轉向與制動系分析: 刹車盤嘯聲分析:
Abaqus可以方便的引入預緊力的影響,並利用複模態分析方法,求解系統的複特徵值問題,為結構設計提供合理的設計參數。

進排氣系統—消音器聲固耦合分析:
進排氣系統是汽車雜訊的重要來源,採用Abaqus完全或順序聲固耦合分析,可以得到其中的聲壓分佈,為發動機的降噪設計提供依據。