開發(fā)高質(zhì)量螺栓接頭是汽車底盤設(shè)計(jì)不可或缺的組成部分。高穩(wěn)健性接頭相對(duì)于連接副車架到轉(zhuǎn)向節(jié)的連桿而言，了解其設(shè)計(jì)的人可能更少，但它卻對(duì)改進(jìn)操控、延長(zhǎng)汽車壽命至關(guān)重要。接合不嚴(yán)，就會(huì)惡化對(duì)齊不善等質(zhì)量問(wèn)題，從而影響接合組件的耐用性。設(shè)計(jì)良好的接合效率更高，能以更小型號(hào)的扣件支持更大負(fù)載，而且不會(huì)脫松。

福特汽車公司的工程師接到了為中型乘用車后懸掛系統(tǒng)開發(fā)高穩(wěn)健性懸臂式錐形接頭的任務(wù)（見圖1）。為了最大限度節(jié)約時(shí)間和成本，同時(shí)滿足功能性目標(biāo)要求，該團(tuán)隊(duì)用Abaqus for CATIA（AFC）發(fā)了自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）流程用于結(jié)構(gòu)分析，并用Isight進(jìn)行流程自動(dòng)化和最優(yōu)化。

福特的底盤CAE工程師Satyendra Savanur指出：“我們的團(tuán)隊(duì)選擇AFC 來(lái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的壓力建模和仿真實(shí)踐，采用模板 形式讓設(shè) 計(jì)機(jī) 構(gòu)中更多工程師都能使用。Isight和AFC相結(jié)合，能幫助我們開發(fā)強(qiáng)大的自動(dòng)化設(shè)計(jì)分析流程。我們采用一種近似模型中的響應(yīng)表面方法來(lái)找到最佳參數(shù)，確定接頭的尺寸?！?/span>

分析錐形接頭性能

螺栓接頭是汽車懸掛最常見的接合方式。在本應(yīng)用中，錐形接頭用來(lái)連接連桿和后轉(zhuǎn)向節(jié)，采用懸臂式連接。錐形接頭襯內(nèi)套和轉(zhuǎn)向節(jié)兩部分相連，每部分對(duì)錐角有獨(dú)特的制造公差。

為開發(fā)鋼內(nèi)套和鋁轉(zhuǎn)向節(jié)之間的穩(wěn)健錐形接頭，要考慮以下方面：每個(gè)部件的生產(chǎn)公差、錐和底座之間的接觸區(qū)域、負(fù)載移除后的錐扭矩?fù)p失角度。

為進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真測(cè)試，福特工程師采用AFC創(chuàng)建轉(zhuǎn)向節(jié)和襯內(nèi)套的有限元模型，并通過(guò)CATIA創(chuàng)建的模型獲得幾何輸入和材料屬性。AFC保持與CATIA模型的相關(guān)性，確保當(dāng)CAD模型在設(shè)計(jì)變量變化范圍內(nèi)變更時(shí)Abaqus模型更新的魯棒性。

在物理組裝流程中，鍛鋼內(nèi)錐受力緊靠鋁轉(zhuǎn)向座。由于不同部件的生產(chǎn)工藝不同，錐設(shè)計(jì)特性的角度公差不同于內(nèi)套和轉(zhuǎn)向接合表面。

Savanur指出：“由于潛在的角度不匹配問(wèn)題，當(dāng)接頭完全扭轉(zhuǎn)而且兩個(gè)表面接合時(shí)會(huì)存在接觸面積差異?！苯雍喜牧峡赡艹霈F(xiàn)局部塌陷，這就會(huì)導(dǎo)致裝配時(shí)接觸面積變化和接頭壓力分布變化。加負(fù)載情況下，接觸面積和接頭壓力可能出現(xiàn)進(jìn)一步的變化。

圖1.裝配前，采用錐形接合的止推桿（黑色）和后轉(zhuǎn)向（銀色）特寫圖。

他指出：“因此在分析中必須仿真接頭總成以及接頭工作負(fù)載的加載和卸載。我們的目標(biāo)是提供穩(wěn)健性接頭設(shè)計(jì)，解決錐體和轉(zhuǎn)向之間的全部各種錐形不匹配問(wèn)題?！?/span>

對(duì)進(jìn)行穩(wěn)健性接觸分析乃至接觸壓力分布分析，內(nèi)套筒網(wǎng)格構(gòu)建為與轉(zhuǎn)向座網(wǎng)格的配合。為協(xié)助接觸面網(wǎng)格的對(duì)齊，另外創(chuàng)建了轉(zhuǎn)向座“域”（見圖2青色），可簡(jiǎn)化接觸工作。這個(gè)部件在Abaqus內(nèi)通過(guò)固連接觸連接到轉(zhuǎn)向體其它部分。

為模擬螺栓裝配流程而創(chuàng)建內(nèi)套和轉(zhuǎn)向接頭座之間的虛擬螺栓。套中心承受外部工作負(fù)載。鋁和鋼的非線性壓力-應(yīng)變曲線導(dǎo)入AFC進(jìn)行非線性分析。接觸對(duì)和螺栓張力都在AFC中創(chuàng)建。接觸面輸出（CAREA）和接觸力強(qiáng)度（CFNM）都能用AFC進(jìn)行后處理。最后，Abaqus分析文件輸出并提交到高性能計(jì)算（HPC）集群，從而運(yùn)行分析。

管理DOE進(jìn)程

福特需要評(píng)估大量不同參數(shù)組合的設(shè)計(jì)，這促使工程師創(chuàng)建了自動(dòng)化的DOE流程。在該流程中，CAD幾何更新和FEA模型更新在相同回路中完成，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的DOE工作方式。

福特的CATIA啟動(dòng)含有一套經(jīng)定制的外部產(chǎn)品管理系統(tǒng)，在CATIA界面初始化之前通過(guò)腳本剝離產(chǎn)品管理系統(tǒng)連接。

圖2.錐形接頭的CAE網(wǎng)格。

設(shè)計(jì)參數(shù)隨后通過(guò)外部Excel文件輸入CATIA，這屬于CATIA中更新設(shè)計(jì)表的常用方法。Excel文件的輸入?yún)?shù)映射到Isight管理器的DOE任務(wù)，這支持每個(gè)回路的Excel工作表自動(dòng)更新。由于Excel同步于設(shè)計(jì)表，因此能自動(dòng)更新CATIA中的CAD幾何模型。在AFC中，幾何和FE網(wǎng)格保持關(guān)聯(lián)，因此所得的網(wǎng)格在CAD數(shù)據(jù)變化時(shí)會(huì)自動(dòng)更新。

Savanur指出：“通過(guò)開發(fā)統(tǒng)一集成過(guò)程，我們能同時(shí)驅(qū)動(dòng)幾何體和網(wǎng)格的自動(dòng)更新?！睘榱丝刂艱OE流程，用Isight作為流程自動(dòng)化管理器。所得的自動(dòng)化回路完全集成于CATIA和AFC，實(shí)現(xiàn)CAD自動(dòng)更新，能創(chuàng)建Abaqus 有限元模型，并提交工作進(jìn)行分析，最后獲得處理結(jié)果。

Isight流程中的Abaqus組件用來(lái)提取結(jié)果，包括每次運(yùn)行DOE的CAREA和CFNM（見圖3）。Excel文件的輸入?yún)?shù)隨后映射到輸出參數(shù)，以創(chuàng)建Isight近似模型。Savanur指出：“在我們這個(gè)案例中，我們用響應(yīng)表面模型近似法?！边@種錐形接頭行為近似模型可用來(lái)展示輸入如何影響輸出，并快速優(yōu)化錐形接頭。

Savanur說(shuō)：“這是福特首次用基于Isight集成化DOE自動(dòng)循環(huán)配合CATIA和Abaqus應(yīng)用于幾何體形狀的尋優(yōu)?！?/span>

Isight實(shí)現(xiàn)更高效的流程

CATIA和AFC腳本的設(shè)置、驗(yàn)證，HPC任務(wù)提交批處理文件以及Windows批處理命令文件都需要時(shí)間和資源來(lái)開發(fā)，但所花的時(shí)間是完全值得的，因?yàn)檫@些文件能在隨后的項(xiàng)目中略加修改就實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

Savanur 指出：“開發(fā) 相 關(guān) 的CATIA模型配合關(guān)聯(lián)Excel設(shè)計(jì)表再鏈接到相關(guān)AFC模型，這需要大約3天完成。修改和調(diào)試開發(fā)的腳本運(yùn)行這些新模型還需要一天時(shí)間。使用Isight，整個(gè)流程只需要三個(gè)半小時(shí)就能完成35次運(yùn)行分析?！?/span>

福特的底盤CAE總監(jiān)Joe Peters指出：“通常，手動(dòng)CAE分析流程需要兩天時(shí)間才能完成一次運(yùn)行。當(dāng)然，如果項(xiàng)目非常重要，這個(gè)時(shí)間也能縮短些，但這基本是每個(gè)工程師每天兼顧數(shù)個(gè)項(xiàng)目工作后的進(jìn)度。”

圖3.采用Isight的集成DOE自動(dòng)化流程。

數(shù)據(jù)在CAE和CAD之間來(lái)回傳輸往往造成時(shí)間效率低下，在人們要做多項(xiàng)工作情況下，在需要新的設(shè)計(jì)迭代時(shí)不能立即停下手頭的工作。這有點(diǎn)像CPU時(shí)間與墻上時(shí)鐘時(shí)間的對(duì)比。

Savanur指出：“在開展其他日常工作情況下完成所有35次運(yùn)行估計(jì)需要約70天，不過(guò)我們的新流程消除了手工CAD/CAE流程帶來(lái)的的低效問(wèn)題。通過(guò)Isight創(chuàng)建集成化、自動(dòng)化的DOE流程，我們只用大約4天就完成了這個(gè)任務(wù)。這是得益于CAE流程節(jié)約成本和時(shí)間，也是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)的唯一方法?！?/span>

Peters指出：“使用自動(dòng)化DOE流程，我們能大幅縮短開發(fā)穩(wěn)健性錐形接頭所需的時(shí)間，并盡可能減少資源占用。用自動(dòng)化流程從CAD創(chuàng)建到CAE模型生成能實(shí)現(xiàn)最大的時(shí)間節(jié)約。這充分說(shuō)明一一個(gè)事實(shí)CAE團(tuán)隊(duì)采用創(chuàng)新技術(shù)就能幫助福特實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)?！?/span>

福特采用AFC并在Isight幫助下創(chuàng)建自動(dòng)化DOE流程，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健性錐形接頭設(shè)計(jì)。這款設(shè)計(jì)展現(xiàn)出較好的接觸面，在負(fù)載移除后仍能保持夾力，而且符合指定的制造公差。