一、设计——分析流程的方法

　　在汽车悬架控制臂装配体的传统 设计过程中，一般是设计出一个方案后 让C A E部门进行分析，如果性能达不到 要求，就需要返回设计部门，这样周而 复始的迭代设计方式一般周期比较长， 设计的产品性能只能满足要求，并没有 考虑优化。如何利用C A D/C A E一体化平 台，在汽车悬架控制臂装配体产品开发 过程中一边设计一边进行分析，随时利 用CATIA的知识工程进行验证设计是需要 考虑的问题。设计工程师们必须从所设 计的产品要满足机械性能、制造性能和 设计考虑的要求出发，推出高性能的产品。在产品开发过程中，设计工程师通 常都会改变一定的尺寸、形状、方向和 材料的自由度，任何修改都必须确保产 品在所有载荷工况下的{zd0}应力要小于 可以接受的极限值。要做到这样，高效的工具或者方法是设计过程的一个基本 因素。

　　利用非线性结构分析A N L模块，设计工程师们可以超越标准CATIA分析的线性能力进行非线性分析，以便更好 地评估产品的设计性能。本文中使用两 种方法来展示如何利用A N L获得生产效 率。{dy}种方法就是利用C A T I A的知识 工程(knowledgeware)功能进行参数化研究来帮助做出工程决策。利用这种方法，在设计表中可以捕捉到几何和载荷参数，以便方便地进行模型的修改。第 二种方法就是把已被证明成功的分析方法做成模板，这样模板是可以重复使用 的，当设计改动后进行分析可以实现用 最少的努力达到{zd0}的分析效率。上面 所说的每种分析方法特点都是基于利用 几何形体的发布(Publication)代替几何 形体本身，这种方法只要置换整个设计 部件，便可以在分析过程中得到反映。

　　二、汽车悬架控制臂装配体案例研究

　　下面以控制臂装配体的例子来展示A N L模块是如何有效满足工程师们的 要求。

　　悬架系统在汽车的动力性能和驱 动舒适性方面起着重要的作用。控制臂 是悬架系统关键的部件之一(如图1所示)，汽车的性能取决于如何通过整个悬架系统的运动来xx地控制轮子的运 动。为此，必须仔细地对每个设计的几何变动所产生的应力变化进行研究，已 确保有一个满意的设计。

　　一般情况下汽车制造商会同时进行 很多汽车项目及成百上千的计算分析。 因此，要通过最小的努力来评估不同控 制臂模型的目标，参数化模型和分析模板是非常有价值的工具。该研究的{dy} 部分，是针对开口凹槽处有一些不同直 径的设计变化。考虑不同工况下很多设 计方案的应力评估，为简化起见，在这 个例子中仅讨论两种工况：一种是车辆经过路面凹陷时的载荷工况;另一种是 垂直作用的载荷工况。

　　在这个研究的第二部分，初始的分 析模型被用来定义成分析模板。再利用 这个分析模板来评估另一个xx不同的悬架系统设计里面的控制臂。这种利用分析模板的方法，可以容易地将不同车 种的设计进行替换分析(如图2所示)。

　　1.模型结构

　　该模型由四个几何部件组成：控制 臂、减震器支架和两个螺栓。控制臂连接转向节到底盘，转向节可以围绕下部 的一个球铰转动。用于控制垂直位移的 减震器，通过支架连接到控制臂(如图3 所示)。

　　2.非线性分析研究

　　非线性分析的要求有：用非线性 弹簧来模拟衬套的复杂行为;施加工作 载荷之前，在模型中考虑由于螺栓预紧 而引起的预紧力;考虑{yj}的材料变形(材料塑性);考虑相邻两个面和面之 间的接触。

　　分析模型要有现实的结果才有价值。ANL模块带给CATIA用户非线性分 析技术，提供既xx又有现实意义的结果。

　　(1)材料塑性为了提供准确的分析结果，控制臂的材料特性考虑了塑性(即应力超过了屈服点以后的情况)。

　　(2)复杂衬套行为

　　橡胶衬套被用作底盘的前后附件(如图4所示)。后衬套在轴向用线性弹 簧模拟，在径向用非线性弹簧来模拟其 行为(如图5所示)。

　　(3)螺栓预紧行为

　　两个螺栓把支架和控制臂连接在 一起，在控制臂连接处的应力就特别重要。因此，利用螺栓预紧连接的螺栓预 紧效应必须被准确模拟。

　　(4)面接触

　　定义两个面之间的接触特征，帮 助确保准确的分析结果。在这个分析 中，支架和控制臂之间的接触不考虑摩擦效应。

　　(5)利用设计表格进行参数化研究 通过参数化研究，设计者可以从大

　　量不同的设计中来评估应力结果。设计表格用来管理模型的大量参数，并能快 速从一个设计的参数配置切换到另外一 个设计的参数配置。

　　(6)工况参数 作为设计过程的一部分，悬架装配

　　模型需要遭受大量的工况检验，例如刹车、加速和锅穴(pothole)驱动。在这个研究中，也只有锅穴和垂直工况被考虑。这些工况有施加在底盘和下球形副的附件点上的力和力矩。图6显示了这两个工况的载荷位置和大小。总体来说，在这个分析中有15个工况参数被执行：9 个力分量和6个力矩分量。

　　(7)几何参数

　　在设计重量和成本的时候，控制 臂支架的尺寸是一个重要的影响因子。因此，设计者需要研究凹槽尺寸变动对 应力的影响。三个凹槽半径被评估：7mm、10mm和12.5mm(如图7所示)。

　　(8)通过设计表格控制参数 设计表格提供给设计者一个用来管

　　理一系列模型参数的工具，设计表格从 外部数据来驱动基于CATIA的模型参数。 这些数据被储存在一个以微软E x c e l的格 式或者文本t e x t文件的表格中，如图8 所示。在表格中的每列对应一种模型参 数，每行包含一组参数，这一组参数被 称作一个组群(group)。这些组群被称 作组合(configurations)。

　　在这个研究中，定义有6个配置： 每个凹槽半径的设计需要在两种工况 下进行测试。每次一个新的组合被选择 时，模型就会自动更新。设计工程师可以通过设计表来逐个得到每个组合下所 需要的分析结果(如图9所示)。还有一 种方法就是通过Visual Basic脚本语言循 环利用不同的设计组合进行分析。

　　这个研究的{zh1}一步就是重新利用 这个分析模型来对另外的车种的设计进行分析。对不同的汽车项目进行同样的 应力评估，这样可以达到用最小的努力达成{zd0}的效率。

　　CATIA发布的功能可以被用来创 建分析模板。利用这个方法，把几何实体(点、线、面和体等)关联到一个惟一的和描述性的名字上面。例如，下球形副附件的面关联到一个叫“L o w e r B a l l J o i n t”的发布上。所有的分析特征(例如载荷和约束)，都施加 在发布上而不是直接施加在几何上。螺栓预紧连接、弹簧、接触定义和载荷都 基于发布来创建。这种从几何形体提取分析条件的方法是创建分析模板的基本 要求，如图10所示。图11和图12展示了使用标准方法(没有使用发布)和使用 分析模板(使用了发布)的区别。使用标准方法，分析条件是直接关联到几何上。然而，利用了分析模板的方法，分 析条件都被定义到了发布上。

　　在执行大量一系列的不同几何设计 时，分析模板的方法要比标准方法具有 极大的优势。不同的设计可以使用同一 模板来分析，不过每个设计就必须使用相同的发布名字。施加分析条件到发布上来取代施加在几何上的办法使得设计工程师可以很方便地修改或者替代原来 的设计，而在几何和分析条件之间维持所有的关联性。一旦一个分析被定义， 它就能被用作其他设计方案评估的分析 模板。在这个案例中，控制臂和支架被 一个新的设计所替换，而分析模型和设 计表保持相同。所有的分析特征都自动更新关联到新的几何上，设计工程师仅 仅需要重新运行一下新的悬架系统分析 计算。图13展示了对第二个控制臂模型 的Von Mises应力结果。设计工程师很容易地比较这两个模 型的结果，并确定设计组合是否满足应力要求。

　　三、结论

　　本文这个案例展示了非线性结构分 析(A N L)能够在设计过程帮助提高生产 效率。A N L提供了包含非线性效应的精 确分析能力，并让设计工程师能够利用 如设计表格和发布等工具来实现快速分 析，最终大大缩短产品的开发周期。在需要考虑新的设计方案时，分析模板可 以很容易地帮助设计人员获得新设计的 分析结果。