基于CATIA软件的驻车制动器有限元分析

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摘要:为了检验出能够满足所需强度的驻车制动器,文章介绍了CATIA的有限元分析功能在驻动制动器中的应用。应用CATIA软件建立驻车制动器的数字模型,并应用CATIA的自动网格划分和有限元分析功能对建立的数字模型进行应力分析并了解其受力情况及应变情况。应用结果表明,CATIA的有限元分析功能具有很大的方便性,极大地提高了设计效率。
　　 关键词: CATIA 有限元分析 驻车制动器
　　 DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.10.040
　　
　　1 引言
　　驻车制动器的英文名称:Parking Brake,是在汽车驻留在停车场地时,使汽车锁定不致溜滑的制动器。它一般都是由驾驶员用手对驻车制动手柄操纵的,所以又叫手制动器。
　　 驻车制动器通常都是靠机械传动的。它可以和行车制动器共用制动器,也可以有独立的专用制动器。目前小型汽车的驻车制动器多数利用后轮制动器,但通过机械连接装置使制动器工作。有的载货汽车在变速器和传动轴之间装有独立的中央制动器,供驻车制动专用。
　　 既然驻车制动器对汽车的启动和制动有着至关重要的作用,那么在事故发生之前对驻车制动器的整体性能做出正确合理的评估就显得很有意义。本文主要针对手操纵的驻车制动装置的冲击强度实验台进行研究。试验系统采用工业控制计算机、机电伺服、气动伺服闭环控制技术来实现驻车制动操纵手柄总成的实验。该实验台的工作过程如下:
　　将操作手柄总成固定于工作台上,固定后开始调整试件在实验台上的位置。实验台采用冲击锤通过电磁开关实现自动提升和自动释放来进行反复加载。伺服电机通过蜗轮蜗杆减速器和电磁机构自动实现冲击锤的提升和释放。操作手柄总成在承受预载荷的同时接受冲击,试验件的预载荷采用气动伺服闭环控制系统完成,由力传感器、伺服气缸、气动伺服系统和控制系统组成。冲击锤的落锤高度和速度采用进口磁致伸缩式传感器进行测量,测试精度高,具有绝对零点、非接触式测量,寿命长等优点。
　　2 有限元分析理论
　　利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素,即单元,就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
　　有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下:
　　1) 物体离散化
　　将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型,这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来;单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质,描述变形形态的需要和计算进度而定(一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确,即越接近实际变形,但计算量越大)。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物,而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样,用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理,则所获得的结果就与实际情况相符合。
　　2) 单元特性分析
　　A、 选择位移模式
　　在有限单元法中,选择节点位移作为基本未知量时称为位移法;选择节点力作为基本未知量时称为力法;取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化,所以,在有限单元法中位移法应用范围最广。
　　当采用位移法时,物体或结构物离散化之后,就可把单元总的一些物理量如位移,应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常,有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。
　　B、 分析单元的力学性质
　　根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等,找出单元节点力和节点位移的关系式,这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式,从而导出单元刚度矩阵,这是有限元法的基本步骤之一。
　　C、 计算等效节点力
　　物体离散化后,假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是,对于实际的连续体,力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而,这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去,也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。
　　3) 单元组集
　　利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来,形成整体的有限元方程
　　4) 求解未知节点位移
　　解有限元方程式得出位移。这里,可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。
　　通过上述分析,可以看出,有限单元法的基本思想是"一分一合",分是为了就进行单元分析,合则为了对整体结构进行综合分析。
　　3 CATIA分析有限元
　　利用CATIA进行有限元分析的一般流程为:
　　(1)从三维实体建模模块进入有限元分析模块。
　　(2)在形体上施加约束。
　　(3)在形体上施加载荷。
　　(4)计算(包括网格自动划分),解方程和生成应力应变结果。
　　(5)分析计算结果,单元网格、应力或变形显示。
　　(6)对关心的区域细化网格,重新计算。当分析的结果不能满足设计要求时,可以直接返回CATIA中的Mechanical Design>Part Design模块修改,进一步直接生成二维图纸,大大缩短了设计周期。
　　由于CATIA软件网格的划分是自动进行的,因此,有时候设计者并不需要完全了解有限元分析的相关内涵,对于侧重设计的工程技术人员来说,这是非常有吸引力的。使用CATIA可以方便地计算出结构的强度和应力集中情况。当把模型转到其它专门的有限元模型进行计算时,有时为了划分网格,就要花费很长时间。而在CATIA中,只要设计者转到有限元计算工作台,程序就自动划分网格,无需设计者进行手动划分。只有对特别复杂的曲面模型,有时候为了得到某个区域的精确计算结果,才手动对局部网格进行划分。
　　在左边的模型树中选中Partbody, 点击材料属性图标然后确定零件的材料。此处确定材料为Steel。其具体的物理参数如下:弹性模量E=2.1E11,泊松比p=0.266,屈服极限σS=2。5e+008Pa,密度ρ=7860kg/m3。将钢铁材料指定给长方体。然后进入结构分析工作台。对零件进行网格划分网格。点击模型检查图标对零件进行检查。显示没有错误后对手刹模型施加力,点击计算图标,出现计算资源估计对话框,显示计算占用的内存和CPU时间等。选择“是”,计算继续进行。点击米赛斯应力图标,显示米赛斯应力图。
　　图3.1 米赛斯应力图
　　米赛斯应力图像用来显示米赛斯应力场的形状。一般材料在外力作用下产生塑性变形,以流动形式破坏时,应该采用第三或第四强度理论。压力容器上用第三强度理论(安全第一),其它多用第四强度理论。第四强度理论应力,即Von mises(范米塞斯)等效应力作为衡量应力水平的主要指标。Von mises应力是正应力和剪切应力的组合,常用来描绘联合作用的复杂应力状态。
               
       von mises stress的确是一种等效应力,它用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况,它可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化,从而使分析人员可以快速的确定模型中的最危险区域。开始时CATIA的网格划分不够细,为了提高分析精度,应减小网格跨度。网格精度设置为4mm,用正三角形划分,结果创建了1046个节点,2710个元素,质量报告中59%的网格质量是好的,41%的网格质量是中等,满足网格划分要求。
　　图3.3 位移图
　　至此,已完成驻车制动器的工程分析,如果对其应为状态不满意,则可修改零部件设计,调整其各尺寸配置,使之满足在该载荷工况下的应力状态。
　　4 结束语
　　本文运用CATIA软件对汽车手刹装置进行实体建模,进行网格的划分、材料的选择以及载荷的确定,通过计算机运算求解,在计算机上直接显示载荷的作用下应力彩色图谱和应力值,然后通过修改网格精度以提高计算精确度。CATIA的有限元分析功能具有很方便。设计者可以方便地对设计的数字模型生成应力图并进行强度校核。由于CATIA的集成性,数字模型的局部进行更改后便可以进行再次的分析计算,而且CATIA中的网格自动划分功能对机械设计者来说也十分方便。通过应用CATIA的应力分析,极大地提高了设计效率。在此基础上设计出符合工作装置要求的手刹形状。探索了对手刹部件进行CAE(Computer Aided Engineering,计算机辅助工程)有限元分析的方法,为结构的进一步结构优化提供了思路。CATIA作为一个完全集成化的软件系统,将机械设计、工程分析仿真、数控加工及CAT web网上解决方案有机的结合在一起,可以有效地缩短设计生产周期、提高质量、减少成本。而这种模拟仿真对于真正制造驻车制动器冲击实验机也具有重大和深刻的意义。
　　
　　参考文献:
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　　[4]刘德顺,李夕兵.冲击机械系统动力学[M].北京:科学出版社,1999
　　
　　作者简介:
　　 于正林,男,1971年5月出生,汉族。主要从事机电系统控制理论与技术,微机在线检测理论与技术等方向的教学和研究工作;
　　 朱玲,女,1985年11月出生,汉族.长春理工大学机电工程学院研究生 专业:机械电子工程 研究方向:机电系统控制与技术。
               
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