Моделирование систем автомобиля в ANSYS Motion. Часть 1. Создание шаблонов

Моделирование систем автомобиля в ANSYS Motion. Часть 1. Создание шаблонов

ANSYS Motion – отличный инструмент для анализа динамики абсолютно жестких и упругих тел. Одной из сфер применения данного программного продукта является автомобилестроение. Помимо стандартного модуля существуют дополнительные наборы инструментов: Car, Drivetrain и Links, которые могут быть использованы для создания различных систем автомобиля. Материал будет разбит на три части: создание шаблонов, моделирование по шаблонам и анализ подвески. В данной статье будут рассмотрены основы создания собственных шаблонов в ANSYS Motion Car.

Набор инструментов ANSYS Motion Car включает в себя шаблоны различных систем (подвески различного типа, стабилизатор поперечной устойчивости, рулевое управление, тормозная система, шины и т.д.), которые созданы из идеализированных элементов (балки, пластины, пружины и т.д.), и различные сценарии моделирования: частичное моделирование на стендах (параллельное перемещение, крен, поперечная сила и т.д.) и полное моделирование автомобиля. Кроме того, имеется возможность создавать свои шаблоны из идеализированных компонентов.

Рассмотрим порядок создания шаблона подвески типа Macpherson.

 

Создание модели

Для начала стоит упомянуть, что шаблоны моделей находятся в архиве Standard Work, который находится в папке с документацией. Для их использования копируем содержимое в рабочую папку.

Открываем в препроцессоре файл Standard_Model.dfmodel. Теперь в Work Navigator отображается набор папок с шаблонами. В каждой папке хранятся модели различных систем автомобиля. Далее создаем новый файл: выбираем Suspension из раздела Template и называем Macpherson_tutorial (т.е. сначала мы создадим шаблон, который в дальнейшем будем использовать для построения модели подвески).

Нижние рычаги

Создаем Design points как показано на рисунке 1.

Рис.1 – Точки для элементов типа нижний рычаг

 

Следующим шагом создаем треугольные пластины (Tri-plate на панели Body). В качестве привязок выбираем Design points. Для точки 1 выбираем dp_lca_front:L, для 2 – dp_lca_outer:L, для 3 – dp_lca_rear:L. Остальные настройки измените согласно рисунку 2 (высота, название, симметрия, цвет). Данные элементы являются идеализацией нижних рычагов подвески.

Рис.2 – Окно настроек для нижних рычагов

 

Тяги

Далее создадим тяги. Аналогично создаем Design points и элементы идеализации цилиндры (1-ая точка – dp_tierod_outer, 2-ая – dp_tierod_inner). На рисунках 3, 4 представлены настройки.

Рис.3 – Точки для элементов типа тяга

Рис.4 – Окно настроек для тяг

 

Стойки

Следующим шагом создадим стойки. Стойка будет состоять из 7-ми тел (5 цилиндров и 2 сферы). Для объединения тел будем использовать операцию Boolean. Создаем точки, как показано на рисунке 5.

Рис.5 – Точки для элементов типа стойка

 Создаем тела как описано ниже.

Цилиндр 1:

1. Top Position: dp_strut_lwr_mount:L (Design Point)

2. Bottom Position: dp_wheel_center:L(Design Point)

3. Radius: 10

4. Name: upright 

5. Symmetric: Left

Цилиндр 2:

1. Top Position: dp_wheel_center:L (Design Point)

2. Bottom Position: dp_lca_outer:L (Design Point)

3. Radius: 10 

4. Изменить опции на Boolean.

5. Name: upright:L

6. Symmetric: Left

Цилиндр 3:

1. Top Position: dp_upright_spindle_in:L (Design Point)

2. Bottom Position: dp_wheel_center:L (Design Point)

3. Radius: 10

4. Изменить опции на Boolean.

5. Name: upright:L

6. Symmetric: Left

Цилиндр 4:

1. Top Position: dp_upright_spindle_out:L (Design point)

2. Bottom Position: dp_wheel_center:L (Design point)

3. Radius: 10

4. Изменить опции на Boolean.

5. Name: upright:L

6. Symmetric: Left

Цилиндр 5:

1. Top Position: dp_tierod_outer:L (Design point)

2. Bottom Position: dp_wheel_center:L (Design point)

3. Radius: 10

4. Изменить опции на Boolean.

5. Name: upright:L

6. Symmetric: Left

Далее создадим две сферы. В качестве центра первой будет точка dp_lca_outer:L, а для второй dp_tierod_outer:L. Радиус первой 7.5 мм, второй 10 мм. Остальные настройки на рисунке 6.

Рис.6 – Окно настроек для сфер

 

Переменные

Создадим переменные углов развала и схождения. На панели Home открываем список под кнопкой Run и выбираем Toe-Camber angle. Далее нажимаем ОК. В нижней панели инструментов, во вкладке Design variable создались две переменные. Также дополнительно создадим переменную dv_drive_shaft_offset со значением 50.

Следующим шагом создадим Design Frame. Вводим имя df_wheel_center. Открываем окно определения (Picker). Выбираем тип Point And Orientation. В качестве точки выбираем dp_wheel_center:L и нажимаем Parent. Открываем окно ориентации и выбираем тип Toe Camber. В качестве значений вводим переменные toe_angle:L и camber_angle:L. Нажимаем Parent и OK. Создадим еще одну систему координат. Вводим имя df_drive_shaft_otr, переходим в окно определения и для Point устанавливаем фильтр Design Frame, затем выбираем df_wheel_center:L. Вводим значение -1.0*dv_drive_shaft_offset:L для координаты Z (выбираем Use delta и Use DF). Переходим к определению ориентации. Устанавливаем фильтр One Direction и нажимаем на кнопку определения (справа в поле ввода данных). Ориентацию будем определять по двум точкам (выбираем соответствующий фильтр и нажимаем кнопку определения). Для первой точки выбираем df_wheel_center:L и вводим значение -1.0*dv_drive_shaft_offset:L. Для второй – выбираем df_wheel_center:L. Нажимаем Parent и OK.

Создаем цилиндр как описано ниже.

1. Bottom Position: df_drive_shaft_otr:L  + 50.0 по координате Z (Design Frame; Use Delta; Use DF).

2. Top Position: df_drive_shaft_otr:L  (Design Frame).

3. Radius: 30.

4. Name: spindle.

5. Symmetric: Left.

 

Валы

Переходим к созданию валов. Создаем Design point как показано на рисунке 7.

Рис.7 – Точка для создания вала

Создадим следующие элементы:

Цилиндр:

1. Bottom Position: df_drive_shaft_otr:L (Design Frame)

2. Top Position: dp_drive_shaft_inr:L (Design Point)

3. Radius: 15

4. Symmetric: Left

5. Name: drive_shaft

Сфера:

1. Center Position: df_drive_shaft_otr:L (Design Frame)

2. Radius: 30

3. Меняем опцию создания на Boolean.

4. Name: drive_shaft

5. Symmetric: Left

Сфера:

1. Center Position: dp_drive_shaft_inr:L (Design Point)

2. Radius: 8

3. Name: tripot

4. Symmetric: Left

 

Стойки

Создаем стойки. Координаты точек показаны на рисунке 8.

Рис.8 – Точки для стоек

Создаем цилиндр:

1. Bottom Position: dp_spring_lwr_seat:L (Design Point)

2. Top Position: dp_top_mount:L (Design Point)

3. Radius: 12

4. Name: upper_strut

5. Symmetric: Left

 

Подрамник

Далее создадим подрамник. Координаты точек представлены на рисунке 9.

Рис.9 – Точки для подрамника

Создаем 8 элементов:

Цилиндр 1:

1. Top Position: dp_lca_rear:L (Design Point)

2. Bottom Position: dp_subframe_rear:L (Design Point)

3. Radius: 5

4. Name: subframe

5. Symmetric: None

Цилиндр 2:

1. Top Position: dp_lca_front:L (Design Point)

2. Bottom Position: dp_lca_rear:L (Design Point)

3. Radius: 5

4. Меняем опцию создания на Boolean.

5. Name: subframe 

6. Symmetric: None

Цилиндр 3:

1. Top Position: dp_subframe_front:L (Design Point)

2. Bottom Position: dp_lca_front:L (Design Point)

3. Radius: 5

4. Меняем опцию создания на Boolean.

5. Name: subframe 

6. Symmetric: None

Цилиндр 4:

1. Top Position: dp_lca_rear:R (Design Point)

2. Bottom Position: dp_subframe_rear:R (Design Point)

3. Radius: 5

4. Меняем опцию создания на Boolean.

5. Name: subframe 

6. Symmetric: None

Цилиндр 5:

1. Top Position: dp_lca_front:R (Design Point)

2. Bottom Position: dp_lca_rear:R (Design Point)

3. Radius: 5

4. Меняем опцию создания на Boolean.

5. Name: subframe 

6. Symmetric: None

Цилиндр 6:

1. Top Position: dp_subframe_front:R (Design Point)

2. Bottom Position: dp_lca_front:R (Design Point)

3. Radius: 5

4. Меняем опцию создания на Boolean.

5. Name: subframe 

6. Symmetric: None

Цилиндр 7:

1. Top Position: dp_lca_front:R (Design Point)

2. Bottom Position: dp_lca_front:L (Design Point)

3. Radius: 5

4. Меняем опцию создания на Boolean.

5. Name: subframe 

6. Symmetric: None

Цилиндр 8:

1. Top Position: dp_lca_rear:R (Design Point)

2. Bottom Position: dp_lca_rear:L (Design Point)

3. Radius: 5

4. Меняем опцию создания на Boolean.

5. Name: subframe 

6. Symmetric: None

 

Создание интерфейсов

Интерфейсы служат для связи с другими подсистемами. Интерфейсы – это главный инструмент, благодаря которому реализована автоматизированное создание моделей.

Перед созданием интерфейсов создадим две сферы:

Сфера 1:

1. Center Position: dp_tierod_inner:L (Design point)

2. Radius: 10

3. Name: mt_tierod_to_steering

4. Symmetric: Left

Сфера 2:

1. Center Position: dp_drive_shaft_inr:L (Design point)

2. Radius: 10

3. Name: mt_tripot_to_differential

4. Symmetric: Left

 

Далее создадим интерфейсы для двух типов элементов. Переходим в свойства тела mt_tierod_to_steering (левого или правого). Внизу диалогового окна ставим галочку в чек-боксе Interface и нажимаем ОК. Интерфейсы создадутся автоматически для симметричных элементов. Аналогично выполняем для тела mt_tirpot_to_differential.

Далее необходимо указать имена тел, с которыми будут связываться наши элементы. На вкладке Home нажимаем Interface. В диалоговом окне вводим имя rack для тел mt_tierod_to_steering, а для тел mt_tirpot_to_differential вводим имена diff_output:L/R соответственно (см. Рис.10).

Рис. 10 – Определение имен тел для интерфейсов

 

Создание шарниров

1. Fixed:

• Base: Ground.
• Action: subframe.
• Position: устанавливаем фильтр Multi Point Center и выбираем четыре точки: dp_lca_front:L, dp_lca_front:R, dp_lca_rear:L и dp_lca_rear:R.
• Name: fix_subframe_rigid.
• OK.

2. Revolute (subframe – lower_control_arm:L):

• Base: subframe.
• Action: lower_control_arm:L.
• Position: устанавливаем фильтр Multi Point Center и выбираем две точки: dp_lca_front:L, dp_lca_rear:L.
• Ось Z: устанавливаем фильтр Two Point, выбираем dp_lca_rear:L как первую точку и dp_lca_front:L как вторую.
• Symmetric: Left.
• Name: rev_lc.
• OK.

3. Revolute (uprignt – spindle):

• Base: upright:L.
• Action: spindle:L.
• Position: устанавливаем фильтр Design Frame и выбираем df_wheel_center:L.
• Ось Z: устанавливаем фильтр Design Frame, выбираем df_wheel_center:L.
• Symmetric: Left.
• Name: rev_spindle_upright.
• OK.

4. Translational (mt_tirpot_to_differential:L):

• Base: mt_tirpot_to_differential:L.
• Action: tripot:L.
• Position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_drive_shaft_inr:L.
• Ось Z: устанавливаем фильтр Two Points, выбираем dp_drive_shaft_inr:L (1) и dp_drive_shaft_inr:R (2).
• Symmetric: Left.
• Name: tran_tripot_to_differential.
• OK.

5. Cylindrical (upper_strut – upright):

• Base: upper_strut:L.
• Action: upright:L.
• Position: устанавливаем фильтр Multi Point Center и выбираем dp_top_mount:L и dp_strut_lwr_mount:L.
• Ось Z: устанавливаем фильтр Two Points, выбираем dp_strut_lwr_mount:L (1) и dp_top_mount:L (2).
• Symmetric: Left.
• Name: cyl_strut.
• OK.

6. Ball (upright – tierod)

• Base: upright:L.
• Action: tierod:L.
• Position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_tierod_outer:L.
• Name: ball_tierod_outer.
• OK.

7. Ball (lower_control_arm – upright):

• Base: upright:L.
• Action: tierod:L.
• Position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_tierod_outer:L.
• Name: ball_tierod_outer.
• OK.

8. Universal (Ground – upper_strut)

• Создаем дополнительную систему координат: Name – df_top_mount_ext; фильтр - Design Point; Point: dp_top_mount:L, Delta Z = 50; Orientation: фильтр - Euler Angle, тип – ZXZ (0, 0, 0). OK.
• Base: Ground.
• Action: upper_strut:L.
• Position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_top_mount:L.
• Base X: устанавливаем фильтр Two Points, выбираем dp_top_mount:L (1) и df_top_mount_ext:L (2).
• Action X: устанавливаем фильтр Two Points, выбираем dp_top_mount:L (1) и dp_strut_lwr_mount:L (2).
• Name: univ_top_mount_kinematic.

9. Constant Velocity (drive_shaft – tripot):

• Base: drive_shaft:L.
• Action: tripot:L.
• Position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_drive_shaft_inr:L.
• Base Z: устанавливаем фильтр Two Points, выбираем dp_drive_shaft_inr:L (1) и df_drive_shaft_otr:L (2).
• Action Z: устанавливаем фильтр Two Points, выбираем dp_drive_shaft_inr:L (1) и dp_drive_shaft_inr:R (2).
• Orthogonal: 0, 0, 1.
• Name: conv_drive_sft_int_jt.
• OK.

10. Constant Velocity (spindle – drive_shaft):

• Base: spindle:L.
• Action: drive_shaft:L.
• Position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем df_drive_shaft_otr:L.
• Base Z: устанавливаем фильтр Two Points, выбираем df_drive_shaft_otr:L (1) и dp_wheel_center:L (2).
• Action Z: устанавливаем фильтр Two Points, выбираем df_drive_shaft_otr:L (1) и dp_drive_shaft_inr:L (2).
• Orthogonal: заходим и нажимаем OK.
• Name: conv_drive_sft_otr.
• OK.

11. Constant Velocity (mt_tierod_to_steering – tierod):

• Base: mt_tierod_to_steering:L.
• Action: tierod:L.
• Position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_tierod_inner:L.
• Base Z: устанавливаем фильтр Two Points, выбираем dp_tierod_inner:L (1) и dp_tierod_inner:R (2).
• Action Z: устанавливаем фильтр Two Points, выбираем dp_tierod_inner:L (1) и dp_tierod_outer_L (2).
• Orthogonal: заходим и нажимаем OK.
• Name: conv_tierod_inner.
• OK.

Создание сил (Force)

            Под силами в ANSYS Motion (как и в аналогичном ПО) подразумеваются: упруго-диссипативные элементы (пружины, демпферы), отбойники, сайлентблоки. Приступим к определению сил.

1. Spring (upright – upper_strut):

• Выбираем файл vm_0001.cpfsxml, который расположен в папке Spring (имеется возможность изменения свойств).
• Base: upright:L.
• Action: upper_strut:L.
• Base position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_spring_lwr_seat:L.
• Action position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_top_mount:L.
• Name: spr_ride_spring.
• OK.

2. Damper (upright – upper_strut):

• Выбираем файл vm_0001.cpfdxml.
• Base: upright:L.
• Action: upper_strut:L.
• Base position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_strut_lwr_mount:L.
• Action position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_top_mount:L.
• Name: dam_ride_ damper.
• OK.

3. Bumpstop (upright – upper_strut):

• Выбираем файл vm_0001.cpfbsxml.
• Base: upper_strut:L.
• Action: upright:L.
• Base position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_top_mount:L.
• Action position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_strut_lwr_mount:L.
• Name: bump_ride_bumpstop.
• OK.

4. Reboundstop (upright – upper_strut):

• Выбираем файл vm_0001.cpfrbsxml.
• Base: upper_strut:L.
• Action: upright:L.
• Base position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_top_mount:L.
• Action position: устанавливаем фильтр Design point и выбираем dp_strut_lwr_mount:L.
• Name: reb_ride_reboundstop.
• OK.

Если необходимо создать сайлентблок (Bushing), то для этого выбираем или создаем файл со свойствами в формате *.cfpfbxml. Далее выбираем Base и Action привязки. Затем определяем расположение (position), симметрию и название.

В результате должен получится шаблон, представленный на рисунке 11. Данный шаблон параметризован и может быть использован совместно с моделями других подсистем (например, кузов, шины, привод и.т.д.).

Рис.11 – Модель (шаблон) подвески типа Macpherson

 

Выводы

1. В статье представлено пошаговое описание процесса создания шаблонов подвески для ANSYS Motion Car.
2. В ходе работы приобретаются навыки работы с основными инструментами ANSYS Motion такими как создание точек, систем координат, шарниров и т.д.
3. Полученная модель может быть использована для шаблонного моделирования автомобиля, процесс которого будет описан в следующей части.