行业分享丨 SimSolid 在汽车零部件开发中应用的可行性调研及实践

*本文源自汽车行业用户范会超投稿

1、背景

车型短周期开发背景下，高效的仿真技术显得尤为重要。Altair 推出了多款加速设计/仿真的软件，其中无网格软件 SimSolid 与业务有一定的契合度，有必要论证其在汽车零部件结构分析领域的可行性。

2、目标

评估 Altair SimSolid 在零部件开发过程中的应用可行性。

3、主要工作容

3.1 软件功能简介

Altair SimSolid 是款专门为快速发展的设计流程开发的结构分析软件。它消除了几何体简化和网格化，大大缩短了结构的分析周期。SimSolid 基于无网格技术，计算引擎基于对外部逼近理论的突破性扩展，不使用传统 FEA 固有的逐点自由度，因此在计算时间和内存占用方面提供了优越的性能指标。

SimSolid 主要是通过设置部件之间的间隙和穿透容差实现装配体的连接，可实现焊点/焊缝的批量连接，同时新版本增加了多种虚拟连接(衬套、接头、销等)， 其对底盘系统或者工程系统的连接有很好的效果。

3.2 确定论证方案

本案例选取汽车底盘控制臂和后保险杠作为研究对象，进行分析精度和工作效率的可行性论证，并与广泛应用的有限元软件 Abaqus 进行了对比。

选取依据：

• 选用了典型的底盘件前下控制臂，该零件涉及冲压、焊接、锻造成型工艺，同时从实体下控制臂结构和板壳下控制臂结构两方面验证软件的精度。分析过程涉及到材料非线性和几何非线性。

• 后保险杠结构型面复杂，使用传统有限元前处理耗时较多，仿真工况涉及约束模态分析以及表面刚度分析。

3.3 控制臂仿真分折可行性论证

①案例说明：采用锻造摆臂结构，在摆臂球销位置，施加不同的位移，提取相应的支反力和结构应力，对比软件的非线性分析精度。如图 1 所示：

图 1 锻造摆臂

由于分析过程涉及非线性，其材料非线性及几何非线性的设置如下图 2 所示：

图 2 材料及几何非线性设置

支反力的分析结果如表 1 所示，在位移较小阶段，两个软件的结果相差约 10%，随着位移的增加，材料非线性及几何非线性越来越大，两者的结果差异也随之变大，这主要是由于 SimSolid 非线性默认设定应用场景为小塑性应变，但是总体趋势完全一致，并且差异比较稳定，在可接受范围以内，这一点在工程应用上很关键，也完全能满足结构前期设计的需求。

表 1 分析结果

②案例说明：采用钣金焊接摆臂结构，在摆臂球销位置，施加不同的位移，提取相应的支反力和结构应力，对比软件的非线性分析精度。如图 3 所示：

图 3 钣金摆臂

本案例钣金摆臂采用双板冲压拼焊而成，Abaqus 有限元模型焊缝采用 shell 单元模拟，板厚定义为连接母材的平均值 3mm，SimSolid 计算模型通过连接工具定义焊缝连接，焊缝尺寸定义为 4mm，如下图 4 所示。

图 4 Abaqus 模型（左）  SimSolid 模型（右）

这里需要说明刚才定义焊缝参数的差异，有限元模拟焊缝的 shell 单元厚度为实际焊缝的平均有效厚度，SimSolid 定义的焊缝参数为焊角尺寸。

钣金摆臂支反力的分析结果如表 2 所示，当变形在 10mm 以内，两个软件的结果相差约 10%，当位移达到 16mm 时，结构发生屈曲变形，这时结构的极限载荷最大，SimSolid 和 Abaqus 都计算出这个关键的结构突变响应，这说明 SimSolid 同样适用于材料非线性及几何非线性分析，这一点在工程应用上很关键，可以在设计前期评估结构的极限承载能力。

表 2 分析结果

这里需要补充说明，计算零部件的非线性屈曲载荷，也可以直接一次施加强制位移的方式求解，具体设置如下图 5 所示，几何非线性求解设置为增量负载，载荷步数 10（步数越大，位移-载荷曲线越光滑，当然计算资源需求越高）。增量负载提供了加载历史，其中包含了指定的加载增量数量的结果，用于非线性屈曲分析，以确定可能发生结构失稳的载荷。

图 5 求解设置

3.4 发动机罩的可行性论证

选取某车型的后保险杠，开展了模态及表面刚度分析。后保险杠连接点数量较多，包括螺栓、卡扣等。采用传统有限元方法需要手动定义简化的刚性连接 MPC，耗时较长，如图 6 所示。SimSolid 通过定义搜索间隙及容差，可实现高效的自动连接，接触类型为绑定，接触分辨率增强，如图 7 所示。

图 6 有限元模型

图 7 SimSolid 自动连接模型

同时，为了提高薄板结构的计算精度，可以自定义求解设置，如图 8.1 所示。为了提高计算速度，可以更大化利用硬件资源，设置如图 8.2 所示，核数越高，计算速度越快。

图 8.1 求解设置

8.2 硬件设置

最后统计了两种方法的仿真效率及精度结果，如下表 3、表 4 所示。

表 3 模态分析结果

表 4 表面刚度结果

模态分析结果显示，SimSolid 分析总时长仅需 2 小时，相比有限元可以提速 79%，提速主要原因是 SimSolid 不用进行几何简化和壳网格划分；结果对比显示。前三阶固有频率平均精度 95%，精度满足快速校验使用。

刚度结果显示，SimSolid 分析总时长仅需 2 小时，相比有限元可以提速 78%，提速主要原因是 SimSolid 不用进行几何简化和壳网格划分。刚度对比结果显示，三个位置点平均精度 88%，精度满足快速校验使用。

4、结论

• 仿真效率： Simsolid 提供了快捷高效的前处理解决方案，无需网格划分、快速定义各种连接，大大缩短了前处理周期。

• 仿真精度：线弹性范围内，刚强度及模态计算误差小 10%，在非线性阶段，如非线性屈曲分析也有较高的分析精度，均适用于薄板及实体结构。

• 应用建议：基于软件当前的功能和定位，适用于设计工程师及仿真工程师开展结构设计的快速验证及方案迭代。例如对于底盘控制臂、转向节、稳定杆、副车架等关键零部件，设计工程师可以利用 SimSolid 开展常规的强度分析、模态分析和疲劳分析；对于车门、机罩、保险杠等装配件，快速开展刚度及模态分析，加速设计迭代，缩短性能目标达成周期。

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