Simcenter3D汽车制动管路设计仿真与验证 附TEA_PIPE_InstallationGui

来源：Simcenter3D

汽车制动管路面临的问题

面临的问题 

随着汽车的快速发展以及客户对整车品质要求的逐渐提高，制动系统柔性管路关键件设计的可靠性更加重要。现在正在研发的很多车型在开发过程中大都存在管线路干涉问题，在后期解决干涉问题过程中投入了大量的人力物力。为了在设计研发前期就能充分的识别出柔性管路干涉风险，暴露问题进而整改问题，只能通过柔性管路仿真软件进行管路设计、运动仿真分析才能达到上述效果。柔性管路运动仿真是能够在设计阶段充分识别柔性管路问题及风险的极其重要的有效手段。

因为管路问题的复杂性，涉及非线性效应（大位移、大旋转）和过程中可能产生的屈曲和扭转现象，传统的管路设计方法，由于无法知道管路在运动过程中的实时位置和状态，而多采用试错的方法，即反复试验不断修正。这导致管路设计周期很漫长，而且不断交互试验也产生很多额外成本。

为缩短开发周期，提高管路设计可靠性，管路设计工程师亟须一款软件能够根据各种工况输入，对所有管路进行动态分析模拟：检查柔性管路曲率，以保证其不小于可接受的最小值；检查管路安装及运动过程中可能存在的干涉；优化支撑结构数量和管路长度以降低成本；

基本计算方法介绍

管路静力分析是计算在固定不变的载荷和约束的作用下管路最终成型和管路的曲率输出，静力分析是用来计算管路在固定不变载荷作用下的响应，如位移、应力、应变等，可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），静力分析包含线性静力分析和非线性静力分析。

静力学方程：

K q = g

其中K为刚度矩阵，q为位移矩阵，F为载荷矩阵，所有输入参数都会体现在这三个矩阵中，和载荷相关的如重力、集中力、等效加速度等，最终生成相应的载荷矩阵，管路的厨师位置、约束等会反应到位移矩阵中，而总体刚度矩阵相对比较复杂，影响因素包含：管径、壁厚、弹性模量、走向、约束，以及约束点的刚度都有关系。在Tea pipe中我们首先要建立几何模型，然后输入材料属性，对于软管材料的非线性需要充分考虑，一种近似的非线性救求解是将载荷分成一系列的载荷增量。可以在几个载荷步内或者在一个载荷步的几个子步内施加载荷增量。在每一个增量的求解完成后，继续进行下一个载荷增量之前程序调整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化，使用平衡迭代使在每一个载荷增量的末端解达到平衡收敛（在某个容限范围内）在每次求解前，NR 方法估算出残差矢量，这个矢量是回复力（对应于单元应力的载荷）和所加载荷的差值。程序然后使用非平衡载荷进行线性求解，且核查收敛性。如果不满足收敛准则，重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解。持续这种迭代过程直到问题收敛。对于管路成型中的每一个工况都可以输出对应载荷约束下的形变即管路形状，Simcenter3D Flexible Pipe将整个有限元分析过程全部做成智能盒子，用户只需输入参数，模型即可自动建立，有限元网格只需要选择一维或二维软件自动划分，计算求解模块中默认的收敛准则会根据客户定义的管路智能排序，自动求解。因为管路问题的复杂性，涉及非线性效应（大位移、大旋转）和过程中可能产生的屈曲和扭转现象，传统的管路设计方法，由于无法知道管路在运动过程中的实时位置和状态，而多采用试错的方法，即反复试验不断修正。这导致管路设计周期很漫长，而且不断交互试验也产生很多额外成本。采用有限元分析方法可以很好的节约设计成本。可以实现依据管路特性参数，接头、支撑结构等参数计算管路最终成形形状，计算模拟真实的安装过程，始于直管先与一接头连接，然后根据另一接头、支撑结构、弹簧、加强材料等的位置和方向逐步进行管路成形计算。

设计仿真一体化平台

Simcenter3D Flexible Pipe是一款管路分析和优化专业解决方案软件，能够提供管路分析与管路优化两种功能，其强大的功能可全面满足管路设计工程师的需要。在Simcenter3D Flexible Pipe管路定义界面完成管路长度、材料特性、温度、接头、支撑结构等附属装置的类型、位置、方向等管路要素的定义，从而最真实的实现管路模拟

管路分析：设计者定义管路参数（长度、直径、壁厚、材料、接头、护簧、橡胶护套、支撑等）并且将管路通过运动副连接到整车上，即可进行管路的动态分析，得到管路的变形情况和实时运动情况、曲率、应力、碰撞和距离信息。

管路优化：设计者定义设计变量、约束条件、目标函数（如长度最小化或安全系数最大化），来实现管路优化分析，软件自动找到管路最佳设计方案。

Simcenter3D Flexible Pipe BEAM采用非线性BEAM单元来模拟不同类型的柔性管路，如制动管、转向管、燃油管、线束等。

Simcenter3D Flexible Pipe 强大的非线性管路分析包含管路安装准静态分析、运动学分析、模态及动态响应分析等。强大的管路优化功能，可进行包含管路接头、支撑结构数量、位置及方向优化以及管路长度优化等，帮助设计者获得最佳管路设计方案。

Simcenter3D Flexible Pipe管路定义界面完成管路长度、材料特性、温度、接头、支撑结构等附属装置的类型、位置、方向等管路要素的定义，从而最真实的实现管路模拟中不仅包含多种不同类型的支撑结构可供选择，同时还考虑接头及支撑结构的扭转效应以及管路本身的轴向和扭转耦合效应等。同时液体重力及内压对管路产生的影响也会予以考虑。

为考虑管路的动态运动，真实的实现管路模拟还可以施加相应的运动副到管路接头、支撑结构及车身连接部件，以实现管路与车身的连带运动，从而实现管路的实时运动模拟。

数值模拟实例及结果分析

Simcenter3D Flexible Pipe采用非线性BEAM单元来模拟不同类型的柔性管路。TEA Pipe Beam提供了两种功能：

a.管路设计分析：

用户定义管路参数（长度、直径、材料、接头、支撑结构等附属装置等），并且将管路通过运动副连接到整车上，即可进行分析，得到管路的变形情况和实时运动情况、曲率、应力、碰撞和距离信息等。

b.管路优化：

用户可以定义设计变量、约束条件及目标函数（如长度最小化或安全系数最大化等），来实现管路参数化优化分析，找到管路设计的最佳解决方案。

此案例采用tea pipe对制动软管进行创建、模拟、仿真，如图1所示为实车状态扫描云图与软件仿真结果对比。

图1 左前制动软管校核

由此可以看出Simcenter3D Flexible Pipe可以实现制动软管的创建、模拟、仿真，应用软件自带material模拟出来的管路较应用CATIA设计出的管路更准确些。

拉线管路应用

此案例采用Simcenter3D Flexible Pipe对拉线管路进行创建、模拟、仿真。在软件里定义拉线的相应尺寸，与制动软管不同，拉线管路需要定义两个管路以及拉线位移与内外管的摩擦系数进行分析。

图2 拉线仿真

Simcenter3D Flexible Pipe可以快速定义及创建制动拉线几何数据，并可以实现运动仿真动态间隙侦测。

轮速传感器仿真应用

 图3 轮速传感器模型

Simcenter3D Flexible Pipe可快速定义及创建轮速传感器线束几何数据，并可以实现运动仿真动态间隙侦测。

仿真结果与试验对比

某车型管路仿真方案制定及验证：

图4 仿真与实车扫描状态数据对比

图5 仿真与实车扫描状态数据对比

实际问题解决

某车型前制动软管：两前轮制动软管短（余量不足），转向轮在最大转角时，油管过度拉伸，容易老化破损，存在制动失效的安全隐患。 

  存在问题的管路                      改善后的管路

结论：通过实际项目的对比仿真分析，应用Simcenter3D flexible pipe可以快速的实现柔性管路的运动仿真，仿真结果精度满足需求。

结论

本文详细地分析了Simcenter3D Flexible Pipe在管路设计仿真中的应用，通过对比，可以发现，无论是台架测量结果还是实车测量结果，采用Simcenter3D Flexible Pipe设计的制动软管仿真数据与实测数据差异较小，可以很好的指导设计开发，减短开发周期，节约开发成本。

下载地址：TEA_PIPE_InstallationGuide_Rev15SL2