基于汽车CAE变速器开发的实例研究
前言：由于近年来3D CAD/CAM/CAE软件性能的提高，设计者创建的3D CAD模型现在可以用作有限元模型或CAM数据。因此，利用高精度有限元模型进行大尺度有限元分析，设计者很容易获得高精度的分析结果。
此外，使用CAM数据制造试制品可以提高其精度，从而减少实际测量和分析结果之间的误差。由于这些优点，有限元分析对于产品开发来说是非常有帮助的。
一、以往的有限元模型及其缺点
传统上，有限元模型的创建由有限元分析专家完成，他们基于自己开发的有限元方法构建了经过优化的模型。这个过程注重于对分析结果的需求进行建模，并旨在最大化使用可用的计算资源。图1显示了一个由有限元分析专家构建的模型的示例。
这种方法通常会导致不同的有限元分析专家使用不同的形状来创建同一对象的模型，这进而导致不同的分析结果。许多这样的模型仅被创建用于执行特定的有限元分析，因此它们几乎没有通用性可言。
1.1从三维模型中提高有限元模型精度的好处
随着自动网格化技术的不断进步，设计环境已经成熟到可以直接将设计者创建的3D模型转换为有限元模型。图2展示了一个由自动网格构造的网格示例。使用这种方法，创建网格所需的时间显著缩短，并且这个过程可以生成几乎相同的网格，不论使用哪个软件进行操作。
二、原型精度
2.1常规原型机及其缺点
以前，为了制造铝压铸产品的原型，木制模型是由熟练的工匠根据2D图纸制作的，这些模型很难完美地反映设计师的意图。这是因为2D图形并不总是包含3D形状的所有细节。原型商店长期以来一直在创建3D/CAM数据，但这些数据都是基于2D图纸的，而且可能与设计者的意图有所不同。
模具质量产品也是如此，也就是说，即使它们是基于相同的2D图纸，砂铸和温和模在形状上有不同的细节，导致性能差异。因此，设计人员必须提前考虑与大众产品的差异，并在其对原型机的评估和设计中包括一定的安全裕度，这阻碍了减轻传输案例的努力。
2.2提高了三维开发中的精度
目前，在设计阶段直接使用3D模型作为CAM数据已经成为可能，从而能够准确反映设计者意图的原型，这也适用于模具的创建。
换句话说，原型零件和批量产品之间的差异已经被消除；反过来，设计者的意图、原型和批量生产的组件之间的差异也减少了。
作为一个例子，图3显示了由2D图纸和3D模型制作的原型和批量生产的传输箱的实际重量的比较。样本A和B表示2D图中实际案例的重量差异，样本C和D表示3D模型中实际案例的重量差异。可见，当案例采用三维设计模型时，重量差异较小。
三、常规有限元分析
传统上，有限元分析是对孤立的部件进行的。尽管使用了非常严格的约束条件，这些模拟提供的结果是高度重复的实际组件。然而，在对大型隔离构件进行有限元分析时，必须考虑相邻构件的刚度和位移。
由于很难在实际的大组件中设置具有高重现性的边界条件，这些分析必须留给有限元分析专家，他们将进行一个耗时的过程。
例如，图4给出了在孤立传输情况下的分析结果和测量应力的比较。根据组件中的位置，一些结果可以很好地再现，但许多位置显示分析结果和测量结果之间有很大的差距。
3.1大规模有限元分析与装配分析
大分量有限元分析的主要挑战是设置边界条件。实际分量中分析结果的再现性取决于涉及相邻组件的边界条件的正确设置。这里，一个装配分析应用于应力分析的例子显示。
用于装配分析的三维模型是一个前轮驱动汽车的平行双轴传动总成。它由一个离合器壳、一个变速箱壳、将变速箱壳固定在一起的螺栓、与内部齿轮相关的部件以及用于测试实际变速器的安装夹具组成。所有的组件都被复制为圆柱形的形状。这些三维模型如图5所示。
下一步是构造数值元件，将这些分量变成有限元模型。由于这里使用的是自动介质，在有限元分析中使用的元素的创建在大约30分钟内完成。
然后，以半手动的方式插入连接元件和弹簧元件，以组合独立的元件。图6显示了组合后的模型。
结合这些元素大约需要20分钟。添加边界条件需要几分钟，而且因为静态分析大约需要一个半小时，所以整个过程需要大约3个小时，其中包括另外30分钟的后处理。
利用上述工艺改进的边界条件，得到了在实际传输中重现性较好的分析结果。图7提供了组件的分析值和测量值的比较。
五、结论
由于在开发阶段，人们对三维建模的接受程度越来越高。
·设计者的意图、原型零件、大量产品和有限元模型之间的差异已经减少，现在可以获得高精度的分析结果。
·由于自动网格器和具有先进功能的计算机的出现，一个能够快速分析组件的环境已经出现。
上述两个因素使设计者能够进行自己的有限元分析，获得高精度的结果，并结合边界条件，在实际产品中提供良好的再现性。
因此，开发高质量、轻量级的传输案例已经成为可能。
