北京安懷信科技有限公司楊軍永經(jīng)理
一、AAM客戶(hù)應(yīng)用背景
1.公司簡(jiǎn)介
American Axle & Manufacturing,Inc.(AAM),即美國(guó)車(chē)橋公司,是世界汽車(chē)零部件制造巨頭之一。公司于1919年就已成為通用汽車(chē)轎車(chē)生產(chǎn)供應(yīng)商,AAM在輕型卡車(chē)和SUV上有著豐富的積累,同時(shí)能為全球各汽車(chē)廠提供零配件。AAM在解決傳統(tǒng)工程項(xiàng)目,尤其是在使用有限元基礎(chǔ)做分析領(lǐng)域有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。
2.遇到挑戰(zhàn)
雖然AAM本身做得很好,但是依然遇到了很多挑戰(zhàn)。
第一,工程效率和人力資源的限制,使得AAM在完成具有競(jìng)爭(zhēng)性的創(chuàng)新過(guò)程中,成本控制成為一種挑戰(zhàn)。
時(shí)間就是成本,過(guò)去工程效率和人力資源始終是AAM的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。為什么成本控制是一種挑戰(zhàn)呢?因?yàn)樽鯟AE仿真的都知道,首先設(shè)計(jì)一個(gè)方案要做CAE分析,最簡(jiǎn)單的一個(gè)分析可能也要用到兩三個(gè)小時(shí),比如國(guó)外一般生產(chǎn)一個(gè)東西,肯定是有好多種方案,不像中國(guó)可能就是在一套方案上做出好多修改。而且國(guó)外在概念設(shè)計(jì)的過(guò)程中就會(huì)提出很多種方案,如果每一種方案都要使用分析的話,一個(gè)簡(jiǎn)單的可能需要兩三個(gè)小時(shí),一個(gè)復(fù)雜的可能是兩三天、兩三個(gè)周,甚至兩三個(gè)月都有可能。這樣效率的問(wèn)題就凸顯出來(lái)。
第二,過(guò)分依賴(lài)于CAE專(zhuān)家的人工操作流程,使得一個(gè)即使最基礎(chǔ)的仿真迭代,也至少需要2到3個(gè)小時(shí)的周期,仿真效率限制了設(shè)計(jì)優(yōu)化。
第三,過(guò)分依賴(lài)于個(gè)人能力的人工操作引起的分析錯(cuò)誤,使得分析的可靠性產(chǎn)生了極高的風(fēng)險(xiǎn),使得成本更加高昂。什么是老專(zhuān)家?就是分析的任務(wù)多了,在這個(gè)領(lǐng)域就有了一定的經(jīng)驗(yàn)了。對(duì)國(guó)內(nèi)很多客戶(hù)來(lái)說(shuō),CAE發(fā)展已經(jīng)很成熟,這一領(lǐng)域出現(xiàn)了很多年輕工程師。可能這些工程師在分析的時(shí)候經(jīng)驗(yàn)有所不足,面臨同樣一個(gè)問(wèn)題,經(jīng)驗(yàn)豐富的老專(zhuān)家分析的結(jié)果能跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,而年輕的工程師可能吻合不上,這就體現(xiàn)了個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的問(wèn)題了。歷史上AAM公司發(fā)生數(shù)次召回事故,大大影響了公司的發(fā)展,有時(shí)甚至是致命的。
3.需求
在這種情況下, AAM提出了需求。第一,CAE仿真分析能不能形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化,能不能自動(dòng)的把老專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)固化下來(lái),新的工程人員可以按照老專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)、流程,快速得出仿真結(jié)果,避免人為的錯(cuò)誤。第二,就是車(chē)橋相關(guān)部件CAE仿真模型的快速配置生成,能不能制定出一套很方便的方案,在CAE不詳細(xì)的階段就能把結(jié)果得出來(lái)。最后,能夠自動(dòng)提取結(jié)果。就是自動(dòng)生成一個(gè)報(bào)告,可以方便匯報(bào)跟工程演示。
二、傳動(dòng)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)
1.方案供應(yīng)商-Comet Solutions介紹
2012年AAM決定與Comet Solutions合作,完成車(chē)橋智能仿真分析系統(tǒng)建設(shè),目前合作完成的第一個(gè)產(chǎn)品為DrivenLine SimAPP。Comet Solutions公司成立于1994年,總部位于美國(guó)俄亥俄州辛辛那提市,公司創(chuàng)立背景是美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室、NASA和美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合投資,希望建立一個(gè)面向多學(xué)科一體化仿真以及快速驗(yàn)證的系統(tǒng)。2001年,Comet Solutions公司正式成立商業(yè)公司,開(kāi)始獨(dú)立為美國(guó)其他研究機(jī)構(gòu)及提供軟件服務(wù),這些客戶(hù)包括MIT林肯實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)加州宇航局、NASA肯尼迪中心、DANAGDLS、CatERPillar 等知名企業(yè);Comet Solutions公司所提供的服務(wù)以多學(xué)科一體化仿真及驗(yàn)證為主,也提供創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)、自研程序/數(shù)學(xué)算法/CAE仿真一體化集成等服務(wù)。
2.Comet DrivenLine SimAPP方案介紹
SimAPP軟件是幫助用戶(hù)建立和利用參數(shù)化的3D、2D、1D以及0D的傳動(dòng)軸,輪軸以及其他相關(guān)部件庫(kù),用于完全自動(dòng)化地配置和進(jìn)行driveline系統(tǒng)的NVH分析。產(chǎn)生的結(jié)果是,生成一個(gè)統(tǒng)一的傳動(dòng)系統(tǒng)的NVH分析環(huán)境,幫助用戶(hù)真正快速且容易地對(duì)任意幾何設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估,而不需要傳統(tǒng)的人工操作的方法。下面介紹了具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
圖1 傳動(dòng)軸
1)計(jì)算的復(fù)雜性。傳動(dòng)軸傳動(dòng)的時(shí)候有齒輪,在傳統(tǒng)過(guò)程中如果有一個(gè)齒輪嘯叫,轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大噪音。靜力計(jì)算,就體現(xiàn)在強(qiáng)度上了。NVH計(jì)算,也就是噪聲。
圖2 計(jì)算的復(fù)雜性
下面介紹了DrivenLine CAE仿真難點(diǎn)。
難點(diǎn)一:創(chuàng)建Nastran模型的大量數(shù)據(jù)需要從不同的途徑獲取,此類(lèi)數(shù)據(jù)都是采用人工的方式獲取,然后組裝成Nastran的分析文件。如果CAD數(shù)據(jù)并不存在,那么,用戶(hù)需要重新基于幾何描述來(lái)創(chuàng)建一個(gè)“試用”有限元模型——上述工作帶來(lái)很大的時(shí)間成本和潛在的人為錯(cuò)誤。
難點(diǎn)二:準(zhǔn)雙曲面齒輪類(lèi)和軸承模型是設(shè)計(jì)中最需要參數(shù)化的部件,也是評(píng)估設(shè)計(jì)的選項(xiàng)。這些部件在有限元中采用1D梁,0D質(zhì)量單元,0D阻尼,以及剛性連接等。輸入此類(lèi)數(shù)據(jù)到Nastran中需要大量的人工和時(shí)間,同時(shí)沒(méi)有正確與否的評(píng)價(jià)。
難點(diǎn)三:工程師同樣需要具有在可行設(shè)計(jì)庫(kù)中選擇一個(gè)初始的軸設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的能力。傳統(tǒng)情況下,這些工作采用相當(dāng)特別的方法,即采用Nastran模型文件來(lái)存儲(chǔ)大量軸數(shù)據(jù)。然后工程師不得不采用人工方式連接此有限元模型到其他文件中。差速齒輪箱通常采用3D建模,并基于該CAD模型直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
難點(diǎn)四:在一個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)項(xiàng)目中,AAM工程師需要在一個(gè)大范圍的參數(shù)變化中執(zhí)行分析,基于大量的選擇進(jìn)行快速評(píng)估。
難點(diǎn)五:進(jìn)行DOE(實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì))和優(yōu)化設(shè)計(jì), 為了保證該工作的可行性, Nastran模型必須在沒(méi)有人工操作的情況下自動(dòng)生成。
工作流程:首先形成了一個(gè)流程模板,把要分析的東西都做成一個(gè)表格,在Excel表格的基礎(chǔ)上稍微修改一下就能自動(dòng)生成需要模型,完成網(wǎng)格劃分以后,進(jìn)行NVH分析、振動(dòng)噪聲分析,會(huì)自動(dòng)把分析的結(jié)果體現(xiàn)出來(lái),并且以不同的形式輸出,這就是NVH分析時(shí)很典型的一條曲線。從這里面就可以看出是否合適,是否滿(mǎn)足我們的功能要求。
圖3 NVH DrivenLine SimAPP工作過(guò)程
NVH DrivenLine SimAPP的優(yōu)勢(shì):一是工程師可以快速配置傳動(dòng)設(shè)計(jì),從庫(kù)中選擇差速齒輪外殼、傳動(dòng)軸、輪軸等。二是NVH計(jì)算模型準(zhǔn)備的完全自動(dòng)化。三是Driven Lin App按照NVH和AAM企業(yè)分析規(guī)范,在仿真模板中固化了模型的建模規(guī)則,就是一維轉(zhuǎn)動(dòng)軸+齒輪+差速齒輪箱+小齒輪桿+軸承,也固化了仿真分析規(guī)則。四是術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)化。五是自動(dòng)化的結(jié)果提取和報(bào)告生成。
三、AAM客戶(hù)價(jià)值
1.NVH Drivenling SimAPP帶給AAM價(jià)值
首先,每次分析迭代平均減少75%的時(shí)間,自動(dòng)化以后,工作效率明顯提高了;在AAM,單個(gè)工程大約可節(jié)省13萬(wàn)美金的花費(fèi);捕獲全球?qū)<抑R(shí);通過(guò)全局強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)和操作減少人工錯(cuò)誤以達(dá)到質(zhì)量的改進(jìn)。此外,這個(gè)方案的價(jià)值被美國(guó)著名技術(shù)研究公司OraRESEARCH收錄并發(fā)表。
2.Drivenling SimAPP Payback and ROI回報(bào)和投資回報(bào)率
仿真自動(dòng)化貫穿于制造商的所有家族產(chǎn)品:重用基于參數(shù)化定義的1D/0D的傳動(dòng)軸,輪軸和其他用戶(hù)自定義的子部件庫(kù);顯著的時(shí)間成本節(jié)約和人工錯(cuò)誤的減少;賦予缺乏經(jīng)驗(yàn)和低水平的工程師可以運(yùn)行計(jì)算。
利用所有分析工具,包括幾何設(shè)計(jì)參數(shù),在所有保真度層面執(zhí)行自動(dòng)化DOE和優(yōu)化計(jì)算。
一個(gè)一致的系統(tǒng)資源庫(kù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)貫穿于所有保真度、工具和物理關(guān)系,包括CAD(2D/3D),抽象對(duì)象(1D/0D)以及各種連接關(guān)系。有統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)看板,所以數(shù)據(jù)為各種工具所共享。
自動(dòng)生成的分析報(bào)告瞬時(shí)為全球各設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所共享,提供統(tǒng)一、一致的貫穿于工具的所有模型和數(shù)據(jù)。
四、帶給中國(guó)客戶(hù)的價(jià)值思考
帶給中國(guó)的價(jià)值思考有四點(diǎn):第一提升傳動(dòng)系統(tǒng)/車(chē)橋/底盤(pán)自主設(shè)計(jì)能力;第二減少80%以上的傳動(dòng)系統(tǒng)/底盤(pán)仿真分析時(shí)間;第三集成固化了最佳實(shí)踐仿真建模規(guī)范,任何水平人員均可進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真分析;第四獲取了美國(guó)最大的車(chē)橋公司的所有相關(guān)仿真和建模規(guī)范,先進(jìn)知識(shí)轉(zhuǎn)移。
五、ANWISE公司其他關(guān)鍵解決方案
1.DFM pro設(shè)計(jì)工藝一體化工具
DFM Pro設(shè)計(jì)工藝一體化工具,這是美國(guó)最大的CAD/CAM咨詢(xún)公司Geometric公司2011年最新產(chǎn)品,可以直接嵌入于Pro/e,NX,Catia等CAD軟件內(nèi)部,根據(jù)后臺(tái)的工藝規(guī)則庫(kù),自動(dòng)檢查設(shè)計(jì)工藝性;可以檢查出設(shè)計(jì)中無(wú)法加工、難以加工、或加工成本昂貴的地方,自動(dòng)標(biāo)示出來(lái),設(shè)計(jì)人員可直接修改。
圖4 DFM pro操作界面
圖5 DFM Pro九大工藝包
總的來(lái)說(shuō)DFM pro的價(jià)值主要體現(xiàn):
1)設(shè)計(jì)周期縮短。DFM Pro可以大大減少設(shè)計(jì)工藝性檢查的時(shí)間,以及降低設(shè)計(jì)-工藝反復(fù)的次數(shù),據(jù)DFM Pro眾多客戶(hù)統(tǒng)計(jì),軟件平均為設(shè)計(jì)工藝檢查周期減少的時(shí)間為80%-90%,幾乎提高了10倍的效率。
2)具有設(shè)計(jì)質(zhì)量控制。DFM Pro不僅僅為經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員提供了最佳工程實(shí)踐的工藝檢查工具,同時(shí)也為資深的設(shè)計(jì)人員提供了自動(dòng)化、精確化的檢查手段,避免了設(shè)計(jì)人員由于人為因素造成設(shè)計(jì)質(zhì)量問(wèn)題。
3)擁有設(shè)計(jì)成本控制。DFM Pro產(chǎn)品集成了考慮工藝經(jīng)濟(jì)性的規(guī)范,可以實(shí)時(shí)為設(shè)計(jì)者提供成本更低的設(shè)計(jì)更改建議,設(shè)計(jì)者可以根據(jù)產(chǎn)品要求接受或者拒絕這些建議,保證了加工成本的更優(yōu)。
4)具有設(shè)計(jì)工藝性知識(shí)描述和管理。首先DFM Pro的工藝規(guī)范庫(kù)建立為設(shè)計(jì)人員與工藝人員建立了一套規(guī)范、量化的工藝語(yǔ)言,使得雙方的溝通實(shí)現(xiàn)了工程化,而且體現(xiàn)在了針對(duì)模型設(shè)計(jì)的實(shí)際更改上;其次DFM Pro的知識(shí)庫(kù)建立也為設(shè)計(jì)單位與多個(gè)合作加工單位之間建立了一套不同的溝通機(jī)制,不同的加工單位對(duì)應(yīng)不同的知識(shí)庫(kù)進(jìn)行檢查,大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)單位內(nèi)部以及設(shè)計(jì)-加工單位之間的溝通困難。
2.SimV&Ver CAE仿真模型驗(yàn)證工具
2.1 CAE V&V發(fā)展歷程
1960年,有限單元法正式商業(yè)化,MSC公司成立,第一套商業(yè)化CAE軟件被開(kāi)發(fā)出來(lái)。此時(shí)CAE軟件價(jià)值——“建模和仿真可以顯著的降低物理測(cè)試的成本”。
1980年,“除非我看見(jiàn)測(cè)試結(jié)果…否則我將不會(huì)相信你的仿真預(yù)測(cè)”—Saint Thomas經(jīng)理。
1990年,“如何獲得對(duì)仿真的信心?與校核目標(biāo)相吻合”。AIAA,ASME關(guān)于V&V驗(yàn)證的規(guī)范指出——“從模型預(yù)期的應(yīng)用角度來(lái)看,仿真是否準(zhǔn)確代表了真實(shí)世界,只能通過(guò)V&V驗(yàn)證”。
2.2 SimV&Ver合作開(kāi)發(fā)公司簡(jiǎn)介
SimV&Ver是由ANWISE公司聯(lián)合美國(guó)Comet公司,法國(guó)SimConcept公司共同開(kāi)發(fā)的用于CAE軟件置信度驗(yàn)證的工具。
2.3 SimV&Ver功能簡(jiǎn)介
1)V&V任務(wù)管理。包括V&V主管任務(wù)管理和V&V工程師任務(wù)管理。
2)V&V流程管理。包括V&V工作流程管理和模型、模板、規(guī)范發(fā)布流程管理。
3)V&V數(shù)據(jù)管理。包括模型數(shù)據(jù)管理、模板數(shù)據(jù)管理、規(guī)范及文檔數(shù)據(jù)管理。
4)V&V工具。包括Verification工具、Validation工具和不確定性分析工具。
2.4 SimV&Ver價(jià)值-讓“仿真”名符其實(shí)
只有經(jīng)過(guò)V&V驗(yàn)證和確認(rèn)過(guò)的CAE模型,才真正可以用于以下幾個(gè)工程方向:
1)指導(dǎo)試驗(yàn),降低試驗(yàn)成本及周期。
2)作為試驗(yàn)的補(bǔ)充,完成試驗(yàn)無(wú)法獲得的數(shù)據(jù)。
3)準(zhǔn)確地校核及優(yōu)化設(shè)計(jì)。
4)驗(yàn)證和確認(rèn)過(guò)的CAE模型、規(guī)范及模板,將被發(fā)布出來(lái),成為企業(yè)的仿真規(guī)范。
5)V&V工作是仿真數(shù)據(jù)管理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理的重要核心內(nèi)容。
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本文標(biāo)題:美國(guó)車(chē)橋(AAM)傳動(dòng)系統(tǒng)NVH仿真分析的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)
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