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整车柔性管线动态仿真分析技术简介

2019-09-24 00:03:17·  来源：上汽安全与CAE技术  
　
汽车管线布置及设计方法01、CAE虚拟仿真技术已广泛应用于整车开发过程，但是对于汽车柔性管线，工程师主要依靠经验进行布置与设计，并通过实车试验进行失效风险
01、汽车管线布置及设计方法
CAE虚拟仿真技术已广泛应用于整车开发过程，但是对于汽车柔性管线，工程师主要依靠经验进行布置与设计，并通过实车试验进行失效风险评估。其主要原因是传统的有限元仿真方法对材料特性复杂、大变形大扭转难以收敛。
    
无仿真技术支持，设计初期，则无法对管线进行动态风险评估，实车试验阶段，管线与周围部件更容易发生干涉、磨损，或者管线过度弯扭、卡箍拉脱，以至于内部工作液泄露，造成失效。设计后期，若管线需重新布置，会有更多的设计约束条件，难度更大。因此，整车柔性管线布置与开发，急需开发动态仿真技术。

传统方法管线布局设计循环图
    
目前，一种基于Cosserat 弹性杆理论的柔性管线动态仿真分析方法被引入整车管线布置与设计过程中。基于该方法，可以实现整车柔性管线动态仿真分析，在整车开发前期便对柔性管线提供布置与设计数据支持，在无样件和实车的条件下评估管线动态失效风险，大大提高了管线布置与设计的效率。

动态仿真方法管线布局设计循环图

02、Cosserat弹性杆基础理论
 
汽车柔性管线为细长的柔性体，在汽车运动过程中，可以认为其本构关系为弹性关系。因此，采用Cosserat弹性杆理论对汽车柔性管线进行建模。
    
柔性管线的几何形态可由刚性截面沿中心线的移动和转动所体现。以中心线上的一固定点P0为原点建立弧坐标s，以空间中一固定点O建立参考坐标系（O-ξηζ），O点到空间中一点的向量为r，在曲线上任一点P可定义一个依附于曲线的右手坐标系（P-NBT），称为Frenet坐标系，如图1.1所示。其中，T为该点处切线方向的单位矢量，N为该点处法线方向的单位矢量，矢量B由B=T×N得到。在P点建立与刚性截面相固连的主轴坐标系（P-xyz），其中z轴与P点处的切线轴T重合。主轴坐标系x轴与Frenet坐标系的N轴的夹角为θ，θ为截面扭转变形的体现。
图1.1 柔性管线空间位姿的描述
    
设柔性管线中心线为C，选定C上的P0点为起始点，建立沿C的弧坐标s ，C上任意点P的位置由s确定。以固定点O为原点，建立线缆参数化模型的定参考坐标系O-ξηζ，如图1.2所示。矢径r 确定了C上运动节点P的位置，r为s的单值连续可微函数。

图1.2 柔性管线参数化模型
    
矢量r(s)确定了C的空间几何形状，C在P点处的切线矢量T可描述为
C在P点处的曲率定义为T对s的导数的模, 即


 
r确定了C上各节点的空间位置，通过对r的求解即可得到同一时刻线缆中心线C的空间几何形状。r的求解公式为
其中，矢径r(0)表示P0点的空间位置。
Frenet坐标系中，N和B张成的平面(N, B)称为曲线C在P点处的法平面，记为∅。引入时间变量t，C在法平面内随时间t 的演化可表达为偏微分方程

 
其中, V是决定曲线C上各点运动速度的速度函数。随着演化的进行, 在不同时刻获得相应的线缆空间曲线形状，形成曲线集。

03、工程应用
 
为了评估管线在实车路试条件下的干涉、拉脱、弯扭风险，需要综合考虑管线的零件公差、安装误差以及机构运动带来的影响，即保证管线布置和设计的可靠性。
 
管线仿真的工程价值   
   
工程应用范例1：
    
下图为某车型的轮速传感器线束。在静止状态下，考虑了管线自身的材料特性、扭转情况、重力等因素的CAE仿真线束与CAD设计状态便存在较大差异。
通过仿真，发现传统方法设计的管线与实际管线走向存在较大差异，考虑了管线自身材料特性、重力、弯扭特性的仿真状态更加符合实际情况。
   
工程应用范例2：
    
对换气扇的预成型管进行动态仿真，可得到应力与时间的关系曲线，最大应力为85Mpa，可以得出结论：在实车路试振动冲击条件下，冷却模块的冲击变形造成的铝管连接处不会出现强度开裂问题，设计满足要求。

04、应用区域
  
目前，柔性管线动态仿真分析方法在整车发动机冷却系统管路、空调系统管路、变速箱系统管路及拉索、燃油系统管路、进排气系统管路、制动系统管路及拉索均进行了一系列的仿真分析及优化，且仿真精度较高，满足工程开发应用的要求。
参考文献：
[1] 王志斌,刘检华,刘佳顺,宁汝新.面向电缆虚拟装配仿真的多分支弹簧质点模型[J].机械工程学报,2014,50(03):174-183.
[2] 魏发远,王峰军,陈新发.含有柔性电缆的复杂系统装配仿真[J].工程设计学报,2007(01):25--30.
[3] 刘检华,万毕乐,孙刚,尚炜,刘佳顺.线缆虚拟布线与敷设过程仿真技术[J].计算机集成制造系统,2012,18(04):787-795.
[4] 刘检华,赵涛,王春生,唐承统.虚拟环境下的活动线缆物理特性建模与运动仿真技术[J].机械工程学报,2011,47(09):117-124.
[5] 刘延柱,薛纭.基于精确Cosserat模型的螺旋杆稳定性分析[J].应用数学和力学,2011,32(05):570-578.
[6] 刘延柱.弹性介质中任意形状细长曲梁的Cosserat模型[J].工程力学,2014,31(08):77-82.
[7] 刘延柱, 薛纭. 基于高斯原理的Cosserat 弹性杆动力学模型[J]. 物理学报, 2015, 64(4): 190-194
[8] 王发麟, 廖文和, 郭宇, 王晓飞. 基于精确 Cosserat 模型的柔性线缆物理特性建模与变形仿真技术[J]. 计算机辅助设计与图学学报, 2017.
[9] 林海立,刘检华,唐承统,刘佳顺.基于Cosserat弹性杆理论的柔性线缆物理建模方法[J].图学学报,2016,37(01):34-42. 
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