福特動力總成使用Digimat進行材料高級建模優(yōu)化NVH與輕量化設計

作為我們與 e-Xstream 共同實施的合作伙伴方法論研究項目的一部分，Digimat 所展現(xiàn)的獨特能力給我留下了深刻印象。借助該軟件我們能夠優(yōu)化復合材料設計的微觀結(jié)構(gòu)，因此我們可以針對特定的 NVH 要求進行材料微調(diào)。在汽車上采用復合材料是必不可少的減重舉措，由此可以減少燃料消耗、降低二氧化碳排放。但這有時會使 NVH 性能有一定程度的下降。Digimat 能讓工程師正確地完成復合材料的建模、設計，對最優(yōu)阻尼性能進行微調(diào)，達到所需的 NVH 性能和改進要求。這在部件輕量化設計方面邁出了巨大的一步！—— Mario Felice，福特汽車公司全球動力總成NVH CAE 部經(jīng)理

概述

福特汽車公司將玻璃纖維增強塑料用于汽車動力總成零件，如發(fā)動機罩、進氣道及發(fā)動機油底殼等。在汽車部件設計上使用這些材料有許多優(yōu)勢，其中包括提供優(yōu)于金屬材料的阻尼性能以及輕量化的可能。但由于制造工藝所造成的復合材料微觀結(jié)構(gòu)的復雜性，增強塑料的剛度、阻尼均與頻率相關(guān)且呈現(xiàn)局部各向異性。要想對此類部件進行有效的NVH設計，就要采用能夠有效體現(xiàn)以上材料特征的相應技術(shù)，使其貫穿從材料特性研究到部件設計迭代性能預測的方方面面。

挑戰(zhàn)

?如何建立材料模型，才能正確地獲取與頻率和局部纖維方向關(guān)系密切的局部各向異性剛度和阻尼性能？

?材料的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對零件的 NVH 行為有何影響？

使用者如能掌握上述技術(shù)，不僅可將軟件工具作為預測性仿真方法，還可以精確調(diào)校注塑參數(shù)改變纖維走向以達到期望的部件性能。這對福特汽車公司來說是一個難得的良機，由此可以帶來兩點好處：

? 能夠優(yōu)化零件的 NVH 性能及重量

? 減少了為滿足聲學目標而采取的通常會增加部件重量的糾正措施

解決方案

在兩個動力總成部件上應用了Digimat技術(shù)：

?   發(fā)動機油底殼，以便：

-   基于DMA試驗數(shù)據(jù)，采用該軟件創(chuàng)建粘彈性材料模型。

-   通過結(jié)構(gòu)有限元計算與實驗結(jié)果的比較，驗證模態(tài)頻率和加速度峰值預測的準確性。

?   發(fā)動機支架，以便：

-   估算纖維方向、纖維質(zhì)量比及纖維長度會給部件的 NVH 行為造成多大程度的影響。

針對各種應用情況，將纖維方向分布映射到 Nastran 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上。通過纖維定向映射可以與有限元分析中的多尺度粘彈性材料模型建立聯(lián)系，將制造工藝對部件行為預測的影響考慮在內(nèi)。

對發(fā)動機支架進行仿真時，在材料文件中可直接修改纖維質(zhì)量比和纖維長度，以便判定它們對仿真的影響。

結(jié)果/收益 

發(fā)動機油底殼案例分析表明，與福特汽車公司常用的各向同性法相比，在識別模態(tài)頻率和加速度峰值方面均有明顯改進：參見圖1。

發(fā)動機支架案例分析則揭示了各個微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（纖維方向、纖維長度及纖維質(zhì)量比）對部件性能有著重大潛在影響，可以將它們視為設計參數(shù)。因此，通過微調(diào)注塑參數(shù)以改變材料微觀結(jié)構(gòu)，設計工程師就可以從阻尼和輕量化的角度對部件性能進行優(yōu)化：參見圖 2。

圖1.發(fā)動機油底殼：模型預測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較表明，與常用的各向同性法相比，采用 Digimat 技術(shù)取得了明顯改進，前者在全頻率范圍低估了部件的NVH 性能。

圖2.發(fā)動機支架：纖維方向、質(zhì)量比及長徑比對部件的剛度和阻尼行為的影響與各峰值的頻率及本征模態(tài)有關(guān)