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汽车与公路设备 |
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宝马集团采用LMS寿命预测软件优化车辆的耐久性并减轻总重量 |
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在20世纪90年代初期和中期，汽车公司通常仅提供少数基本模型。而面临今天激烈的市场竞争，汽车制造商们必须能够提供多种类型的汽车和变型版本，才能满足广大消费者不断变化的品味和时尚追求。与此同时，汽车制造商还要继续保持产品的高品质，并不断减轻车辆的总体重量。新设计方案的不断增加已经使耐久性试验设备的使用达到了极限，这成为制约汽车制造商开发新设计的瓶颈。为了解决这一问题，BMW集团已经在其核心开发进程中集成了LMS寿命预测软件。尽管面临着产品种类不断增加的实际问题，但BMW集团的物理样机数量并没有增加。系统级耐久性仿真技术结合专门的分析和可视化功能为BMW集团工程师、设计团队和主要供应商之间构建了一个有效的交流合作平台。这样，BMW集团的汽车开发周期明显缩短，特别是对变型产品。
消除试验瓶颈
具有良好的耐久性对于激烈的汽车市场竞争来说是极为重要的。与安全相关的部件绝对不能出现问题，当然，部件的整体疲劳寿命必须能让客户满意，并能保证对客户的承诺。工程师设计的部件和系统，必须能够承受指定的工作载荷，预定的工作周期以及某些错误使用。另一方面，车辆设计还要减轻重量以降低制造成本，同时具有经济型燃油消耗，并满足排放标准。决定性疲劳寿命设计，由于其复杂性和需求之间的相互冲突，并主要依赖于无数的物理样机试验和模拟试验，因此常常是非常耗时和高成本的流程。由于试验结果不满意而修改的设计最终将导致设计新的物理样机，重新进行试验。整个过程重复进行直到符合所需求的疲劳寿命。薄弱焊点和正确设计的确定必须经过多次的构建-试验-重设计这样的循环过程。通常情况下，有很多排气系统的试验，特别是进行整个系统评估时，例如轴装配，悬架系统，刹车装配或者动力总成系统。BMW集团目前提供的车模型数量是15年前的两倍，还有很多变型版本。例如，宝马3系列车型具有汽油或柴油发动机，自动和手动传动系统，后轮和四轮驱动，以及像敞篷车或旅行车等不同的车体设计。每一种不同组合都会对车辆载荷有不同的影响，因此每种组合都需要在设计中分别考虑。如果所有可能的组合都依靠试验验证，则至少需要25种试验任务，这样，仅仅为一个系列的车模型，需要长时间占用试验台进行试验。对疲劳寿命的验证单纯依靠试验方法不再现实，因为进行多种车模型的试验台在容量和处理能力方面都已经超出可能性。
BMW 集团配置了对动态应力和零部件进行早期疲劳寿命估计的一种系统方法。利用耐久性分析软件，BMW 集团的工程师计算循环载荷作用下的强度，来表示设计中的真实疲劳寿命。
预测疲劳寿命的系统方法
虚拟仿真和疲劳寿命试验相结合的方法，无疑是解决不断增长的车型多样性，加速产品上市时间和确保质量标准的唯一解决方案。过去，在零部件设计阶段，以准静态的强度计算方法估计零部件可能承受到的载荷水平。直到开发的后期，随着实物原型的构建并进行试验，才能够获得精确的载荷数据，并据此对零部件设计进行调整。
仅仅依靠静强度的计算，忽略了循环载荷对耐久性的影响，造成了耐久性评估的不可靠性。为了改善这种状况，BMW集团配置了对动态应力和零部件进行早期疲劳寿命估计的一种系统方法。利用耐久性分析软件，BMW集团的工程师计算循环载荷作用下的强度，来表示设计中的真实疲劳寿命。这使得他们能在开发早期对耐久性属性进行评估，并且对主要的设计方案作出正确的选择。
为了在开发早期更精确地预测载荷，BMW集团检验了将LMS混合路面(Hybrid Road)与多体仿真相结合的方法。LMS混合路面从由以前的模型车测量的轮轴载荷开始，将这些载荷转化为轮轴位移。获得的轴位移(轴位移大小更多的依赖于路面而不是车的特性)用于整车多体模型的输入。通过动力学仿真，可将整车所受激励逐级地转化为作用于底盘和车身零部件的循环载荷或者位移。LMS Virtual.Lab Durability耐久性分析模块自动地将循环载荷与有限元分析得到的单位载荷应力相乘。从数据和结构信息，例如材料性能，疲劳寿命预测可以估计累计的损伤，识别薄弱部位，提供根据结构能够承受的工作周期数来表示的疲劳预测。
LMS寿命预测软件使工程师能够在几天时间内识别和纠正疲劳问题，而物理原型的试验往往需要几个星期的时间。这缩短了分析过程并且使假设推测研究成为可能。从而使设计更加完善，并在部件原型制造和装配之前，纠正大部分疲劳寿命问题。因此，在系统验证阶段，很少需要反复验证。这样，CAE工程师节约了时间以及昂贵的循环试验，一直保持设计轻型车辆，以及提供车辆设计所需的耐久性验证。
BMW 3 系列包括各种配有不同发动机，传动系统和车身造型的车辆模型。凭借经验验证所有组合将需要20 多组不同的物理试验，因此公司决定采用寿命预测软件，来帮助他们更快地开发多种变型车辆。
新的系统已经广泛应用于BMW集团的新车开发中，并在帮助工程师尽早地鉴定并纠正潜在问题方面，取得了极大的成功。例如，疲劳寿命分析曾经用于仿真5,000多个焊点焊缝，这样工程师能够改善设计，在开发早期消除应力多大的区域。
BMW集团计划将来在开发过程中的验证阶段也广泛采用疲劳寿命预测。理想情况下，这种方法仅需要两种物理原型：一种是在设计阶段后期，保证仿真模型能够精确模拟硬件；另一种是在验证阶段用于最终系统硬件试验。对于BMW集团来说，试验对于保证试验的精确度以及调整必要的仿真模型来说至关重要。从这一角度看，试验方法和仿真方法相辅相成，能够灵活运用这两种技术将非常有助于开发BMW集团的所有基本模型及其变型。
虚拟仿真使合作更加容易
疲劳寿命预测功能与其他功能，例如碰撞性能分析和声学分析，集成于强大的交流平台中能够帮助CAE工程师与其他团队合作开发，包括设计者，试验工程师，管理者和主要供应商。这些信息交流主要依赖于软件的分析能力和结果的可视化程度，以及能够提供给工程师所需的减少耐久性问题的深入见解的能力。
LMS Virtual.Lab Durability耐久性分析能够显示彩色编码的“热点”损伤区域图和图像表示，同时可以结合载荷时间图进行显示。结构变形动画可以在应力和/或损伤结果分析之后显示。损伤积累、疲劳寿命、最大应力幅值以及安全系数都能够以图形格式真实地显示出来。
使用这些可视化和分析功能，耐久性CAE工程师能够为设计团队提供有价值的反馈，从而提高疲劳强度，例如采用不同的材料。同样地，CAE工程师能够提供给试验工程师疲劳寿命仿真结果，指导试验程序并识别存在破裂风险的潜在区域。这样，耗时且昂贵的耐久性试验可以主要集中于减少问题区域。疲劳寿命分析结果还能够以非技术形式显示给管理人员，例如损坏的后果及其在结构上的表现。开放式系统能够有助于同供应商和其他外部团队的交流，特别是与有合作意向的合作伙伴。
快速提供疲劳寿命预测结果的仿真能力，不同团队之间的紧密合作，加速了车辆的开发进程。进一步说，虚拟仿真使不同职责的团队之间横向合作变得容易，从而有利于开发出更具创新性设计的未来车辆，这正是BMW集团这样的高端汽车制造商成功的关键。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(5/5/2010) |
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| LMS仿真与试验解决方案联系方式：
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| 网址： |
http://www.siemens.com.cn/plm/lms
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电话：86--4000920665 |
| 地址： |
中国·北京·北京市朝阳区望京中环南路7号西门子大厦9层 邮编100101 |
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