北京安懷信科技有限公司楊軍永經(jīng)理
一、AAM客戶應(yīng)用背景
1.公司簡介
American Axle & Manufacturing，Inc.(AAM)，即美國車橋公司，是世界汽車零部件制造巨頭之一。公司于1919年就已成為通用汽車轎車生產(chǎn)供應(yīng)商，AAM在輕型卡車和SUV上有著豐富的積累，同時能為全球各汽車廠提供零配件。AAM在解決傳統(tǒng)工程項目，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。
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在完成具有競爭性的創(chuàng)新過程中，成本控制成為一種挑戰(zhàn)。
時間就是成本，過去工程效率和人力資源始終是AAM的一個瓶頸問題。為什么成本控制是一種挑戰(zhàn)呢？因為做CAE仿真的都知道，首先設(shè)計一個方案要做CAE分析，最簡單的一個分析可能也要用到兩三個小時，比如國外一般生產(chǎn)一個東西，肯定是有好多種方案，不像中國可能就是在一套方案上做出好多修改。而且國外在概念設(shè)計的過程中就會提出很多種方案，如果每一種方案都要使用分析的話，一個簡單的可能需要兩三個小時，一個復(fù)雜的可能是兩三天、兩三個周，甚至兩三個月都有可能。這樣效率的問題就凸顯出來。
第二，過分依賴于CAE專家的人工操作流程，使得一個即使最基礎(chǔ)的仿真迭代，也至少需要2到3個小時的周期，仿真效率限制了設(shè)計優(yōu)化。
第三，過分依賴于個人能力的人工操作引起的分析錯誤，使得分析的可靠性產(chǎn)生了極高的風(fēng)險，使得成本更加高昂。什么是老專家？就是分析的任務(wù)多了，在這個領(lǐng)域就有了一定的經(jīng)驗了。對國內(nèi)很多客戶來說，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�？赡苓@些工程師在分析的時候經(jīng)驗有所不足，面臨同樣一個問題，經(jīng)驗豐富的老專家分析的結(jié)果能跟實驗結(jié)果相吻合，而年輕的工程師可能吻合不上，這就體現(xiàn)了個人經(jīng)驗的問題了。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標(biāo)準(zhǔn)化，能不能自動的把老專家的經(jīng)驗固化下來，新的工程人員可以按照老專家的經(jīng)驗、流程，快速得出仿真結(jié)果，避免人為的錯誤。第二，就是車橋相關(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。最后，能夠自動提取結(jié)果。就是自動生成一個報告，可以方便匯報跟工程演示。
二、傳動系統(tǒng)的功能實現(xiàn)
1.方案供應(yīng)商-Comet Solutions介紹
2012年AAM決定與Comet Solutions合作，完成車橋智能仿真分析系統(tǒng)建設(shè)，目前合作完成的第一個產(chǎn)品為DrivenLine SimAPP。Comet Solutions公司成立于1994年，總部位于美國俄亥俄州辛辛那提市，公司創(chuàng)立背景是美國Sandia實驗室、NASA和美國空軍實驗室聯(lián)合投資，希望建立一個面向多學(xué)科一體化仿真以及快速驗證的系統(tǒng)。2001年，Comet Solutions公司正式成立商業(yè)公司，開始獨立為美國其他研究機構(gòu)及提供軟件服務(wù)，這些客戶包括MIT林肯實驗室、美國加州宇航局、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)科一體化仿真及驗證為主，也提供創(chuàng)新方案設(shè)計、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軟件是幫助用戶建立和利用參數(shù)化的3D、2D、1D以及0D的傳動軸，輪軸以及其他相關(guān)部件庫，用于完全自動化地配置和進行driveline系統(tǒng)的NVH分析。產(chǎn)生的結(jié)果是，生成一個統(tǒng)一的傳動系統(tǒng)的NVH分析環(huán)境，幫助用戶真正快速且容易地對任意幾何設(shè)計進行評估，而不需要傳統(tǒng)的人工操作的方法。下面介紹了具體的實現(xiàn)過程。
圖1 傳動軸
1）計算的復(fù)雜性。傳動軸傳動的時候有齒輪，在傳統(tǒng)過程中如果有一個齒輪嘯叫，轉(zhuǎn)動的過程中會產(chǎn)生很大噪音。靜力計算，就體現(xiàn)在強度上了。NVH計算，也就是噪聲。
圖2 計算的復(fù)雜性
下面介紹了DrivenLine CAE仿真難點。
難點一：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，用戶需要重新基于幾何描述來創(chuàng)建一個“試用”有限元模型——上述工作帶來很大的時間成本和潛在的人為錯誤。
難點二：準(zhǔn)雙曲面齒輪類和軸承模型是設(shè)計中最需要參數(shù)化的部件，也是評估設(shè)計的選項。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。輸入此類數(shù)據(jù)到Nastran中需要大量的人工和時間，同時沒有正確與否的評價。
難點三：工程師同樣需要具有在可行設(shè)計庫中選擇一個初始的軸設(shè)計數(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模型文件來存儲大量軸數(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模型直接進行網(wǎng)格劃分。
難點四：在一個動力傳動系統(tǒng)項目中，AAM工程師需要在一個大范圍的參數(shù)變化中執(zhí)行分析，基于大量的選擇進行快速評估。
難點五：進行DOE（實驗設(shè)計）和優(yōu)化設(shè)計， 為了保證該工作的可行性， Nastran模型必須在沒有人工操作的情況下自動生成。
工作流程：首先形成了一個流程模板，把要分析的東西都做成一個表格，在Excel表格的基礎(chǔ)上稍微修改一下就能自動生成需要模型，完成網(wǎng)格劃分以后，進行NVH分析、振動噪聲分析，會自動把分析的結(jié)果體現(xiàn)出來，并且以不同的形式輸出，這就是NVH分析時很典型的一條曲線。從這里面就可以看出是否合適，是否滿足我們的功能要求。
圖3 NVH DrivenLine SimAPP工作過程
NVH DrivenLine SimAPP的優(yōu)勢：一是工程師可以快速配置傳動設(shè)計，從庫中選擇差速齒輪外殼、傳動軸、輪軸等。二是NVH計算模型準(zhǔn)備的完全自動化。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)語標(biāo)準(zhǔn)化。五是自動化的結(jié)果提取和報告生成。
三、AAM客戶價值
1.NVH Drivenling SimAPP帶給AAM價值
首先，每次分析迭代平均減少75%的時間，自動化以后，工作效率明顯提高了；在AAM，單個工程大約可節(jié)省13萬美金的花費；捕獲全球?qū)＜抑R；通過全局強化標(biāo)準(zhǔn)和操作減少人工錯誤以達(dá)到質(zhì)量的改進。此外，這個方案的價值被美國著名技術(shù)研究公司OraRESEARCH收錄并發(fā)表。
2.Drivenling SimAPP Payback and ROI回報和投資回報率
仿真自動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的傳動軸，輪軸和其他用戶自定義的子部件庫；顯著的時間成本節(jié)約和人工錯誤的減少；賦予缺乏經(jīng)驗和低水平的工程師可以運行計算。
利用所有分析工具，包括幾何設(shè)計參數(shù)，在所有保真度層面執(zhí)行自動化DOE和優(yōu)化計算。
一個一致的系統(tǒng)資源庫。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。
自動生成的分析報告瞬時為全球各設(shè)計團隊所共享，提供統(tǒng)一、一致的貫穿于工具的所有模型和數(shù)據(jù)。
四、帶給中國客戶的價值思考
帶給中國的價值思考有四點：第一提升傳動系統(tǒng)/車橋/底盤自主設(shè)計能力；第二減少80%以上的傳動系統(tǒng)/底盤仿真分析時間；第三集成固化了最佳實踐仿真建模規(guī)范，任何水平人員均可進行準(zhǔn)確的仿真分析；第四獲取了美國最大的車橋公司的所有相關(guān)仿真和建模規(guī)范，先進知識轉(zhuǎn)移。
五、ANWISE公司其他關(guān)鍵解決方案
1.DFM pro設(shè)計工藝一體化工具
DFM Pro設(shè)計工藝一體化工具，這是美國最大的CAD/CAM咨詢公司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)后臺的工藝規(guī)則庫，自動檢查設(shè)計工藝性；可以檢查出設(shè)計中無法加工、難以加工、或加工成本昂貴的地方，自動標(biāo)示出來，設(shè)計人員可直接修改。
圖4 DFM pro操作界面
圖5 DFM Pro九大工藝包
總的來說DFM pro的價值主要體現(xiàn)：
1）設(shè)計周期縮短。DFM Pro可以大大減少設(shè)計工藝性檢查的時間，以及降低設(shè)計-工藝反復(fù)的次數(shù)，據(jù)DFM Pro眾多客戶統(tǒng)計，軟件平均為設(shè)計工藝檢查周期減少的時間為80%-90%，幾乎提高了10倍的效率。
2）具有設(shè)計質(zhì)量控制。DFM Pro不僅僅為經(jīng)驗不足的設(shè)計人員提供了最佳工程實踐的工藝檢查工具，同時也為資深的設(shè)計人員提供了自動化、精確化的檢查手段，避免了設(shè)計人員由于人為因素造成設(shè)計質(zhì)量問題。
3）擁有設(shè)計成本控制。DFM Pro產(chǎn)品集成了考慮工藝經(jīng)濟性的規(guī)范，可以實時為設(shè)計者提供成本更低的設(shè)計更改建議，設(shè)計者可以根據(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)計工藝性知識描述和管理。首先DFM Pro的工藝規(guī)范庫建立為設(shè)計人員與工藝人員建立了一套規(guī)范、量化的工藝語言，使得雙方的溝通實現(xiàn)了工程化，而且體現(xiàn)在了針對模型設(shè)計的實際更改上；其次DFM Pro的知識庫建立也為設(shè)計單位與多個合作加工單位之間建立了一套不同的溝通機制，不同的加工單位對應(yīng)不同的知識庫進行檢查，大大簡化了設(shè)計單位內(nèi)部以及設(shè)計-加工單位之間的溝通困難。
2.SimV&Ver CAE仿真模型驗證工具
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軟件被開發(fā)出來。此時CAE軟件價值——“建模和仿真可以顯著的降低物理測試的成本”。
1980年，“除非我看見測試結(jié)果…否則我將不會相信你的仿真預(yù)測”—Saint Thomas經(jīng)理。
1990年，“如何獲得對仿真的信心？與校核目標(biāo)相吻合”。AIAA,ASME關(guān)于V&V驗證的規(guī)范指出——“從模型預(yù)期的應(yīng)用角度來看，仿真是否準(zhǔn)確代表了真實世界，只能通過V&V驗證”。
2.2 SimV&Ver合作開發(fā)公司簡介
SimV&Ver是由ANWISE公司聯(lián)合美國Comet公司，法國SimConcept公司共同開發(fā)的用于CAE軟件置信度驗證的工具。
2.3 SimV&Ver功能簡介
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價值-讓“仿真”名符其實
只有經(jīng)過V&V驗證和確認(rèn)過的CAE模型，才真正可以用于以下幾個工程方向：
1）指導(dǎo)試驗，降低試驗成本及周期。
2）作為試驗的補充，完成試驗無法獲得的數(shù)據(jù)。
3）準(zhǔn)確地校核及優(yōu)化設(shè)計。
4）驗證和確認(rèn)過的CAE模型、規(guī)范及模板，將被發(fā)布出來，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：美國車橋（AAM）傳動系統(tǒng)NVH仿真分析的自動化實現(xiàn)
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