开发高质量螺栓接头是汽车底盘设计不可或缺的组成部分。高稳健性接头相对于连接副车架到转向节的连杆而言，了解其设计的人可能更少，但它却对改进操控、延长汽车寿命至关重要。接合不严，就会恶化对齐不善等质量问题，从而影响接合组件的耐用性。设计良好的接合效率更高，能以更小型号的扣件支持更大负载，而且不会脱松。

福特汽车公司的工程师接到了为中型乘用车后悬挂系统开发高稳健性悬臂式锥形接头的任务（见图1）。为了最大限度节约时间和成本，同时满足功能性目标要求，该团队用Abaqus for CATIA（AFC）发了自动化实验设计（DOE）流程用于结构分析，并用Isight进行流程自动化和最优化。

福特的底盘CAE工程师Satyendra Savanur指出：“我们的团队选择AFC 来进行标准的压力建模和仿真实践，采用模板 形式让设 计机 构中更多工程师都能使用。Isight和AFC相结合，能帮助我们开发强大的自动化设计分析流程。我们采用一种近似模型中的响应表面方法来找到最佳参数，确定接头的尺寸。”

分析锥形接头性能

螺栓接头是汽车悬挂最常见的接合方式。在本应用中，锥形接头用来连接连杆和后转向节，采用悬臂式连接。锥形接头衬内套和转向节两部分相连，每部分对锥角有独特的制造公差。

为开发钢内套和铝转向节之间的稳健锥形接头，要考虑以下方面：每个部件的生产公差、锥和底座之间的接触区域、负载移除后的锥扭矩损失角度。

为进行设计仿真测试，福特工程师采用AFC创建转向节和衬内套的有限元模型，并通过CATIA创建的模型获得几何输入和材料属性。AFC保持与CATIA模型的相关性，确保当CAD模型在设计变量变化范围内变更时Abaqus模型更新的鲁棒性。

在物理组装流程中，锻钢内锥受力紧靠铝转向座。由于不同部件的生产工艺不同，锥设计特性的角度公差不同于内套和转向接合表面。

Savanur指出：“由于潜在的角度不匹配问题，当接头完全扭转而且两个表面接合时会存在接触面积差异?！苯雍喜牧峡赡艹鱿志植克荩饩突岬贾伦芭涫苯哟ッ婊浠徒油费沽Ψ植急浠?。加负载情况下，接触面积和接头压力可能出现进一步的变化。

图1.装配前，采用锥形接合的止推杆（黑色）和后转向（银色）特写图。

他指出：“因此在分析中必须仿真接头总成以及接头工作负载的加载和卸载。我们的目标是提供稳健性接头设计，解决锥体和转向之间的全部各种锥形不匹配问题。”

对进行稳健性接触分析乃至接触压力分布分析，内套筒网格构建为与转向座网格的配合。为协助接触面网格的对齐，另外创建了转向座“域”（见图2青色），可简化接触工作。这个部件在Abaqus内通过固连接触连接到转向体其它部分。

为模拟螺栓装配流程而创建内套和转向接头座之间的虚拟螺栓。套中心承受外部工作负载。铝和钢的非线性压力-应变曲线导入AFC进行非线性分析。接触对和螺栓张力都在AFC中创建。接触面输出（CAREA）和接触力强度（CFNM）都能用AFC进行后处理。最后，Abaqus分析文件输出并提交到高性能计算（HPC）集群，从而运行分析。

管理DOE进程

福特需要评估大量不同参数组合的设计，这促使工程师创建了自动化的DOE流程。在该流程中，CAD几何更新和FEA模型更新在相同回路中完成，从而实现全自动的DOE工作方式。

福特的CATIA启动含有一套经定制的外部产品管理系统，在CATIA界面初始化之前通过脚本剥离产品管理系统连接。

图2.锥形接头的CAE网格。

设计参数随后通过外部Excel文件输入CATIA，这属于CATIA中更新设计表的常用方法。Excel文件的输入参数映射到Isight管理器的DOE任务，这支持每个回路的Excel工作表自动更新。由于Excel同步于设计表，因此能自动更新CATIA中的CAD几何模型。在AFC中，几何和FE网格保持关联，因此所得的网格在CAD数据变化时会自动更新。

Savanur指出：“通过开发统一集成过程，我们能同时驱动几何体和网格的自动更新?！蔽丝刂艱OE流程，用Isight作为流程自动化管理器。所得的自动化回路完全集成于CATIA和AFC，实现CAD自动更新，能创建Abaqus 有限元模型，并提交工作进行分析，最后获得处理结果。

Isight流程中的Abaqus组件用来提取结果，包括每次运行DOE的CAREA和CFNM（见图3）。Excel文件的输入参数随后映射到输出参数，以创建Isight近似模型。Savanur指出：“在我们这个案例中，我们用响应表面模型近似法?！闭庵肿缎谓油沸形颇Ｐ涂捎美凑故臼淙肴绾斡跋焓涑觯⒖焖儆呕缎谓油?。

Savanur说：“这是福特首次用基于Isight集成化DOE自动循环配合CATIA和Abaqus应用于几何体形状的寻优?！?/span>

Isight实现更高效的流程

CATIA和AFC脚本的设置、验证，HPC任务提交批处理文件以及Windows批处理命令文件都需要时间和资源来开发，但所花的时间是完全值得的，因为这些文件能在随后的项目中略加修改就实现重复利用。

Savanur 指出：“开发 相 关 的CATIA模型配合关联Excel设计表再链接到相关AFC模型，这需要大约3天完成。修改和调试开发的脚本运行这些新模型还需要一天时间。使用Isight，整个流程只需要三个半小时就能完成35次运行分析。”

福特的底盘CAE总监Joe Peters指出：“通常，手动CAE分析流程需要两天时间才能完成一次运行。当然，如果项目非常重要，这个时间也能缩短些，但这基本是每个工程师每天兼顾数个项目工作后的进度。”

图3.采用Isight的集成DOE自动化流程。

数据在CAE和CAD之间来回传输往往造成时间效率低下，在人们要做多项工作情况下，在需要新的设计迭代时不能立即停下手头的工作。这有点像CPU时间与墙上时钟时间的对比。

Savanur指出：“在开展其他日常工作情况下完成所有35次运行估计需要约70天，不过我们的新流程消除了手工CAD/CAE流程带来的的低效问题。通过Isight创建集成化、自动化的DOE流程，我们只用大约4天就完成了这个任务。这是得益于CAE流程节约成本和时间，也是实现项目目标的唯一方法?！?/span>

Peters指出：“使用自动化DOE流程，我们能大幅缩短开发稳健性锥形接头所需的时间，并尽可能减少资源占用。用自动化流程从CAD创建到CAE模型生成能实现最大的时间节约。这充分说明一一个事实CAE团队采用创新技术就能帮助福特实现项目目标。”

福特采用AFC并在Isight帮助下创建自动化DOE流程，能实现稳健性锥形接头设计。这款设计展现出较好的接触面，在负载移除后仍能保持夹力，而且符合指定的制造公差。