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Abaqussubmodel技术在发动机开发过程中的应用

王艳军王象武王康

上海汽车集团股份有限公司技术中心

摘要：在发动机开发过程中，通过采用Abaqussubmodel技术对复杂零部件局部改型项目进行

有限元分析计算，在保证精度要求的同时，可以快速验证多个优化方案并最终锁定最佳方案，节

省了大量的计算时间，提高了工程开发的效率。

关键词：发动机、Abaqussubmodel技术、有限元分析、效率

1.前言

随着发动机技术的快速发展，对开发过程中效率和时间节点的要求越来越高，在最短时间

内实现工程样件锁定的需求变的越来越迫切。对于机体、缸盖这类复杂零件的局部修改分析，采

用传统全模型重新计算的方法通常需要花费大量的计算时间；现在使用Abaqussubmodel技术进

行计算分析，可大大提高计算效率，为工程开发节省大量宝贵时间。

2.Submodel技术

Submodel技术是一项基于圣维南原理的分析方法，即如果实际分布载荷被等效载荷代替以

后，应力和应变只在载荷施加的位置附近有改变。说明只有在载荷集中位置才有应力集中效应，

如果submodel的位置远离应力集中位置，则在submodel内就可以得到较精确的结果。

对于复杂零件的局部区域修改分析，submodel技术与传统分析方法相比，有较大优势。

1)传统分析方法需要用对改型零部件重新建模，并将其置于整个分析模型中重新进行分

析，从而得到关心区域的结果，前处理和计算时间较长，结果准确。

2)submodel技术可以避开整个模型而只在模型需求部分做特殊处理，从前一个完整计算

的结果中提取边界条件进行计算，可以减少甚至取消了有限元实体模型中所需的复杂

的传递区域，从而得到关心区域的结果，可以在感兴趣的区域针对不同的设计方案（如

不同的圆角半径）进行快速分析，节省大量计算时间，结果准确。

Abaqussubmodel技术包括两类：

1)基于节点的submodel技术:通过节点的位移值将Globalmodel的结果传递到

submodel上，Globalmodel作为submodel上驱动点的边界条件来驱动submodel计算。

该技术在工程中应用较多。

2)基于面的submodel技术:通过节点的应力值将Globalmodel的结果传递到submodel

上，Globalmodel用来指定在submodel驱动面的通量来驱动submodel计算。目前，

Abaqussubmodel技术只对体单元和壳单元有效。

Abaqussubmodel分析的过程包括以下步骤：

1）Globalmodel分析；

2）生成abaqussubmodel；

3）确定切割边界；

4）分析abaqussubmodel；

5）验证结果的准确性和切割边界的合理性。注意事项：切割边界尽量远离模型约束位置，

远离部件之间力传递的位置，远离应力集中的位置。

3.工程应用实例

3.1机体下裙架通风孔结构优化改型分析

裙架通风孔是机体上较小的一个区域，但校核其是否满足设计要求，需将其置于整个机体缸

盖模型中加以考察，这样计算时间较长，计算量非常大，难以满足对小改型项目高效支持的要求，

故采用基于节点位移法的Abaqussubmodel技术来进行快速分析计算。Case1裙架模型除修改区

域局部与Base模型不一致外，其余区域均一致，如图1、图2所示。

修改

通风孔

区域

图1.Base方案（globalmodel计算）图2.Case1方案（submodel计算）

3.1.1Globalmodel

缸盖

选用改型前整机计算模型为Globalmodel，如图3

所示。

(1)约束边界条件：

?为防止刚体位移，约束缸盖顶面三个点；

机体

?为防止工作载荷加载导致模型两端剖切面和轴承

座外部变形失真，对一边剖切截面施加对称约束。

(2)分析步（14LoadCase）：

裙架?冷装配工况（螺栓预紧力）

?热装配工况（螺栓预紧力+热载荷）

?工作载荷加载和卸载工况（12LoadCase）

图3Globalmodel

3.1.2Submodel定义

切割边界应远离关注区域和应力集中区域，同时考虑模型求解规模尽量小，选取离通风孔

较远的机体下方位置为驱动点位置，生成submodel，如图4所示。在submodel计算中分析步必

须与Globalmodel一致，其载荷依据实际情况加载，submodel中每个分析步的边界条件从Global

model相应的分析步中读取。

驱动点

机体

裙架

图4.Submodel3.1.3Submodel结果标定

提取冷装工况和热