結(jié)構(gòu)分析
2017-11-23 10:52:00
1.概述
汽車CAE產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用在汽車產(chǎn)品研發(fā)的整個(gè)過程中，CAE產(chǎn)品分析可以對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、車輛的振動(dòng)噪聲(NVH)、舒適性(平順性)、耐久性、多剛體動(dòng)力學(xué)、碰撞、乘員的安全性，以及動(dòng)力總成(發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱)的性能等方面進(jìn)行模擬(仿真)分析、預(yù)測結(jié)構(gòu)(場)的性能、判斷設(shè)計(jì)的合理性、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，用CAE產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析還可以對(duì)沖壓成型、鑄造和鍛造的工藝過程進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決產(chǎn)品質(zhì)量問題。
現(xiàn)代汽車開發(fā)是一個(gè)綜合與分析的互逆過程。綜合與分析在汽車產(chǎn)品開發(fā)的不同階段，發(fā)揮不同的作用，從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的開發(fā)流程，實(shí)際是一個(gè)從系統(tǒng)綜合到系統(tǒng)分析的流程。在開發(fā)階段初期，有充分的設(shè)計(jì)自由度，但有關(guān)設(shè)計(jì)的參數(shù)、數(shù)據(jù)則較少，我們關(guān)注的是產(chǎn)品的整體性能，例如：平順性、操縱穩(wěn)定性等，我們能夠在設(shè)計(jì)初期結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)、客戶意見反饋設(shè)定好整車設(shè)計(jì)性能指標(biāo)（設(shè)計(jì)目標(biāo)）；在詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)整車性能指標(biāo)，逐級(jí)分解到車身、底盤等各個(gè)子系統(tǒng)、零部件上，最終體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)上。
2.汽車CAE產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程
現(xiàn)在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加整合已有資源、優(yōu)化配置，更加強(qiáng)度產(chǎn)品的整體性能，比如平順性、操縱穩(wěn)定性，高端的在整車NVH方面有更高的要求。無論是商用車還是乘用車，車身設(shè)計(jì)一直是現(xiàn)代整車設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，有限元在車身設(shè)計(jì)發(fā)揮的作用遠(yuǎn)超過其他方面。
2.1 整車性能設(shè)計(jì)
汽車的平順性主要是指保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊環(huán)境對(duì)乘員舒適性的影響，是現(xiàn)代高速汽車的主要性能之一。研究對(duì)象主要是整車懸架系統(tǒng)、前后軸荷、整車慣性質(zhì)量等，能在概念設(shè)計(jì)階段快速、準(zhǔn)確的建立多自由度整車和動(dòng)力系統(tǒng)模型，進(jìn)行模態(tài)、瞬態(tài)響應(yīng)、隨機(jī)響應(yīng)分析，對(duì)整車系統(tǒng)的平順性、人體的響應(yīng)做出評(píng)估；結(jié)合試驗(yàn)、先期客戶反饋意見、專業(yè)人士主觀評(píng)價(jià)，設(shè)立設(shè)計(jì)目標(biāo)，指導(dǎo)后繼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
可以以懸架系統(tǒng)的剛度、阻尼為設(shè)計(jì)變量，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)化組織的要求對(duì)各個(gè)頻段頻率進(jìn)行加權(quán)優(yōu)化，設(shè)計(jì)出平順性最佳的前后懸架剛度、阻尼系數(shù)。
2.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.1 車身截面、接頭設(shè)計(jì)
接頭（Joint）和梁（Beams）是決定整車剛度和全局模態(tài)的主要因素，它們控制著整車低頻的Boom和振動(dòng)（Shake）；截面特性（Section Property）決定了梁的特性。因此，通過對(duì)截面形狀、厚度以及結(jié)構(gòu)特性的分析，在汽車概念設(shè)計(jì)階段，初步估計(jì)和評(píng)價(jià)標(biāo)桿樣車的主要承載結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭模量、截面面積，對(duì)整車的部件的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)有著重要的指導(dǎo)意義。
2.2.2 車架、車身模態(tài)分析
剛度不足，將會(huì)引起車身的門窗、發(fā)動(dòng)機(jī)艙口等發(fā)生變形，導(dǎo)致玻璃破碎、車門卡死等現(xiàn)象；同時(shí)，低剛度必然伴隨低的固有頻率，易發(fā)生結(jié)構(gòu)共振和噪聲，影響人的乘坐舒適性。進(jìn)行結(jié)構(gòu)、聲腔模態(tài)求解，可以在設(shè)計(jì)初期識(shí)別系統(tǒng)整體、局部模態(tài)頻率、振型；結(jié)合整車設(shè)計(jì)要求，對(duì)不同頻率、各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互作用做出評(píng)估，從而采取合適的設(shè)計(jì)策略合理的分布車身系統(tǒng)的頻率；同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于影響室內(nèi)噪聲的部位，在考慮成本、安裝條件、設(shè)計(jì)目標(biāo)的選取合適的阻尼材料，達(dá)到最優(yōu)的減振、降噪目的。
現(xiàn)代車身用骨架構(gòu)件加薄鋼板互相連接，形成承載結(jié)構(gòu)的“網(wǎng)絡(luò)”，它們之間互相依存。車身設(shè)計(jì)十分強(qiáng)調(diào)承載結(jié)構(gòu)的合理性，不論受靜力還是受變化的力，車體本身各部分都要和諧地變形，沒有特別薄弱的環(huán)節(jié)。利用模態(tài)分析，可以幫助設(shè)計(jì)工程師確定車身薄弱環(huán)節(jié)，在最少的設(shè)計(jì)循環(huán)下，找到合理的改進(jìn)措施。
強(qiáng)度不足則引起車身構(gòu)建早期出現(xiàn)裂紋和疲勞斷裂?？梢栽谠O(shè)計(jì)階段提前發(fā)現(xiàn)車身構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)、剛度變化是否合適，快速實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)計(jì)之間的對(duì)比，減少設(shè)計(jì)開發(fā)的盲目性。
2.3 整車有限元分析
建立整車模型，通過強(qiáng)度、剛度計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)部件之間、各個(gè)系統(tǒng)的力的傳動(dòng)關(guān)系，檢驗(yàn)與設(shè)計(jì)目標(biāo)是否相符；通過模態(tài)分析，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的頻率分布，指導(dǎo)NVH設(shè)計(jì)?？梢酝瑫r(shí)考慮模態(tài)、整體剛度、關(guān)鍵部位強(qiáng)度對(duì)各個(gè)部件的設(shè)計(jì)靈敏度等進(jìn)行計(jì)算，在保證強(qiáng)度的前提下，進(jìn)行減重設(shè)計(jì)、部件優(yōu)化。
3.結(jié)論
由于汽車在批量生產(chǎn)以后改進(jìn)設(shè)計(jì)的成本顯著地高于汽車在研發(fā)初期改進(jìn)設(shè)計(jì)的成本，汽車CAE產(chǎn)品的模擬分析主要應(yīng)用在工藝設(shè)備、模具和樣車制造之前，也就是從汽車產(chǎn)品研發(fā)初期就開始用CAE進(jìn)行模擬分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的隱患，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，使汽車滿足國家的法規(guī)和用戶的需求。通過CAE的優(yōu)化分析，有關(guān)部門可以只對(duì)一種較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試制和試驗(yàn)，減少試制費(fèi)用，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，使新產(chǎn)品早日投入市場，增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。在汽車產(chǎn)品批量生產(chǎn)以后，CAE分析主要用于解決汽車在使用過程中發(fā)生的質(zhì)量問題。CAE、CAD和試驗(yàn)分析相結(jié)合，顯著地提高了汽車產(chǎn)品研發(fā)的水平。盡管現(xiàn)在車輛的道路試驗(yàn)和用戶使用仍然是評(píng)價(jià)車輛性能唯一有效的途徑，但是CAE的最終目標(biāo)是用虛擬樣車的分析完全代替車輛試驗(yàn)。雖然目前還沒有實(shí)現(xiàn)，但這是努力的方向。
