汽車的設(shè)計(jì)-第十二章-現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)方法

1、第12章 現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)方法112.1 概 述 為了保證設(shè)計(jì)質(zhì)量、加快設(shè)計(jì)速度、避免和減少設(shè)計(jì)失誤，并適應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求，使設(shè)計(jì)工作現(xiàn)代化，引發(fā)了“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”的研究。設(shè)計(jì)方法可理解為：設(shè)計(jì)中的一般過(guò)程及解決具體設(shè)計(jì)問(wèn)題的方法、手段。前者可認(rèn)為是戰(zhàn)略問(wèn)題，后者是戰(zhàn)術(shù)問(wèn)題。如果把設(shè)計(jì)方法的發(fā)展進(jìn)行概括，大致可以劃分成如下階段： (1) 17世紀(jì)前的“直覺設(shè)計(jì)階段”。 (2) 17世紀(jì)后的“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段”及其后形成的“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段”。 (3) 目前的“現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段”。 212.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，縮寫CAD)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)信息處

2、理的總稱。 12.2.1 CAD的發(fā)展?fàn)顩r 1959年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的D. T. Ross小組研究出APT語(yǔ)言及其信息處理機(jī)的原形。 1962年，MIT的Iran. E. Sutherland研制了Sketchpad繪圖系統(tǒng)。 1963年春，在美國(guó)計(jì)算機(jī)聯(lián)合會(huì)上，MIT研究小組初步設(shè)想了采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，并開發(fā)了交互式圖形處理系統(tǒng)，繪制出工程圖，從而使CAD由試驗(yàn)階段過(guò)渡到了實(shí)施階段。 312.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)12.2.2 CAD技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用 汽車行業(yè)是最早應(yīng)用CAD技術(shù)的領(lǐng)域之一。目前，國(guó)外的汽車大約每4年進(jìn)行一次換代，而新的乘用車產(chǎn)品的開發(fā)周

3、期已縮短至兩三年，汽車的每次換代都力求提高汽車的各項(xiàng)性能指標(biāo)，使外形美觀，增加新功能，適應(yīng)有關(guān)排氣、噪聲、安全、燃料消耗等各種規(guī)定指標(biāo)，應(yīng)用CAD技術(shù)可以有效地解決這類問(wèn)題。12.2.3 CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾點(diǎn)： 集成化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、參數(shù)化、三維化、可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。 412.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)12.2.4 CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1. CAD系統(tǒng)的硬件2. CAD系統(tǒng)的軟件 軟件是指使用和發(fā)揮計(jì)算機(jī)效率、功能的各種程序，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過(guò)程都是由軟件來(lái)控制和實(shí)現(xiàn)的。 (1) 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是與計(jì)算機(jī)硬件直接聯(lián)系并供用戶使用的軟件512.2

4、 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)12.2.4 CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) (2) 支撐軟件 支撐軟件是幫助人們高效率開發(fā)應(yīng)用軟件的軟件工具系統(tǒng)，亦稱為軟件開發(fā)工具 (3) 應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是用戶為解決各種具體設(shè)計(jì)工作中的實(shí)際問(wèn)題而利用計(jì)算機(jī)以及它所提供的各種系統(tǒng)軟件和支撐軟件自行編制的軟件。12.2.5 CAD的功能 1. 計(jì)算機(jī)輔助繪圖612.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)12.2.5 CAD的功能1. 計(jì)算機(jī)輔助繪圖 這里主要是指使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行二維的工程圖紙的繪制，這也是CAD中已較為成熟的領(lǐng)域。 2. 造型功能 指三維的形體或產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)中的表示和處理。3. 數(shù)據(jù)處理與管理 一方面是指在設(shè)計(jì)工作中涉及數(shù)據(jù)(包括圖形數(shù)據(jù)等)

5、的統(tǒng)一管理和加工，另一方面也包括數(shù)據(jù)查找和處理等。 712.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)12.2.5 CAD的功能4. 分析計(jì)算 (1) 應(yīng)用有限元方法等對(duì)重要的零部件以及整車的強(qiáng)度與剛度、振動(dòng)與噪聲、可靠性及壽命等的分析計(jì)算。 (2) 對(duì)產(chǎn)品及其零部件進(jìn)行考慮各方面因素的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，以保證產(chǎn)品具有現(xiàn)代化設(shè)計(jì)水平。 (3) 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真以及整車瞬態(tài)工況的模擬，制動(dòng)、碰撞等情況的模擬，控制系統(tǒng)模擬等。 (4) 新材料、新工藝、新技術(shù)的分析、模擬和評(píng)價(jià)。 (5) 計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用；發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成與燃燒過(guò)程的模擬；可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算，制造過(guò)程與銷售過(guò)程的模擬與分析等。812.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)12

6、.2.6 CAD的應(yīng)用舉例1. 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)CAD的目標(biāo)和任務(wù) 該系統(tǒng)有兩個(gè)設(shè)計(jì)模塊供用戶選擇，一個(gè)是交互式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，另一個(gè)是優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)CAD的關(guān)鍵技術(shù)如下： (1) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (2) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維有限元網(wǎng)格生成。 (3) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有限元分析。 (4) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工程數(shù)據(jù)庫(kù)。 2. 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)CAD模塊 (1) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)模塊912.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)12.2.6 CAD的應(yīng)用舉例 (2) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)子模塊 (3) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊 (4) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析模塊 (5) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核與可靠性分析模塊 (6) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)圖形庫(kù) (7) 轉(zhuǎn)向機(jī)

7、構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊1012.3 汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)12.3.1 概述 進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要掌握以下兩個(gè)主要環(huán)節(jié)： (1) 建立方程，即優(yōu)化問(wèn)題數(shù)學(xué)模型的建立。 (2) 選擇優(yōu)化方法，即優(yōu)化問(wèn)題的求解。12.3.2 優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型1建立數(shù)學(xué)模型的概念 在汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，所謂建立數(shù)學(xué)模型，是指根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的要求，運(yùn)用力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和汽車方面的專業(yè)知識(shí)，推導(dǎo)出一系列方程式或方程組。1112.3 汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)12.3.2 優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型2建立數(shù)學(xué)模型的內(nèi)容 (1) 設(shè)計(jì)變量 設(shè)計(jì)變量是在優(yōu)化過(guò)程中需要不斷進(jìn)行修改、調(diào)整、一直處于變化狀態(tài)的變量。 設(shè)計(jì)變量可用向量的形式表示： ，它形成一

8、個(gè)設(shè)計(jì)空間。設(shè)計(jì)空間的每一個(gè)向量就代表一個(gè)設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)空間的一個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)設(shè)計(jì)。 (2) 約束條件 對(duì)設(shè)計(jì)變量的取值要有一定限制，這些限制條件是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，稱之為約束條件或約束函數(shù)。 1212.3 汽車優(yōu)化設(shè)計(jì) (3) 目標(biāo)函數(shù) 目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)中預(yù)期要達(dá)到的目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系表達(dá)式。 (4) 數(shù)學(xué)模型 一般形式如下： 求設(shè)計(jì)變量向量 , 使得 目標(biāo)函數(shù) ，且滿足 等式約束 不等式約束1312.3 汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)12.3.3 優(yōu)化方法1. 常用優(yōu)化方法 一般優(yōu)化問(wèn)題分為兩類，一類是線性規(guī)劃問(wèn)題，另一類是非線性規(guī)劃問(wèn)題。 由于工程問(wèn)題多數(shù)是設(shè)計(jì)變量較多的約束優(yōu)化問(wèn)題，而且多為非線性的，宜采

9、用迭代法逐步求解。所以絕大多數(shù)優(yōu)化方法都是迭代性質(zhì)的數(shù)值解法，這就決定了它的近似性。2. 無(wú)約束優(yōu)化方法 在這類方法中，有坐標(biāo)輪換法、鮑威爾法、共軛梯度法、DFP變尺度法、BFGS變尺度法等。1412.3 汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)12.3.3 優(yōu)化方法3. 約束優(yōu)化方法 工程上出現(xiàn)的問(wèn)題一般都是有約束的優(yōu)化問(wèn)題，其常用的方法是隨機(jī)方向法、復(fù)合形法和懲罰函數(shù)法。12.3.4 解決優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的一般步驟 (1) 建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。 (2) 選擇適用的最優(yōu)化方法及相應(yīng)的計(jì)算程序。 (3) 確定初始數(shù)據(jù)和初始設(shè)計(jì)點(diǎn)。 (4) 編寫有關(guān)的主程序及函數(shù)子程序。 (5) 計(jì)算機(jī)求解并輸出結(jié)果。 (6) 結(jié)果分析、

10、比較。1512.4 汽車機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真12.4.1 仿真概念 仿真是對(duì)所研究和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模型進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程。機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型可以是一組表示力、結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度等相互關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式。 1612.4 汽車機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真12.4.2 仿真模型和仿真方法 仿真模型有許多形式，其復(fù)雜程度也各不相同。根據(jù)所采用的手段，可分為如下三大類： (1) 模擬式模型和模擬機(jī)的仿真 (2) 解析模型和數(shù)字仿真 (3) 混合仿真12.4.3 汽車機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真是指利用計(jì)算機(jī)仿真軟件包求解機(jī)構(gòu)在所計(jì)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，以確定機(jī)構(gòu)在連續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)構(gòu)件的速度和加速度。 1712.4 汽車機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真12.4.3

11、 汽車機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 這是MATLAB仿真工具箱Simulink等仿真軟件包的仿真步驟和流程。1812.4 汽車機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真12.4.4 汽車機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真 較為簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)仿真方法是應(yīng)用牛頓力學(xué)對(duì)每個(gè)單獨(dú)的構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析，根據(jù)描述機(jī)構(gòu)構(gòu)件加速度的約束條件建立起力與加速度之間的關(guān)系，由此構(gòu)成關(guān)于構(gòu)件加速度(平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))和約束力的齊次線性代數(shù)方程組，再將方程組寫成矩陣形式，就可以由仿真軟件包求出每一時(shí)間的力與加速度。 1912.5 有限元分析法12.5.1 概述 有限元法是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法。有限元方法的基本思想，就是將連續(xù)體劃分為許多單元，通過(guò)一些節(jié)點(diǎn)把有限個(gè)單元，連成集合體代替原來(lái)

12、的連續(xù)體。 有限元方法的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面： (1) 節(jié)點(diǎn)可任意配置，邊界適應(yīng)性良好，能用不同的單元?jiǎng)澐秩我鈳缀涡螤畹慕Y(jié)構(gòu)。 (2) 適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛，對(duì)許多復(fù)雜的工況和邊界條件，都可靈活地加以考慮。 (3) 由于采用矩陣表達(dá)和運(yùn)算，因而便于編制計(jì)算機(jī)程序。 2012.5 有限元分析法12.5.2 有限元法的分析過(guò)程1. 結(jié)構(gòu)離散化 把實(shí)際結(jié)構(gòu)劃分為若干單元，使力學(xué)模型變成離散模型，以代替原來(lái)的結(jié)構(gòu)。 2. 單元分析 結(jié)構(gòu)離散化之后，進(jìn)行單元的力學(xué)分析，建立各單元的節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系式。以導(dǎo)出“單元?jiǎng)偠染仃嚒薄?112.5 有限元分析法12.5.2 有限元法的分析過(guò)程 有限元方

13、法的推導(dǎo)方法有三種：直接法、變分法和加權(quán)余數(shù)法。下面以直接法為例，說(shuō)明單元?jiǎng)偠染仃嚨耐茖?dǎo)過(guò)程。 (1) 選擇位移函數(shù) (2) 單元應(yīng)變表達(dá)式 由位移插值函數(shù)可導(dǎo)出用單元節(jié)點(diǎn)位移表示的單元應(yīng)變表達(dá)式。應(yīng)變 可表示為 (3) 單元應(yīng)力表達(dá)式2212.5 有限元分析法12.5.2 有限元法的分析過(guò)程 (4) 單元?jiǎng)偠染仃?利用虛功方程可建立單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式，即單元?jiǎng)偠确匠?. 整體分析 (1) 建立整體剛度矩陣 可以通過(guò)結(jié)構(gòu)上各節(jié)點(diǎn)的靜力平衡條件或用剛度集成原理求得整體剛度矩陣，其中使用剛度集成原理的方法更為方便，使用更為廣泛。2312.5 有限元分析法12.5.2 有限元法的分析過(guò)

14、程 (2) 建立載荷向量 直接作用在節(jié)點(diǎn)上的外載荷可直接加入 中，而對(duì)非節(jié)點(diǎn)載荷，則應(yīng)先化成等效載荷，然后按照單元節(jié)點(diǎn)與整體結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，加入 中。 (3) 求解單元應(yīng)力 求解這個(gè)以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的線性方程組，得到整體結(jié)構(gòu)上各節(jié)點(diǎn)的位移，就可以知道各單元的節(jié)點(diǎn)位移，將單元節(jié)點(diǎn)位移代入單元應(yīng)力與單元位移的關(guān)系式就可以得到單元上的應(yīng)力。 2412.5 有限元分析法12.5.3 有限元結(jié)構(gòu)分析軟件簡(jiǎn)介 比較成熟并且普及較廣的有美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的SAP、美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的ADINA、美國(guó)國(guó)家航空與航天局研制的NASTRAN、德國(guó)斯圖加特大學(xué)宇航結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力學(xué)研究所研制的ASK

15、A、世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開發(fā)的ANSYS軟件等等。12.5.4 有限元法在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 下面以汽車橋殼的有限元計(jì)算為例，介紹有限元在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 載荷處理如下：2512.5 有限元分析法12.5.4 有限元法在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 (1) 垂向載荷。取一個(gè)車輪上的垂向載荷，按余弦規(guī)律分布于半軸套管底面的對(duì)稱位置的n個(gè)節(jié)點(diǎn)上(節(jié)點(diǎn)數(shù)n根據(jù)網(wǎng)格劃分情況及載荷分布范圍決定)。 (2) 縱向制動(dòng)力。取一側(cè)車輪上的制動(dòng)力，按余弦規(guī)律分布于每側(cè)車輪中線處半軸套管前側(cè)的對(duì)稱位置的n個(gè)節(jié)點(diǎn)上，制動(dòng)力矩按力矩等效原則均勻分布在制動(dòng)底板所在橋殼截面的各節(jié)點(diǎn)處。 (3) 側(cè)向力。

16、假定一側(cè)車輪的側(cè)向力均勻地分布到車輪中心線處半軸套管截面的m個(gè)節(jié)點(diǎn)上。2612.6 逆向工程12.6.1 概述1. 逆向工程的概念 從實(shí)物到產(chǎn)品的過(guò)程，稱之為逆向工程，或反求工程(反向工程)。因此，逆向工程是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的數(shù)字化技術(shù)、建模技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。2. 逆向工程過(guò)程3. 逆向工程的應(yīng)用2712.6 逆向工程12.6.2 逆向工程的技術(shù)基礎(chǔ)1. 測(cè)量技術(shù) 產(chǎn)品實(shí)物的數(shù)字化，首先是運(yùn)用特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取實(shí)物模型表面離散點(diǎn)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)采集。2. 建模技術(shù) CAD模型構(gòu)建是根據(jù)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建實(shí)物對(duì)象的幾何模型，通?？梢苑譃榫€框(wireframe)

17、、曲面(Surface)、實(shí)體(Solid)三種模型。近年來(lái)，還發(fā)展了特征模型、產(chǎn)品模型以及仿生模型等。 (1) 逆向工程中的曲面表示2812.6 逆向工程12.6.2 逆向工程的技術(shù)基礎(chǔ) A、 B樣條及NURBS曲面。 B樣條及NURBS曲面是目前成熟的商品化CAD/CAM系統(tǒng)中廣泛采用的曲面表示方法，這類曲面可以應(yīng)用四邊參數(shù)曲面片插值、拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣(Lofting)或蒙皮(Skinning)、掃掠(sweeping)；混合(Blend)和四邊界方法(Boundaries)構(gòu)造。 B、 三角曲面。 利用型值點(diǎn)估算出曲面的局部幾何性質(zhì)，得到曲面的特征線(階躍、尖角及曲率極值)，以這些特征為基礎(chǔ)建立初始的三角形網(wǎng)格，三角劃分中，未用到的點(diǎn)都當(dāng)作冗余數(shù)據(jù)。最后，通過(guò)三角Bezier曲面構(gòu)建出一張光滑的曲面。2912.6 逆向工程12.6.2 逆向工程的技術(shù)基礎(chǔ)(2) 逆向工程曲面造型方法 A、 基于曲線的曲面重建方法。 B、 基于測(cè)量點(diǎn)直接擬