（机械设计及理论专业论文）基于某型客车cad模型的建立及动态特性仿真研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术和社会经济的发展，人们对客车的安全性、舒适性、环保性及动力性提出了 越来越高的要求。现代车身设计已从早期的以静态分析为主转化为以模态分析和动态分析为主， 因为实际车身强度更加依赖于整车振动及随机载荷响应。研究整车的振动情况，可以对其动态 特性做出初步评估，分析可能引起共振的原因，从而在车身设计时设法避免；而研究车身结构 在随机路面激励下的响应，则可较精确地预测车身骨架的可靠性及使用寿命。 本文以南京依维柯汽车有限公司开发的威尼斯之旅系列中的某型客车为研究对象。主要研 究工作如下： ( 1 ) 基于p r o e 建立了某型客车的车身、车架，并装配成整车模型。对车身骨架模型进行 全局干涉检查，以消除或修改模型中的干涉区域； ( 2 ) 运用抽取中面的方法将实体模型转化为面体模型，建立基于壳单元的车身骨架有限元 模型； ( 3 ) 基于结构动力学理论，在a n s y sw o r k b e n c h 中对车身骨架进行自由模态分析，根据 模态分析评价原则对车身低阶频率做出评价，为改进车身结构设计提供依据； ( 4 ) 进行有预应力作用的模态分析，将其结果与已知的谱联系起来，对车身骨架进行随机 振动分析。计算两种工况下车身骨架应力分布情况和最大位移点的位移、速度、加速度响应曲 线，分析车身骨架在随机载荷作用下的动态响应。 关键词：车身骨架，有限元分析，模态分析，随机振动，动态特性，a n s y sw o r k b e n c h 基于某型客车c a d 模型的建立及动态特性仿真研究 瞄t h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n t i f i ct e c h n o l o g ya n ds o c i a le c o n o m y , p e o p l er a i s eh i g h e r d e m a n df o rt h es a f e t y , t i d i n gc o m f o r t , e n v i r o n m e n t a lf r i e n d l i n e s sa n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e p a s s e n g e rb u s 1 1 1 em o d e md e s i g no ft h ec a rb o d yh a sa l r e a d yt u r n e df r o me a r l ys t a t i ca n a l y s i st om o d a la n d d y n a m i ca n a l y s i s ，b e c a m et h ep r a c t i c a ls t r e n g t ho ft h ec a rb o d ym o r ed e p e n d so nt h ew h o l ev e h i c l e v i b r a t i o na n dr a n d o ml o a dr e s p o n s e r e s e a r c ho nt h ev i b r a t i o no ft h ew h o l ev e h i c l ec a l l p r e l i m i n a r i l ye v a l u a t et h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ca n da l s oa n a l y z et h ep o s s i b l er e a s o n sf o rr e s o n a n c es oa s t oa v o i dt h e md u r i n gt h e d e s i g n s t u d y i n go nt h ed y n a m i cr e s p o n s et ot h eb u ss t r u c t u r eu n d e rt h er a n d o mr o a de x c i t a t i o nc a l l a c c u r a t e l yp r e d i c tt h er e l i a b i l i t ya n dl i f eo f t h eb u sb o d yf r a m e t h i sp a p e ru s e dac e r t a i nt y p eo fp a s s e n g e rb u sa st h er e s e a r c ho b j e c t , w h i c hi so n eo f t h ev e n i c e s e r i e sd e v e l o p e db yn a n j i n gi v e c om o t o rc o m p a n yl t d n em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb u sb o d yf r a m ea sw e l la st h eb u sf r a m eo fac e r t a i np a s s e n g e rb u si se s t a b l i s h e db a s e d o np r 0 es o 丛t oa s s e m b l et oaw h o l ev e h i c l em o d e l 1 1 1 eg l o b a li n t e r f e r e n c ee x a m i n a t i o ns h o u l db e c a r r i e do u tt oe l i m i n a t eo rm o d i f yt h ei n t e r f e r e n c ea r e ao f t h eb u sb o d yf l a m e ( 2 ) t h es o l i dm o d e l sa r et u r n e dt ot h es u r f a c em o d e l sb ym e a n so ft h em e t h o do fe x t r a c t i n g m i d 。s u r f a c e t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h eb u sb o d yf r a m ei sb u i l tb a s e do nt h es h e l le l e m e n t ( 3 ) b a s e do nt h et h e o r yo ft h es t r u c t u r a ld y n a m i c s t h ef r e em o d a la n a l y s i si sp e r f o r m e db y m e a n so fa n s y sw o r k b e n c hi no r d e rt oa s s e s si t sl o w e r - o r d e rf r e q u e n c i e sa c c o r d i n gt ot h e e v a l u a t i n gp r i n c i p l e t h er e s u l tc a nb eu s e dt oi m p r o v et h ed e s i g no ft h eb u sb o d y ( 4 ) t h ep r e s t r e s s e dm o d a la n a l y s i si ss u p p o s e dt oc a r r i e do u tt oc o m b i n ei t sr e s u l t sw i t ha n e x i s t i n gs p e c t r u mt oe x e c u t er a n d o mv i b r a t i o na n a l y s i s i tc a l c u l a t e st h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h e d i s p l a c e m e n t , v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no ft h em a x i m u md i s p l a c e m e n tp o i n t so ft h eb u sb o d yf r a m e u n d e rt h ec o n d i t i o n so fi n p u t t i n gt w od i f f e r e n tt y p e so fr o a ds p e c t r u m f i n a l l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h e d y n a m i cr e s p c r i s eo f t h eb u sb o d yf r a m eu n d e rt h ea c t i o no f t h er a n d o m1 0 a d k e yw o r d s ：b u sb o d yf r a m e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s ，r a n d o mv i b r a t i o n d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，a n s y sw o r k b e n c h 基于某型客车c a d 模型的建立及动态特性仿真研究 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图4 1 图4 2 图4 3 图清单 车身结构设计系统集成框图3 客车车身开发新思路3 离散化的有限元模型7 b e a m l 8 8 单元示意图1 5 s 玎三l l l 8 1 单元示意图1 9 s h e l l181 单元应力输出图19 m a s s 2 1 单元示意图2 0 p r o e 常用模块示意图2 0 a n s y sw o r k b e n c h 组成模块。2 2 d e s i g nm o d e l e r 与其余各模块互导示意图2 3 大客车车身骨架2 4 承载式结构的两种结构类型2 5 某型客车外观2 6 四种牛架模型图2 8 牛架4 结构示意图2 8 客车车身各分部件模型3 0 各分部件对接流程图3 0 通过“曲面上的边”实现完全约束3 l 车架与牛架的连接形式3 1 整车模型全局干涉图3 2 车架与牛架4 发生干涉及消除干涉示意图3 3 托架斜支架与侧围立柱发生干涉及消除干涉示意图3 3 托架固定杆与后围立柱发生干涉及消除干涉示意图3 3 风窗柱与弯杆、上端柱与弯杆发生干涉及消除干涉示意图3 4 调整干涉后得到的整车骨架模型3 4 中面示意图3 7 选中所有面副示意图3 7 生成中面示意图3 7 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 l 图6 1 2 图6 1 3 抽取中面后产生间隙及消除间隙示意图3 7 整车骨架面体模型3 8 圆弧形过渡扭杆弹簧有有效工作长度3 9 刚性梁一柔性梁等效模拟钢板弹簧3 9 不执行连接操作与执行连接操作对比4 0 壳单元与梁单元连接示意图4 1 不同物理边界的处理4 2 自由模态分析有限元模型4 6 自由模态分析提取前1 5 阶模态振型图4 8 加载及定义边界条件后有限元模型图5 0 静态分析车身骨架位移变形分布图5 0 静态分析车身骨架等效应力分布图5 l 有预应力作用的模态分析前十阶振型图5 3 路面不平度的分类5 7 客车以8 0 k m h 的速度行驶在b 级路面上的位移功率谱密度曲线6 0 客车以8 0 k m h 行驶时等效应力分布图6 0 客车以8 0 k m h 行驶在b 级路面上时z 向的位移变形分布云图6 0 客车以8 0 k m h 速度行驶时节点2 3 5 4 0 在z 方向上的位移响应谱分布曲线6 1 客车以8 0 k m h 速度行驶时节点2 3 5 4 0 在z 方向上的速度响应谱分布曲线6 1 客车以8 0 k m h 速度行驶时节点2 3 5 4 0 在z 方向上加速度响应谱分布曲线6 2 客车以4 0 k m h 的速度行驶在c 级路面上的位移功率谱密度曲线6 2 客车以4 0 k m h 行驶时等效应力分布图6 3 客车以4 0 k m h 行驶在c 级路面上时z 向的位移变形分布云图6 3 客车以4 0 k m h 速度行驶时节点2 3 5 4 0 在z 方向上的位移响应谱分布曲线6 4 客车以4 0 k m h 速度行驶时节点2 3 5 4 0 在z 方向上的速度响应谱分布曲线6 4 客车以4 0 k m h 速度行驶时节点2 3 5 4 0 在z 方向上加速度响应谱分布曲线6 5 基于某型客车c a d 模型的建立及动态特性仿真研究 表格清单 表3 1某型车身骨架各种型钢截面尺寸( 单位：r a m ) 2 6 表3 2 某型客车主要技术参数2 6 表4 1体素的三种类型3 6 表5 1车身骨架自由模态分析提取的前十五阶固有频率和振型4 6 表5 2 某型客车型钢材料特性4 9 表5 3 有预应力作用的模态分析提取的前十阶固有频率及振型特征5 l 表6 1路面等级及路面不平度系数的取值范围和几何平均值5 8 表6 2 客车以两种不同车速行驶在不同等级路面上位移功率谱密度值5 9 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：墨当二云云 e t 期：皇也阻 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早蕴t 匕 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 课题研究背景 随着道路条件的改善和高速公路的大规模通车，我国的道路客运得到快速发展，并已成为 最重要的一种客运方式，发挥着极其重要的作用，这为客车工业的发展创造了良好的外部条件。 经过“九五”的技术改造、技术引进和技术创新，我国客车制造企业开发、引进了一大批具有 国际先进水平的客车制造技术和工艺装备，基本建立了较为完善的客车制造工艺体系，客车产 品已形成大、中、轻型品种齐全，高、中、普档次皆备的格局。客车产品性能、质量和工艺水 平明显提高，基本满足了国内客运的需求，部分客车产品已打入国际市场。从总体上看，全国 客车骨干企业的_ 艺装备和工艺技术已经接近或达到当代国际水平，部分达到国际先进水平【1 1 。 但是，我国客车产品水平，特别是高档客车，除引进车型外，与先进国家的产品相比仍有 较大的差距，客车车身在外观质量、密封、减振、降噪、防腐等方面仍有不足，客车产品的自 主研发能力、产品配套能力( 尤其是底盘总成及车身附件) 仍为薄弱环节。 企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须加快新产品的研发，进一步提高产品的 性能和科技含量。c a d c a m 技术是实现创新的关键手段，而c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术是实现创新设计的技术保障。c a e 是以有限元分析为基础，综合了t 程力学、计算数学、 工程管理学与现代计算机技术而形成的一门知识密集型学科。随着高性能计算机系统的发展， c a e 软件已成为工程师实现产品设计研发的得力助手和有效工具。在客车生产领域，利用c a e 软件可以对设计方案或已有的设计快速进行性能和可靠性分析，并可进行虚拟运行模拟，提早 发现设计缺陷。这样既避免了传统的必须利用样车作参考的分析模式，又可以对多种方案进行 评价，在提高设计质量的同时，降低开发成本和缩短产品的开发周别2 1 。 1 1 2 课题研究意义 客车车身结构由多种材料组成，其部件包括板、梁、轴、块等。它们通过铆接与焊接构成 空间形状复杂的体系，不可能用传统的解析数学来描述。再有客车所承受的载荷也十分复杂， 包括自重、货物、乘员、设备等各种载荷的作用，同时也受到各种路面激励和各种车速条件下 惯性力的作片j 以及各种连接构件之间的相互约束作用，也不可能用经典力学的方法来计算。在 客车车身结构分析中，有限元法因具备解决结构形状和边界条件均任意的力学问题的独特优点 而被广泛采用。各种客车结构件都可应用有限元法进行静态分析、模态分析和动态分析。随着 基于某型客车c a d 模型的建立及动态特性仿真研究 科学技术及社会经济的发展，人们对客车的安全性、舒适性、经济性、环保性及动力性等提出 了越米越高的要求【3 1 。现代汽车设计中，已从早期的静态分析为主转化为以模态分析和动态分 析为主，因为实际汽车强度更加依赖于汽车振动及随机载荷响应。只有通过结构动态分析，才 能进一步提高车身结构强度的设计水平。 随着计算机技术的飞速发展，计算规模、计算速度、计算机容量已不再是主要矛盾，在汽 车结构有限元分析中，大多数问题都可以在微机上完成。通过建立零部件、结构或系统的有限 元计算模型，或将c a d 模型进行转换，对模型施加载荷或其他性能条件，即可进行计算【4 1 。应 用中的主要难题是如何精确地建立计算模型；如何实现计算模型中各种支承、连接与实际结构 相符；如何确定载荷，尤其是动态载荷、路面载荷等；如何施加载荷，以反映各种行驶状态等。 只要在实际结构的基础上建立简化而正确的有限元模型，使有限元模型中各种支承、连接关系 尽量与实际结构相符，载荷和动态分析中的激励能反映支承的特点，就可以得到满足精度要求 的有限元分析结果【5 】。 1 2 车身结构有限元分析的发展现状 1 2 1 国外研究现状 美国福特汽车公司在7 0 年代就将n a s t r a n 结构分析程序引入到汽车结构设计中，用板、 梁单元进行车身结构的静强度有限元分析，找出高应力区，并改进应力分布。日本五十菱汽车 公司在8 0 年代末已将c a e 应用到车身设计的各个阶段，从最初设计阶段的粗略模型到设计中、 后期的细化模型，分析的范围包括强度、刚度、振动、疲劳、碰撞及形状和重量的优化。进入 9 0 年代有限元分析得到了更为广泛的应用。美国通用汽车公司在通用有限元程序的基础上自主 开发了后处理程序，将发动机和道路激励载荷集成到数据库中，进行发动机和道路激励的响应 分析和改进。日本尼桑汽车公司利用有限元分析仿真来带动整车性能的优化，其分析中使用的 模型己经包括悬架、发动机、轮胎和转向机构。目前，国外各大汽车公司利用有限元软件进行 车身结构静态分析及轻量化分析【6 】。现在其工作重心已转向动态响应分析。随着研究的深入， 国外学者将振动、噪声和平顺性结合起来作为一个热门领域进行研究分析7 】【8 】【9 】，同时伴随振动 而来的疲劳问题【1 1 】也逐渐得到大家的关注和研究。随着生活水平的提高，人们越来越关注自 己的生命安全，因此基于计算机仿真的碰撞分析1 2 】【1 3 1 等领域也备受学者青睐，如今在这些领域 已经取得了很大的进步。 经过儿十年的积累和发展，国外许多大汽车公司建立了高性能的车身计算机辅助工程系统， 形成了完整的设计、分析方法与试验程序。国外普遍采用的车身结构设计系统和流程【1 4 】如图1 i 所示。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 国外新车型开发周期已经缩短到2 4 至3 6 个月，这与采用现代车身结构设计方法是分不开 的。随着计算机技术的发展，现代车身设计广泛地运用计算机辅助技术，充分利用其高速运算 性能和数据集成的管理特性，使传统的车身设计手段发生了重大变革。现代车身设计已由原来 的经验、类比、静态设计，向建模、静动态特性分析、动态优化及虚拟装配设计转变。国外大 部分汽车公司采用计算机辅助工程系统，形成了以设计、分析、试验f 一体的一整套流程。它 们之间相互联系，做剑设计与分析并行，并且采用大量的虚拟试验代替实物试验，这样既减少 了设计的盲目性，也缩短了产品设计周期，形成了客车车身开发的新思路l i5 1 ，如图1 2 所示。 有限元分析与可行性论证 可靠性设计与分析 车身结构优化设计 图1 2 客车乍身开发新思路 加工_ t 艺设计 工程图绘制 3 基于某型客车c a d 模型的建立及动态特性仿真研究 1 2 2 国内研究现状 6 0 年代起，我国著名数学家冯康等人开始有限元方面的理论研究；7 0 年代初期长春汽车研 究所的谷安涛、常国振【l6 】等人建立了汽车车架的有限元模型，并进行了分析计算，揭开了中国 汽车工业有限元设计的序幕；8 0 年代，有限元分析在汽车结构分析中逐步开始推广使用。对客 车来说，有限元的分析开始酱遍采用是9 0 年代后。 1 9 9 3 年，河北客车厂冯国胜应用s a p 5 p 对某车架进行了模态分析。根据分析所提供的 信息对客车在使用过程中出现的故障进行诊断，提出了相应的改进措施，使该车具有更好的动 态性能。与同期进行车身限元分析的学者相比，他较早进行了动态特性研究，为后来进一步研 究车身结构的动态特性提供了方法。 1 9 9 8 年，张成宝【1 8 】【1 9 1 建立了轿车车身结构的有限元模型，分别对弯曲和扭转工况进行了强 度和刚度分析。计算表明，车身结构在满足强度的条件下，其刚度条件不一定满足，对于像车 门等处变形较大的地方必须进行刚度计算，查看其是否满足要求；随后他们又对轿车车架进行 了动力学分析，研究了车身结构与其固有频率和振型的关系。 2 0 0 0 年，谢军、陈南【2 0 1 等人在有限元模型建立过程中开始尝试引入壳单元，对车架进行静 态和动态分析时建立了全壳车架模型，结果证明计算精度比单纯选用梁单元要高得多。所以客 车骨架分析中板壳单元有限元模型人量出现，采用混合单元( 梁单元和板壳单元等) 来建立有 限元模型的方法应用越来越广。建模时首选板壳单元，不宜选用壳单元的部位选用梁单元分析， 结果更精确，实用价值也更高，为客车骨架静动态分析开创了一个新的局面。 2 0 0 2 年，管延锦、黄晓慧【2 1 】等人以l c k 6 8 9 6 h 型客车为例，研究了客车车身骨架的有限 元建模方法，并采用有限元方法分析了半承载式客车车身在不同工况一卜的强度和刚度，为改进 车身结构设计提供了理论依据。 2 0 0 7 年，丁龙建 2 2 】以n j 6 5 9 7 s f f 5 威尼斯之旅车身骨架为研究对象进行汽车车身结构的有 限元模态分析，在u g 中建立车身骨架模型并导入到a n s y s 中进行模态分析，在无阻尼自由 模态振动状态下计算其固有频率和振型。通过对同有频率和振型的分析，对整车结构设计做出 了评价。 此后，有限元法在客车车身骨架分析中不断发展，采用混合单元建立客车车身骨架有限元 模型的用法越来越成熟，计算精度不断提高，有限元法己经成为客车分析的重要手段，不少企 业都把有限元法计算的结果作为客车的设计与改进的重要依据。国内各大汽车公司也正在逐步 将有限元分析应用到实际的汽车设计中，用丁校核零部件的刚度和强度、疲劳分析和测试以及 故障诊断和碰撞仿真等。长春第一汽车厂，力争所有主要的零部件都通过有限元方法进行校核； 上海大众与同济大学合作建立了桑塔纳车身有限元模型，进行了车身静态扭转计算；东风汽车 公司引进了专门进行整车动态、静态分析的软件，将有限元分析技术运用到汽车设计中。 4 南京航空航天大学硕+ 学位论文 目前随着计算机技术的迅速发展及汽车产业在国民经济发展中地位的兴起，在相关方面的 研究已经取得了不少成果，但与国外的车身结构分析水平相比还存在着许多不足之处，主要差 距有【2 3 】： ( 1 ) 车身结构开发工作主要还是依赖经验和解剖进口结构进行参照性设计的，多用来解决 样车试验以后出现的设计问题，设计与分析朱能真正做到并行； ( 2 ) 由于软硬件对计算机规模的限制，模型的细化程度不够，因而结构的刚度、强度分析 的结果还比较粗略。计算结果多用来进行结构方案的比较，离虚拟试验的要求还有相当大的差 距。 ( 3 ) 有限元分析主要应用在结构的强度和刚度分析方面，在碰撞、振动、噪声等方面的模 拟计算才刚刚起步，对车身结构或部件的各项性能指标进行系统分析及优化的实例还处于探索 阶段。 1 3 车身结构设计的现代方法 1 3 1c a d 技术 1 3 1 1c a d 技术概述 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术是电子信息技术的一个重要组 成部分；是利用计算机、外围设备及其系统软件辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术， 包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动。从广义上讲，c a d 技术包括二二维工程绘图、 三维几何设计、有限元分析( f e a ) 、数控加- t 编程( n c p ) 、仿真模拟、产品数据管理、网络 数据库以及上述技术( c a d c a e c a m ) 的集成技术等2 4 1 。从c a d 软件发展的角度来看，c a d 系统的发展体现在以。f ) l 个方面： 1 集成化 为适应设计与制造自动化的要求，特别是近年来出现的计算机集成制造系统( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c d d s ) 和并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 的要求， 进一步提高集成化水平是c a d 系统发展的一个重要方向。c a d 技术的集成化体现在四个方面： ( 1 ) 数字化产品建模。提供针对产品全生命周期的统一的产品模型，使模型应该符合某种 标准或者规范，其内容包括产品结构形状、设计过程以及设计所用的知识；在建模技术上，提 供性能优良的特征建模、参数化设计、变量化设计、超变量化设计等方法。 ( 2 ) 产品数据交换。除了提供按目前已有的交换规范或者标准所开发的中性交换文件及其 接口( 如d x f 、i g e s 、s t e p 、s t l 、s a t 、v d a ) 外，还具备各种外部专用接口，以便与其他 软硬件系统连接起来。 ( 3 ) 产品数据管理。c a d 系统有自己统一的数据库及其管理系统，该数据库的结构以产 s 基于某型客车c a d 模型的建立及动态特性仿真研究 品信息模型为基础，是c a d c a e c a m 系统内的各模块都用这个统一的数据库进行信息存取。 持续改进与提高产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 软件性能，有效管理与产品 相关的所有数据以及与产品相关的所有过程。 ( 4 ) 系统内部包括更多的功能更完善的c a x 及d f x 应用软件，如c a m ( c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 、c a e ( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ) 、c a p p ( c o m p u t e r a i d e d p r o c e s s p l a n n i n g ) 、 d f a ( d e s i g n f o rm a n u f a c t u r i n g ) 、d f m ( d e s i g nf o r a s s e m b l y ) 、d f r ( d e s i g nf o rr e l i a b i l i t y ) ， 并使它们有机地集成起来。 2 智能化 现有的c a d 技术在机械设计中只能完成数值型的上作，包括计算、分析与绘图。然而在 设计活动中存在另一类的符号推理型工作，包括方案构思与拟定。最佳方案选择、结构设计、 评价、决策以及参数选择等。因此将人工智能技术，特别是专家系统技术，与传统c a d 技术 结合起来，形成智能化c a d 系统是机械c a d 发展的必然趋势。 3 标准化 随着c a d 技术的发展，工业标准化问题越来越显出它的重要性。迄今已制定了不少标准， 例如面向图形设备的标准c g i ，面向用户的图形标准g k s 和p h i g s ，面向不同c a d 系统的数 据交换标准i g e s 、s t e p 和窗口标准等。 4 并行工程 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 是随着c a d 、c i m s 技术的发展提出的一种新的系统 工程方法。这种方法的思路，就是并行地、集成地设计产品及其开发的过程。它要求产品开发 人员在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括质量、成本、进度、用户要求等， 以便更大限度地提高产品开发效率及一次成功率。并行工程的关键是用并行设计方法代替串行 设计方法。在串行设计方法中，信息流向是单向的，而在并行设计方法中，信息流向是双向的。 1 3 1 2c a d 在汽车工业中的应用 汽车工业作为最大的民用产业，有技术密集性高、设计要求高等优点，尤其适合c a d 系 统优势的发挥，所以c a d 一开始就在汽车工业中得到了应用。 1 9 6 4 年，美国通用汽车公司宣布了d a c 1 系统的诞生，这是最早的c a d 系统软件之一， 是c a d 技术步入实用性的重要标志。2 0 世纪6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线 框式系统。这种线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达儿何数据间的拓扑关系。 2 0 世纪7 0 年代，三维曲面造型系统c a t i a 的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模 仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时 也使得c a m 技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统c a t i a 的技术革新，使汽车开发手段 6 南京航空航大大学硕+ 学位论文 比旧的模式有了质的e 跃新车型开发速度也大幅度提高。开投周驯缩短，汽车业开始人城 使c a d 技术。 2 0 1 纪8 0 年代中期，山现了以p r o e n g i n e e r 为代表的参数化实体造型方法。进入9 0 年代， 参数化技术变得成熟起米充分体现出其在许多通用件、零部件敬讣r 存在的简便易行的优势。 进入2 t 世纪c a d 技术已成为汽车设计的土要方法和手段。c a d 技术在汽车r 业中的应 刚已摹本_ ! 孚及，但j ，汽车工业发达田家相比还有差距，我国汽车垃计的c a d 应用水平还很不 平衡。分析我国当前c a d 技术的麻川情况，r 人致可以分为以r 四个层次：基丁计算机绘图、 产品三维儿何设计的廊川层次；基 ：计雉机辅助t 程分析进i ? 产品性能设计的应川层欢：基于 产晶数据管理( p d m ) 的麻脂层次：基r 企业信息化平台竹应用层敬。c a d 技术应月j 水平的提 高埘汽车i 业的发展且有极其重大的意义。 132 有限元法 l3 2 l 有限元法概述 有限元法诞k 于2 0 世纪中叶，随着引算机技术和计算方法的发展，己成为计算力学 i l 计笄 i 榉1 譬领域里最为柯效的计算方法，它儿乎迁用于求解所有连续介质和场的问题。有限元法足 将连续体理想化为有限个单元集合而成，这些单元仅7 晡限个 l 相连接，办即刚竹限个单 元的集台米代替原来，有无限个白由厦的连续体。由 。仃限单元的分割刊竹点的配苴非常是活， 它可适应丁任意复杂的儿何形状，处理不同的边界条件。单元有再种类型，包括线、面和实体 或称山一维、一缩和一维等娄，单元。h 点一般都n - 单元垃界e 。单元之间通过1 ，点迕接，井 承受一定载荷，这样就组成丁有限单兀集台体( 嘲13 ) 。h 前，最广泛应刚的有# m 元法实际上 是有限元位移j 土，是取节点f t 移作为基本未自l 量，把原来具有无限多臼山度的连续弹性体简化 为有限个白由度的离敞结构从而避免解微分方程的麻烦”】。 蚓13 离散化的有限元模， 3 22 协同仿真环境( a w e ) 简介 w o r k b e n c h 灶a n s y s 公司提的协同仿真州、境解挑企业产品研发过样中c a e 软什的异 基于某型客车c a d 模型的建立及动态特性仿真研究 构问题。a n s y s 协同仿真环境的目标是，通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施，搭建 一个具有自主知识产权的、集成多学科异构c a e 技术的仿真系统2 6 1 。简单来讲，a n s y s 的 c a d c a e 协同仿真模块a w e ( a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ) 能直接读入各种c a d 软件 ( p r o e 、u g ) 的零件模型，在保留尺寸参数的条件下实现任意装配、分析和优化，并在其统 一环境中实现任意模型装配和c a e 分析。整合相同或不同c a d 软件模型数据就能得到c a e 分析用的c a d 模型库，这些模型库保留c a d 中的设计参数，并通过连接技术实现与c a d 的 软件之间的共享，其优点是任何c a d 和c a e 人员对设计的改变都立即反映到对方软件环境中， 从而实现设计仿真的同步。其优点体现在： ( 1 ) c a e 软件和模型数据整合 在a w e 环境中建立仿真分析模型，将所有c a e ( 包括f e a c f d c e m 等) 软件作为求解 器进行调用执行仿真分析，并允许进行优化设计。整合所得c a d 模型经过网格划分、施加载 荷工况与边界条件，然后调用c a e 程序进行分析求解，还可以给予c a e 分析进行设计优化计 算。a w e 环境下可以解读并转换各种c a e 软件的模型数据。 ( 2 ) c a d c a e 数据共享与交换 在a w e 环境中，c a d - - c a e 之间是通过链接的方式共享几何模型数据，包括尺寸、尺寸 参数和装配参数等，可以实现双向参数互动。c a d 人员修改c a d 软件中的几何设计参数则立 即刷新c a e 软件中几何模型；同样c a e 人员修改c a e 软件中的几何设计参数则立即刷新c a d 软件中几何模型；在优化设计环境中修改几何设计参数则立即刷新c a e 软件中儿何模型。 结合世界制造业信息化主旋律，在数字化工程背景下审视上述特点就可以发现a n s y s w o r k b e n c h 将给产品研发流程带来革命性的变化。 1 3 2 2 有限元法在汽车工程中的应用 随着大型有限元通用程序的推广、普及以及计算机硬件技术的飞速发展，将有限元技术应 片j 于汽车分析设计中取得了巨大的经济效益。由于有限元通用程序使用方便，计算精度高，其 计算结果已成为汽车产品设计和性能分析的可靠依据。有限元分析已成为汽车设计中的重要环 节，无论是在车型改造，还是在新车开发阶段，就产品中的强度、疲劳、振动、噪声等问题进 行设计分析计算，可提高设计质量，缩短开发周期，节省开发费用，真止形成自主的产品开发 能力。 汽车设计的直接目的就是安全、舒适、可靠、经济、环保、载重大和白重轻等，在这些研 制丁作中要解决的技术关键之一就是汽车强度与刚度问题。汽车结构的力学特性在很大程度上 决定了整车的品质。在具有必要的强度储备和满足一定的刚度标准条件下，既要保证其疲劳寿 命，义要保证其装配和使用要求，同时最大限度地减轻汽车结构的自重。随着现代汽车向高速 8 南京航空航天大学硕士学位论文 化和轻量化方向发展，振动和噪卢控制日益成为汽车设计的一项关键技术。n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o n a n dh a r s h n e s s ) 控制技术，亦在汽车工业的科研中占据了重要位置，通过整车的动态特性分析 达到控制振动和噪声的目的。另外汽车结构还需要满足安全性、经济性、乘坐舒适性等指标的 要求。所有这一切都将使汽车设计的内容更加丰富，也为有限元法提供了更为广泛的分析领域， 汽车结构有限元分析的应用主要体现在： ( 1 ) 汽车设计中对所有结构件、主要零部件的强度、刚度和稳定性分析； ( 2 ) 汽车结构件或零部件的优化设计，如以汽车质量或体积为目标函数的最优设计，还有 对比分析中的参数化设计和形状优化； ( 3 ) 对汽车结构件进行模态分析、瞬态分析、谐响应分析和响应谱分析，为结构的动态设 计提供方便有效的- 具； ( 4 ) 汽车零部件及整车的疲劳分析，在概念或详细设计阶段估计产品的寿命或是分析部件 损坏的原因； ( 5 ) 应用概率有限元，为汽车零部件提供概率和可靠性设计依据； ( 6 ) 车身内的声学设计，将车身结构模态与车身内声模态耦合，评价乘员感受的噪声并迸 行噪声控制； ( 7 ) 车身空气动力学计算，解决高速行驶中的升力、阻力和湍流等问题，为汽车性能和造 型设计服务； ( 8 ) 汽车碰撞历程仿真和乘员安全保护分析，提高汽车结构的被动安全性。 现代汽车对结构设计提出了越来越高的要求，分析已不满足于传统的弹性分析，展现出许 多新的特点。在要求有限元精确建模及产品精细设计的前提下，产品开发要更多地考虑1 f 线性 效应；进行有限寿命设计，以求产品轻量化；进行整车非缉陛系统分析，即整车平顺性、操纵 稳定性不能仅以刚体模型进行分析，还要考虑结构的变形效应，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 电子和电器产品比重不断加大，这就涉及到多物理场的仿真问题； ( 2 ) 需要进行更精确地非线性分析，如少片弹簧、橡胶轮胎、悬挂的大变形、零部件间的 柔性连接等； ( 3 ) 汽车零部件分析的一个难点就是分析载荷的不易确定问题，为避免零部件内力确定不 清，边界条件的不确定性等情况，影响计算精度甚至结果不可用，可以从总成系统及整车分析 入手，如悬架系统、白车身系统等； ( 4 ) 刚柔耦合动力学分析，从传统的刚体动力学分析到考虑结构弹性的应力响应，如悬架 车轮系统等。 在产品设计开发的各个阶段，有限元分析的引入对降低开发成本，缩短研制周期，实施优 化设计等都非常关键且效果显著。在概念设计阶段，从最初的总布置即可介入，如概略确定车 9 基于某型客车c a d 模型的建立及动态特性仿真研究 身、发动机等总成的拓扑和结构参数；在产品设计阶段，对结构及零部件进行强度、刚度校核 和优化设计；在样车试验阶段，进行专项分析，如部