轻型四轮汽车的CAE分析.doc

声明：由于本人水平有限，可能翻译有错误之处，望大家批评指正，期待跟大家一起讨论、研究。（xqkuai） 轻型四轮汽车的CAE分析藤澤一志 太田雅昭 姫野哲児 杉浦正 丸山誠司摘要近些年的汽车开发，IT化、全球化成为主题，一些数字模型、虚拟工厂等技术被应用的大规模改革正在进行。CAE也随之在车身等各个部分的分析中进一步发展，和更近于真车实验的车辆仿真技术一起，运用这些分析技术于车型开发。本论文就是基于运用那些CAE技术进行轻型四轮汽车的新车开发的事例，研究它的有效性。1. 前言尽管消费低迷，但轻型四轮汽车（以下，简称轻型汽车）的销售额却持续增加。这种轻型汽车的规格有所增加，全长3.3到3.4米，宽1.4到1.48米，同时在高速公路上可达100km/h的速度，为适应顾客的要求将进一步提升低价格、低燃油的商品性能。为提高这种规格变大的轻型汽车的性能，CAE在改进对策研究和验证及分析现象上起到了作用。本论文讲述以此为背景的CAE技术，就是使用大规模有限元模型（FE模型），对车辆的强度刚性、振动噪音、碰撞安全、运动性能综合性研究的分析技术和研究使车室内变得舒适的热流体的分析技术。2.车型开发上的CAE应用现在，基于有限元（FEM）的CAE分析，取得了一定成绩，从早期研究到后期性能改良上被应用。伴随着车型开发的时间缩短，设计、实验等各部门并行工作中，CAE的及时输出显得相当重要。作为解决方法之一，同公司共用车身的大型FE模型，谋求模型建立的效率化，提高车型开发的适用性。另外，更进一步，可以以同一结构基础，系统的进行强度刚性、振动噪音、碰撞安全、运动性能的综合CAE研究。3.强度、刚性3.1 轻型汽车的强度、刚性近年来的轻型汽车要求与小型车同样的迎面碰撞安全性、车室内的静音性，相应的对策就是重量增加了。因此，包括车身在内的汽车构成部件，为了继承轻型汽车重量轻、低燃油的优点，保持一直以来的强度和刚性的同时在改变结构、更换材料等方面，以求更轻成为重点。3.2强度、刚性CAE分析的应用强度刚性分析预测的是从对象整体的刚性到局部的应力集中、疲劳耐久性。分析在各个部分进行，有关影响分析精度的负荷条件、约束条件上，采用和真车实验的相关数据。另外，作为设想行驶的真车的强度、刚性分析，只应用在车身的开口部位变形的开发上，其他的尚在开发中。下面具体讲述6项。3.2.1静刚性的预测（1）车身静刚性车身骨架的刚性必须考虑响应行驶时路面输入的振动噪音、乘坐舒适性、操作安全性之类基本性能、车门开关触觉的实用性等，顺利完成设定的目标值。本研究如图2所示使用共用模型判定加载车身的静力弯矩、扭矩时的刚性值、挠度分布、门附着的开口部位的变形量。图3是预测车身刚性指标之一的弯曲刚性的例子，为了结构、断面形状的适应性，研究减少板的厚度。（2）外壁板刚性车顶、车门等的外壁板在铸模之类时必须考虑结实感、耐电镀性的刚性。图4所示为车顶在受到强制形变时，由于改变车顶的曲率半径发生横向移动现象（剪切形变）的例子。3.2.2 破坏强度的预测用在车辆拖拽时的拉钩的强度、碰撞时安全带承受的强度，对于超出极限的输入的变形量要求控制在规定范围内。所以要进行弹塑性区域内的研究。3.2.3 耐久强度的预测（1）车身耐久强度车身的真车耐久性实验就是在各种路面行驶规定的距离后从各部位的破损情况判断出好坏。耐久寿命就是根据这些实验的行驶距离和应力的判断值进行线性范围的应力计算、用SN图示预测的。另外，在高应力集中部位，更加细化周边的单元尺寸来提高计算精度。图5所示为改变结合部位的结构以降低两门附近的应力集中的例子。（2）功能部件的耐久强度功能部件的耐久强度也用和车身的耐久强度一样的手法预测寿命。图6所示为在燃油箱施加内压时的高应力集中部位，改变面流、形变R的图示。4.碰撞安全4.1轻型汽车的碰撞安全针对汽车的碰撞安全的要求升高，近年来的车型开发着眼于确保车辆碰撞时搭乘者的生存空间。另外，采用为了缓和碰撞的冲击G及搭乘者与车室的二次碰撞、谋求降低乘员伤害值的安全结构和约束装置。轻型汽车也追求和普通车同样的安全性能。新规格的车辆推出全长增加了100mm，宽度扩大了80mm为基础的安全措施。另外，根据汽车事故对策中心的评估（JNCAP），接近于小型车同样的安全性能。但是，车重轻的轻型汽车考虑互换性的话，和重的车比安全性上不利。因此，必须采用比普通车更强的结构。轻型汽车的安全对策也和普通车一样，对于从各个角度的碰撞都必须确保搭乘者的生存空间。为此就要提高车室强度、抑制变形量。另外，把提高吸收从碰撞开始到车室变形期间的车身变形（碰撞击打）的能量、缓和对车室的冲击的结构作为根本。而且，对于从车辆前方来的碰撞，必须考虑对物、对车最大程度碰撞的正面碰撞和在碰撞事故中对许多车的30 60 重复碰撞的并存性的车身结构。降低乘员伤害值就是对于从车辆前方的碰撞来说，使用安全带和安全气囊来尽力提早对搭乘者的拘束时机、提高制御力的效果。另外，为了拘束后不对搭乘者造成过度冲击，采用安全带临界作用力、方向盘伸缩等结构。4.2碰撞CAE分析的应用碰撞安全对策需要改变车身骨架材料的配置，发动机、传动系之类的设计。这是因为在开发后期的变更将会花费巨大的费用，所以开发初期的CAE研究是非常有效的手段。另外因为能获得一些在实验中见不到的部位的运动、变形及负荷的传递，是改良举措的一种有效工具。4.2.1车辆碰撞特性的预测车辆碰撞特性的预测是从刚性振动模型上细化碰撞时发生变形的部位的单元尺寸，使用30万单元数目规模的FE模型来分析。图7（a）是研究正面碰撞时用刚体壁以55km/h的速度碰撞车辆的仿真图示。图7（b）所示研究塑性碰撞时，在车辆前方40面积上铝型材之类构成的障碍物（ODB）以64 km/h的速度碰撞的仿真图示。另外，图7（c）所示为研究侧碰时装着铝型材障碍物的台车（MDB）以55 km/h的速度从车身侧面撞击的仿真图示。这些全都是模拟JNCAP的试验条件的例子。这些仿真中，主要是预测图8所示的部位的强度及能量吸收效率，是为了修正骨架部件，发动机、传动系之类的设计。比如，以骨架部件的结构、板厚、材质作为参数计算，如图9所示从每时刻的变形样式和耐力变化上来判定、修正。如实将车身、发动机、传动系、悬架等细节模型化，得出有关变形样式、变形量、减速度（图10），以使CAE分析的预测精度达到实用水准。但是，点焊的剥离、发动机传动系的破损、断裂等导致致命的有关和预测不同的事例时有发生。4.2.2乘员伤害值预测乘员伤害值预测是综合多体技术和FEM的乘员运动分析软件来分析的。虽然也有用研究车辆碰撞特性时的大型车身模型上搭载假人来计算的手法，但因为既花费时间且不能得到及时结果，因此使用乘员运动分析软件。这个仿真是在乘员室和假人的简易模型上输入实验车的车身减速度来计算，以碰撞传感器的实时信息，安全带、安全气囊特性，方向盘特性等为参数研究乘员伤害值的成立性。图11中，所示为以55 km/h的速度的撞击刚体壁时的驾驶席上搭乘者的运动。5.振动、噪音5.1 轻型汽车的振动噪音车室内的静音性要求逐年增加，是和轻量化两个相矛盾的课题。考虑振动噪音的产生机构，作为激励源的发动机、路面及回转机构的振动向动力设备、驱动系、悬架等传递，受车身的隔音设备、低价材质的影响就成了振动噪音。因为许多部分复杂的紧密结合，必须综合看各部分的振动特性和这些部分结合的车辆整体来进行确切的研究这种振动噪音。5.2振动噪音CAE分析应用振动噪音分析模型是由车身、悬架等各部分建立的。构成了与发动机、路面的起振力和振动噪音的现象对应的车辆模型。车身是以共用模型为基础的结构系统和用立体单元分割的声响系统来建立振动和噪音的分析模型（图12）。5.2.1发动机引起的振动预测发动机引起的振动，讲述有关空转时的振动和噪音。（1）空转时的振动空转振动就是由于发动机振动引起车身、转向机构轻微震动的现象。动力设备的刚体系统振动及图13所示的车身骨架振动及方向盘弯曲振动的设定很重要。图14为在A/T车D范围，空调起动时一定的发动机负载作为发动机的起振力时，前排地板部位的振动的图示。研究对策时，要解决有关发动机部位的配置、特性和发动机的过渡输入的振动的矛盾。另外，车身骨架结构、壁板的形状及转向机构结构之类，以固有形式的形变能分布等为参考，设定常用空转回转标准以上的值。（2）含混音含混音是由发动机的振动产生的波等车室内不清晰的噪音。图15所示为使用图12的模型，以发动机全开加速及发动机起振力为负载时，预测车室内前排含混音，变换为噪音A特性的图示。推测超过许可值的含混音，是使在对象频率范围内的车身骨架、地板、车架之类的共振、车室内的共鸣等的原因，从而需改变结构等来降低噪音。5.2.2预测路面输入引起的振动作为路面输入引起的振动，主要讲述有关发动机振动和声振粗糙度、路面噪音。（1）发动机振动 发动机振动就是由于小的连续的变形、等间隔的接口等的路面输入，动力设备的振动引起的车身振动的现象。发动机振动的预测是用从车轮起振位置的振动引起前排上下振动的传递系数及对单位路面振动输入地板等的振动来判定的。对策是考虑到空转时的振动、含混音等，用改变发动机部位的特性、配置来降低到标准之下。图16中所示为发动机部位的衰减增大（装入液体）的影响图示。（2）声振粗糙度、路面噪音车轮模型化比较困难，但可以使用悬架、车身模型来比较地板振动、车内噪音等研究。5.2.3回转不均衡引起的振动预测回转不均衡引起的振动主要是由于车轮不平衡引起振动、摆动和联合的偏角引起的振动，在此将讲述前者引起的振动。（1） 摆动摆动是车轮不对称、不平衡等引起的振动，进而引起悬架、转向系的共振及方向盘的回转振动的现象。作为减小声振粗糙度方法之类的降低悬架的刚性时，悬架的振动会增加转向系的振动频率附近的摆动。图17是控制这两种振动，降低摆动的例子。（2） 振动振动是和摆动同样由于车轮的回转不平衡引起的，与悬架的振动和车身骨架振动有关。这个也是使用声振粗糙度、噪音模型来分析的。6 .车辆运动性能、乘坐舒适性能6.1轻型汽车的运动性能、乘坐舒适性能轻型汽车的运动性能、乘坐舒适性能在于它的优点是使用方便及车辆较小可以转小弯性，这样就决定它在市区行驶的频率较高。重点设定这种使用状况的同时也必须重点设定它的高速行驶速度，以提升在高速公路上的行驶速度达到最高速度100 km/h。6.2悬架的基本特性研究影响车辆的运动性能、乘坐舒适性能的悬架基本特性决定了实施根据CAE分析的详细研究前要进行粗略简易研究。乘坐舒适性基准的弹力是从座椅的颠簸固有振动频率来决定悬架弹性系数。据此设定运动性能所必须的摆动率、负荷移动比率。另外，根据需要安装前后减震器来调节（图18）。其他，根据悬架、各连接部分及缓冲部件刚性分配的引导特性、路面输入引起的前后振动、摆动，考虑影响悬架前后共振频率来设定前后刚性。6.3 车辆运动性能CAE分析应用6.3.1 悬架特性预测在悬架特性分析时，根据粗略分析的基本特性，利用悬架模型（图19）的CAE分析来进行详细分析。伴随着反弹、摇晃的悬架运动，对于车轮输入的响应，预测刚性，研究悬架的缓冲特性值等。6.3.2 车辆运动性能预测车辆运动性能是使用由前、后悬架模型和振动FE模型的模态参数减小自由度的车身模型组成的车辆模型来分析的（图20）。从而可以对驾驶时的车辆运动，起动、制动时的车辆运动，路面不平引起的车辆运动等进行预测。下面将讲述驾驶时的车辆运动。（1） 驾驶操纵性能分析车辆的驾驶操纵分成稳定和过渡两个阶段。稳定操纵因为在固定半径的圆周上作运动，所以必须从固定方向盘角度和车辆加速度的相关系数，来评价车辆的US/OS（转向不足/转向过大）特性。基于分析结果设定US/OS目标的悬架。图21所示为根据车辆各种因素、悬架响应改变，得到转向不足的结果图示。过渡操纵一般是用随车辆操纵冲击脉冲而变换时间、频率范围来作评价。据此，对方向角的车辆yaw角速度、yaw固有振动频率（yawF）、yaw衰减率（注：不太理解这个专业词汇，音译）、输入对方向角的车辆横向加速度的相位差的操纵评价。图22所示由转向系各种因素、特性的改变来优化转向性的图示。（2） 对驾驶操纵性能的车身刚性的影响对驾驶操纵性能的影响考虑的主要的是车身刚性，包括整体扭曲刚性、弯曲刚性、悬架组成部件的局部刚性。整体扭曲刚性比悬架刚性高几十倍，对驾驶操纵性能的影响较小。但是这个关系到转弯中的车室变形，影响到驾驶员驾驶时的车身刚性感、牢固感之类的感觉。图23所示为转弯中的两侧开口部位的变形图示。车身弯曲刚性、悬架组成部件的局部刚性关系到转弯中的转动方向、速度大小，影响到车辆的US/OS特性。特别是悬架部件局部刚性的影响更大，必须要确保不受设定的悬架特性的影响的刚性。图24所示为悬架部件局部刚性和转向变化的关系。根据以此悬架构成车身的车辆模型分析，可以对车辆行驶时的车身变形状况和操作安全性的影响进行预测。另外也可以对车型开发提供有益的信息。7. 热流体7.1 轻型汽车的热流体从行驶时的空气阻力、地面阻力、发动机室的冷却性能，到为使车室内舒适的空调性能、为确保可见度的除湿性能等，轻型汽车开发时的流体分析被应用在各种各样的用途。近些年，轻型汽车向高功能、高性能化发展，追求和乘用车同样的性能。特别是在比乘用车更小的空间设计中提高空调性能和发动机冷却性能成为了近来的重要课题。7.2流体CAE分析应用因为主要是分析车身内外的流体来设计形状和相关内容，所以流体CAE分析应用是决定开发初期阶段的方向性的一个手段。特别是作为使得肉眼看不到的空气流体变得可视化的CAE是一个有效的工具。7.2.1除湿性能预测除湿性能预测就是要求得使用如图25所示的大小的模型时管嘴内部的流体和防风玻璃周围的风速分布。要保持前方视线良好，就得实现至玻璃面上端的高风速，整个玻璃面良好的风速分布。如图26所示，使用CAE可以从管嘴形状、喷出角度等容易改变的东西着手，在设计初期阶段进行各种讨论研究。7.2.2管道单质性能的预测管道单质性能的预测也用和除湿同样的模型来分析。图27所示为面管道内部的流体仿真的例子。可以用改变管道形状来降低压力损失和各喷口的的风速均衡化。7.2.3空气动力性能预测轻型汽车也必须提高关系到燃油费、安全性的空气动力性能，进行CD，CL值的预测。除对穿过发动机室的气流、车地板下部件的影响分析外，空气噪音的预测也是今后的课题。7.2.4 发动机室通风性能的预测发动机室通风性能分析是用预测空气动力性能的车身外部流分析模型和发动机室模型合成的模型来分析的。行驶时的冷却风速误差是因用简易化冷却扇、考虑回旋成分的模型产