《车辆现代设计方法》课程论文-许心亮.doc

车辆现代设计方法课程论文现代设计方法综述及在车辆领域的应用许心亮 机械设计及理论 20100390130104 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科，是以设计产品为目标的一个知识群体的统称。一、现代设计方法在汽车设计中的应用现代设计方法以形态学为分类手段，以方法学为思想指导，其具体内容有很多。现在就其中的系统工程设计法、模糊设计法、计算机辅助设计法加以简单阐述。（1） 系统工程分析法 系统工程分析法系统工程是以大系统为研究对象的一门跨学科的边缘科学，它以应用数学和电子计算机等为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务。通过各种组织管理技术，使局部与整体之间关系协调配合，以实现系统的最优化。应用系统工程的观点完成汽车设计，一般可分为3个阶段：1、信息获取（或称系统分析）；2、信息处理（或称系统选择）；3、信息整理（或称系统实施计划）。汽车设计涉及多种专业学科的各种不同要求，要完成一个成功的设计，必须应用系统工程的观点，全面均衡地、有层次地处理各种不同要求，使设计达到经济和艺术的有机结合。现代汽车工业，已经把一个企业的全部生产过程（包括设计）作为一个整体，因此可以把它看成一个大系统。（2）模糊设计法 模糊设计法所谓模糊是指边界不清楚，是事物的差异之间存在着中间过渡过程的结果。如许用应力、频率禁区等。模糊设计不是建立在对系统的数学分析基础上，而是根据实际经验确定参数、控制、算法与过程信号。该方法常用的是：模糊分析、模糊决策、模糊控制等。模糊优化实质上就是考虑模糊因素的优化设计。在汽车工程中存在的模糊因素多，因此研究模糊优化设计在汽车工业中的应用将有一定的实际意义。目前，在汽车离合器、汽车变速箱及齿轮、发动机支承参数等的模糊优化方面，已做了不少研究。模糊决策是根据已有的信息做出各种可能的推论。决策一般包含着大量的自然语言、经验及中间过渡性，它们将造就出划分的不确切性即模糊性，因而这种决策都是模糊决策。现代控制在复杂的工业控制系统中无能为力，这是因为它的数学模型难于建立。在这种情况下模糊控制就是具有解决这种问题的独到之处，因为模糊控制不必被控对象建立完整的数学模型，它是一种语言控制器，使得操纵人员易于使用语言进行人机对话。模糊控制仅在交通方面的研究已有不少实例，如汽车的稳速行驶控制，无滑动停车等。（3)计算机辅助设计（CAD）CAD是应用计算机进行设计信息处理的总称。在国际汽车工业中，自上世纪!年代起即开始采用CAD。它改变了传统的产品开发模式，在新车型投入试制前，加入了图面检查、性能预估和结构分析，提高了设计的可信度，减少了产品开发过程中试制和实验验证的反复次数，从而降低了产品研制费用，缩短了产品开发周期，提高了产品质量。国内汽车工业在上世纪%年代也开始将计算机用于汽车设计，如用有限元计算车架强度。在汽车设计中采用CAD的优点在于：1、能减少设计计算、制图的时间，缩短新产品的设计和研制周期，适应产品更新换代的需要，提高市场竞争能力；2、采用CAD系统可以分析多种方案，实现多方案择优；3、能使设计人员从事务性和重复性劳动中解脱出来，有更多的时间进行创造性的劳动。二、科学技术的发展与汽车设计现代科学技术的发展对汽车的性能、可靠性、经济性等提出了更高的要求;另一方面也为汽车的设计、制造提供了改进和创新的设计方法。商品市场的激烈竞争也促使从事汽车工程的技术人员去探索新的设计方法和技术,以便创造出质量更高、成本低的新产品。据统计, 一般汽车的质量和性能有60%70%取决于汽车设计。因此,在设计新产品时应研究和采用新的设计方法和技术,以适应现代汽车发展的要求:1汽车市场的激烈竞争, 要求提供质高、价廉和创新的汽车产品。汽车制造厂期望通过在其产品上采用技术革新, 推出使竞争对手束手无策的产品, 最好使这些创新技术通过取得专利或技术秘密保护, 防止被他人立刻仿造。因此在设计的方法、研制的时间及采用的技术上要更具现代化、科学化和高速度。2汽车工业既是新概念的发明者, 同时又是其他领域开发的大量技术的利用者。新兴技术对汽车产品的渗透、改造和应用, 使汽车的性能和结构产生了很大的变化如采用计算机进行自动控制, 使汽车成为机械一电子一信息一体化的产品。3汽车的使用环境产生了激烈的变化。使用环境的主要变化是安全法规、降低污染和改善燃油经济性。这种变化以能继续向消费者提供满意的熟悉产品为前提条件, 这就要求采用新的设计方法,在技术上加快从技术概念到原型状态的转换, 使汽车设计师能在汽车外壳内部及发动机舱内部革新汽车, 以便在环境变化时保持汽车的效用。汽车设计不仅要考虑其本身的有关技术问题,还须考虑使用者的安全、舒适、操作方便以及燃料供应、车辆存放、道路发展等问题。为了寻求保证设计质量, 加快设计速度, 避免和减少设计失误的方法和措施,引发了“现代设计方法”的研究。二、虚拟技术在汽车设计中的应用 随着市场竞争的全球化和科技的迅速发展，制造业格局发生了巨大的变化，传统的产品设计开发创新少、耗时多、效率低、成本高，已经不能适应动态变化的市场，虚拟产品开发技术将产品的开发过程，在计算机上进行产品设计、分析、加工等过程，可减少因制作物理模型所消耗的人力、物力和时间，同时提高质量，降低成本，保证产品开发的一次成型，增强企业快速适应市场变化的能力。（1） 汽车虚拟设计技术及设计思路 虚拟设计是以计算机辅助设计为基础，利用虚拟现实技术发展而来的一种新的设计手段。虚拟制造强调在实际投入原材料于产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性。虚拟技术可采用的软件有多种如ORO/E,UG等。结合市场和用户需求，仔细分析计算机上虚拟现实产品从外观造型到色彩配置，从功能组合到内部结构，逐项讨论并用计算机分析优缺点，为优化设计提供依据。（2）虚拟设计技术在汽车中的应用虚拟设计技术可以在计算机中实现整车及零部件的概念设计、造型设计、总布局设计、结构设计等，同时对其性能如刚度、强度、固有频率、动态响应及使用寿命和噪声等进行模拟分析，以便在设计阶段就发现并尽可能地解决问题，提高设计一次成功率。对汽车整车进行虚拟设计过程，包括零部件的三维建模、虚拟装配和产品的外观造型。三、模态分析技术与汽车的动态性能1.模态分析的意义现代设计思想中的一个重要组成部分就是动态设计思想。在车辆的总休设计过程或具体方案论证、技术设计和技术验证中都会遇到大量的与产品结构动态特性有关的问题, 因为车辆处在动态载荷工作的环境中, 其运动形态本身就是动态的, 因此在设计中必须进行动态分析。汽车结构动态设计和动态分析的现代理论基础是模态分析技术。模态分析技术是分析结构系统振动特性的强有力的力学工具。在汽车的现代设计方法中, 往往要深人研究其结构的固有动态特性、外界的振动冲击作用和汽车结构系统的运动响应三者之间的内在关系, 然后进行其结构的动态分析, 为动态优化设计提供确切的输人环境。汽车现代设计法要求设计者建立起足够精确的, 与实际情况相吻合的汽车结构的数学或动力学模型。只有这样才能根据这些模型进行动态分析和优化设计, 以获得最佳动态特性的产品。目前, 为建立汽车结构的数学模型或动力学模型, 先采用有限元技术进行静、动态设计,然后考虑阻尼特性、边界条件及实际结构等因素的影响所造成的有限元模型的不确定性, 利用实际结构的模态实验结果来验证、修改和优选有限元模型。模态实验是现代模态分析技术的重要组成部分, 也是建立产品结构足够精确的与实际情况相符的有限元模型的必要环节。在动态设计中, 除使用物理坐标下的结构参数模型( 如有限元模型) 外, 还广泛使用模态模型, 利用模态模型便于计算结构系统在一定外界激励下的运动响应和估算结构参数模型, 另外模态模型还可用于结构系统的故障诊断、结构修改、振动控制等实际工程领域。建立系统的模态模型也称为系统的模态参数识别, 根据模态分析理论模态参数可由各种时域领域模态实验数据按一定的模态参数识别方法识别出来. 2 实验模态分析技术参数识别是模态分析方法的中心环节。由于汽车结构复杂, 影响因素较多, 很难依靠理论计算来获取全部动态信息。模态实验是一种获取实验数据作为结构参数识别的重要手段, 是结构模态分析的基础, 因此将模态实验和参数识别统称为实验模态参数识别或实验模态分析。随着模态分析技术的深人发展, 在参数识别方面已提出了许多种方法。在识别方法上, 一般着重设法提高模态参数识别的精确性和提高识别速度。在各类参数识别方法中, 主要包括频域法和时域法两大部分。频域法频域法是利用频响函数( 或传递函数) 数据识别结构参数的方法. 一方面运动方程在频域类为代数方程式, 分析方便; 另一方面, 从频响函数中识别固有频率和阻尼等参数比较直观。目前在实验室内作工作状态下的参数识别仍然以频域法为主要方法。四、UG软件在并联机构设计方面的应用 UG主要功能1、 工业设计和风格造型为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用 NX 建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状， 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。 2、 产品设计NX 包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。 NX 具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。 NX 优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。 3、仿真、确认和优化NX 允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。 4、NC加工UG NX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UG NX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。UG NX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流 NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于轴或更多轴的铣削加工、轴的车削加工和电火花线切割。 5、模具设计UG是当今较为流行的一种模具设计软件，主要是因为其功能强大。模具设计的流程很多，其中分模就是其中关建的一步。分模有两种：一种是自动的，另一种是手动的，当能也不是纯粹的手动，也要用到自动分模工具条的命令，即模具导向。 UG的主要特点是：参数化的特征造型；统一的能使各模块集成起来的数据库；设计修改的关联性，即一处修改，别的模块中相应图形或数据也会自动更新。以UG作为并联机构设计开发平台，其实体造型思路如下：1、基于UG强大的三维实体造型功能，进行并联机构造型设计和结构设计，提供一个可视化界面，再在该界面上进行逐步工程设计造型；2、按照UG实体特点，将几何图形当作设计实体处理，3、提供定位装配技术，在计算机上模拟产品的整个设计制造过程；4、结合市场和用户需求，仔细分析计算机上虚拟现实产品从外观造型到色彩配置，从功能组合到内部结构，逐项讨论并用计算机分析优缺点，为优化设计提供依据。 UG的在设计并联机构时候的主要特点是：参数化的特征造型；统一的能使各模块集成起来的数据库；设计修改的关联性，即一处修改，别的模块中相应图形或数据也会自动更新。以UG作为并联机构设计开发平台，其实体造型思路如下：1、基于UG强大的三维实体造型功能，进行并联机构造型设计和结构设计，提供一个可视化界面，再在该界面上进行逐步工程设计造型；2、按照UG实体特点，将几何图形当作设计实体处理，3、提供定位装配技术，在计算机上模拟产品的整个设计制造过程；4、结合市场和用户需求，仔细分析计算机上虚拟现实产品从外观造型到色彩配置，从功能组合到内部结构，逐项讨论并用计算机分析优缺点，为优化设计提供依据。五、基于有限元法活塞杆应力集中的研究1 参数及建模 设计中活塞杆的直径为30 mm, 台阶面的直径为50 mm, 台阶厚度为6 mm, 倒角半径为5 mm.振打器中活塞杆的三维实体模型剖面图如图1 所示,根据活塞的结构和受力的状况, 将活塞简化成轴对称结构进行分析, 因为在建立模型时把三维图形简化为二位图形分析可以大大减少单元数目,降低自由度,节省求解时间。 图1 活塞杆的三维实体模型表1 材料参数表参数密度/kgm- 3弹性模量/GPa泊松比屈服应力/MPa剪切模量/GPa活塞杆活塞杆78102170. 273. 1E22. 52 网格划分 ANSYS 具有自动生成网格的功能, 此模型结构比较简单且是二维, 所以针对本论文选择自动划分有限元网格,整个模型经网格划分后如图2所示, 从图3 中可以看到整个模型的网格相对比较整齐,倒角部分稍有不规则.利用check mesh 命令检查网格划分情况并显示错误单元,结果证明网格划分完好.模型总共有2120 个单元和2305个节点.3 定义接触和约束 针对振打器中的活塞杆,它的断裂有很多原因, 此处主要考虑倒角处应力中所导致的断裂情况. 几何形状不连续处应力局部增大的现象, 称为应力集中. 应力集中与杆件的尺寸和所用的材料无关,仅仅取决于截面突变处的几何参数的比值, 对于截面突变处, 应力集中与比值r/和D/d有关, 如图3 所示,其中D 为大段的宽度和直径, d为小段的宽度和直径,r为大小段交界处的过渡圆角半径.图2网格模型图3几何形状不连续处应力集中示意图4 加载并求解 活塞杆的工况为: 在大部分工作周期内, 受气压作用, 活塞杆本身受到的作用力较小, 活塞杆运行到底端时与撞击杆碰撞, 在极短时间内产生一个较大冲击力, 这个力作用到活塞上, 并以应力波的形式在活塞杆内传播. 该作用