84cae技术在重型载货汽车开发中的应用

1、 CAE技术在重型载货车设计中的应用（集瑞联合重工研究院芜湖241009）要文中介绍了CAE技术在重型载货车设计中的应用，主要包含强度性能分析、安全性能分析、NVH性能分析、动力学仿真、CFD，了一。CAE重型载货车强度安全NVH动力学仿真CFD前言我国载货车市场1996-2007年销量迅猛增长，2007年比1996年同比增长235%，重型载货车销量增幅较大，占载货车总销量份额由1996年的6%迅速提升到2007年的27%。广阔的市场前景也带来了企业之间的竞争加剧，CAE（计算机辅助工程分析）能够显著提高产品设计的科学性，提高设计效率，其最大优点是在产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的

2、计算机分析模型，对所设计的产品进行强度、寿命及性能预测，有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周期。CAE技术在国内轿车企业已经得到广泛的应用，而在载货车领域主要还集中在强度性能分析范围。本文主要从强度性能分析、安全性能分析、NVH性能分析、动力学仿真和CFD分析5个方面进行介绍，详细描述CAE技术在重型载货车领域的应用。强度性能分析国内重卡由于严重超载和较差的路面，车辆零部件时常发生裂缝甚至断裂的严重后果，其强度（疲劳）性能尤其重要，必须满足一定的性能要求。常用的强度分析工况如表1所示。强度（疲劳）分析常包含车架、驾驶室、开启件和其他零部件的强度分析。如下图1所示XZ1G頼xG1G铜动汨1G上

3、台阶xxmmxG1GxG1G表1强度分析工况斗图1强度分析安全性能分析2.1碰撞分析碰撞分析主要依据欧洲经济委员会汽车标准：商用车驾驶室乘员保护（ECE29）要求来进行。2.1.1正面碰撞（摆锤撞击试验）摆捶参数：质量为1500250Kg，长为2500mm,高为800mm摆捶的撞击面与车辆最前部分接触，其重心高度应低于驾驶室座椅R点50+50处。其重-0mm心位于车辆纵向中心平面内。撞击的方向应是水平的，且与车辆的纵向中心平面平行，碰撞的能量对于最大质量是7000Kg的车辆来说，是30000Nm,对于最大质量超过此值的车辆来说,是45000Nm。（如图2所示）图2正面碰撞分析2.1.2车顶强度

4、驾驶室顶盖应能承受与规定的车辆前轴或所有轴最大轴荷相当的静态压力，最大值为100kN。该压力应通过采用适当形状的刚性模块能够均匀地分配到驾驶室或乘员舱顶盖结构中所有的承载部件上。（如图3所示）血盖挤压强盛试验TO吨图3车顶强度分析2.1.3后壁强度驾驶室后围应能承受按车辆允许的载荷，以2000N/t计算的静态力，该力应由垂直于车辆纵向中轴线的刚性平面结构，以覆盖装置在车架上驾驶室至少整个后围的面积，沿纵向中轴线平行方向移动作用于后围。（如图4所示） 436.6mm2法规对重卡侧门没有明确的要求，借用FMVSS214的要求进行侧门安全性分析，如图5f丄、/J加载后图5侧门挤压分析697mm2.3

5、前下部防护前下部防护主要依据商前下部防护装置（ECE93）要求来进行，如图6700-12D0*1DC图6前下部防护分析第五届中国CAE工程分析技术年会论文集阶数频率值(Hz)振型20.5顶盖摆动20；8顶盖后部23；729.4顶盖中部侧围局篩NVH性能分析NVH(Noise、Vibration、Harshness)主要是研究车辆的噪声和振动对整车性能和舒适性的影响NVH的概念和标准的提出是评价现代汽车设计和制造质量的新标准。模态分析车身结构模态分析是轿车新产品开发中结构分析的主要内容，尤其是车身结构的低阶弹性模态，它不仅反映了汽车车身的整体刚度性能，而且是控制汽车常规振动的关键指标，已作为汽车

6、新产品开发的强制性考核内容。重卡模态分析可以分为：驾驶室(BIW)模态分析、车架模态分析、转向系统模态分析、驾驶室trimmedbody模态分析、底盘系统模态分析、整车系统模态分析、零部件模态分析，等。示例如下图7所示。第五届中国CAE工程分析技术年会论文集第五届中国CAE工程分析技术年会论文集度和:口动终影响汽车的NVH特性和结构耐久性。刚度分析实例如图8所示letiHfJPT一阶扭转模态8.23HZ图7模态分析实例3.1刚度分析丿一亠高刚度、轻量化已经成为当今汽车设计追求的指标，车身刚度分为静刚度包含弯曲刚度、扭转刚度和局部刚度，动刚度包含模态特征、动态特性，等。-刚度性能最第五届中国CA

7、E工程分析技术年会论文集 3.2频率响应分析频率响应分析可以实现对结构的动态特性分析,预测结构的持续动力特性,验证设计能否克服共振、疲劳及其受迫振动引起的结构破坏。分析的目的在于求出结构在多种频率下的位移、速度和加速度的响应。频率响应分析按照输入载荷不同，可以分为真实路谱的频率响应分析和振动灵敏度分析，图9为振动灵敏度分析。直GN2timY一一村211彌E第五届中国CAE工程分析技术年会论文集 重卡驾驶室构成封闭空腔,形成一个声学系统。车身结构可以视为弹性体,车室空腔的声压变化会激励车身壁板产生振动,而车身壁板的振动又会通过对临近空气的压迫改变车室的声压,形成结构与空气流体相互作用的声固耦合系

8、统。声固耦合分析包含声腔模态和声固耦合模态分析、声学灵敏度分析。3.3.1声腔模态和声固耦合模态由于耦合系统是由结构和空腔中的空气相互作用形成,因此其模态振型由两部分组成：结构的变形和空腔中声压的分布，它们分别与结构和空腔两个系统的模态相对应。如图10所示声庄变化模式寸声学灵敏度分析10声腔模态和构振动和噪声图量车身结_性的常用指标是声学灵敏度，其主要考察车身把振动转化成噪声的能力，通过控制车身声学灵敏度来降低驾驶室噪声水平，并合理安排声学材料安放位置。车身声学灵敏度是指单位激励力作用在车身支撑点，在人耳处测量到亠X：:-、-结构变形扌凳式的噪声级。声学灵敏度定义为激励力和人耳处声压级的比值。

9、实例如图11所示动力学仿真重卡动力学仿真主要研究侧向动力学和垂向动力学，即整车的操纵稳定性和平顺性。4.1重卡操纵稳定性分析操纵稳定性指汽车在行驶过程中接受驾驶员的控制能力及行驶方向的稳定性，是影响汽车主动安全性的重要因素之一。利用ADAMS/Car软件建立重卡的整车仿真模型，钢板弹簧用多个集中质量单元、同片相邻的质量单元之间用无质量的Timoshenk。梁连接来模拟，轮胎模型采用魔术公式。整车仿真模型如图12所示：中回,以考查整车的稳态、瞬态等f输入、稳态回转分析：侧向加速度-方向盘转角曲线中间位置转向分析侧向加速度-方向盘转角曲钱eT_SWALdsEl111二:k；J1!一一丄1;1环境对

10、乘贝舒适1土的影响ji图12：整车仿真木为了全面分析重卡的操稳性能对整车进行方向盘间位置转向等工况的分析在一定界定范围之内，对于载荷汽车还包括货物完好的性能。本重卡采用全浮式驾驶室悬置系统来提高平顺性，利用上述建立的整车仿真模型对重卡进行脉冲输入、随机输入平顺性分析，从而在设计阶段对整车的平顺性能进行预测和控制。图14为脉冲输入下驾驶员座椅地板垂向最大加速度。第五届中国CAE工程分析技术年会论文集驾戰员座椅地板 INTERPOLATE(.plot.1.eun/e1)第五届中国CAE工程分析技术年会论文集驾戰员座椅地板 #第五届中国CAE工程分析技术年会论文集驾戰员座椅地板 #FDC5在汽车领域

11、，CFD（ComputationalFluidDynamics计算流体动力学）正成为预测整车外流场和热分布场的有力工5.1空调管道CFD计算-汽车室内空气品质、车室内的舒适性以密切关系，而汽车室内空气汽车空调出风口的优化设计5.2气动阻力系数计算汽车的气动阻力与车速具，正被大量应用于日常汽车零部件的发中。的。空调管道CFD计算如图15所示。室内气流组织与汽车室内空气的流场分布有的流场分布很大程度上决定于汽车空调出风口的设计。因此,是很有必平方成正比，且气动阻力所消耗的功率与燃油以及车速的立方成11.o11IJMH人土iJI.乂洱丿*机冷却效果，不仅可以提高汽实例：研究来降低汽车气动阻力、提高发

12、动机燃烧效率、改进发动动力性，而且还可改善其燃油经济性。图16为气动阻力计算LongitudinalVelocityL-I匚亠一=40.0图15空调管道CFD计算2方云图6结论图16气动阻力系数计算图14：脉冲输入驾驶员座椅地板垂向最大加速度第五届中国CAE工程分析技术年会论文集驾戰员座椅地板 #第五届中国CAE工程分析技术年会论文集驾戰员座椅地板 #勺逐步强大越来越被重视，分析能作为。目前CAE技术在国内轿车计算机辅助工程分析（CAE）技术将随着中国汽车工业的逐力也将越来越增强，在提高自主研发能力上CAE工具将大有企业已经得到广泛的应用，而在载货车领域主要还集中在强度性能分析范围。本文主要从强度性能分析、安全性能分析、NVH性能分析、动力学仿真和CFD分析5个方面进行介绍，详细描述CAE技术在重型载货车领域的应用，并列举了