12现代汽车设计方法.ppt

1、哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，第1，12章现代汽车设置修订方法，哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，2，12.1概说，设置修订质量的保证，设置修订速度的加快，设置修订错误的回避和减少，并且为了适应科学技术的发展要求，使设置修订作业现代化，引起“现代设置修订方法”的设置修订方法是前者被认为是战略问题，后者是战术问题。 概括设定修订方法的发展，大致可以分为(1) 17世纪前的“直观的设定修订阶段”。 (2) 17世纪后的“经验设施修订阶段”和其后形成的“传统设施修订阶段”。 (3)现在的“现代设置修订阶段”。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，3，3，12.2修订机辅助设定修订，修订

2、机辅助设定修订(Computer Aided Design，简称CAD )是应用修订机进行设定修订信息处理的总称。 12.2.1 CAD的发展状况1959年，美国麻省理工大学(MIT )伺服机构实验室的D. T. Ross集团研究了APT语言及其信息处理机的原形。 1962年，MIT的Iran. E. Sutherland开发了Sketchpad绘图系统。 1963年春，在美国计算机联合会上，MIT研究小组设想初步使用计算机进行设置修订和分析，开发交互式图形处理系统，制作图纸，将CAD从试验阶段转移到实施阶段。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，4，4，12.2计算机辅助设置修订，12.2

3、.2 CAD技术在汽车行业的应用汽车行业是CAD技术应用最快的领域之一。 目前，国外汽车每四年更换一次，新型轿车产品的开发周期已缩短到两三年，每次更换汽车提高各项性能指标，增加外观美观，增加新功能，适应排气、噪音、安全、燃费等各种规定指标，应用CAD技术就是这样12.2.3 CAD技术的发展趋势CAD技术的发展趋势可以概括为：集成化、网络化、标准化、智能化、残奥仪表化、三维化、可视化和虚拟现实技术。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，5，5，12.2修订机辅助设定修订，12.2.4 CAD系统结构1. CAD系统硬件2. CAD系统软件是指使用修订机效率、功能发挥的各种程序，修订机系统整体

4、的动作(1)系统软件系统软件是直接与计算机硬件联系用户使用的软件，哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，6，6， 12.2计算机辅助设置修订，12.2.4 CAD系统的结构(2)辅助软件辅助软件帮助人们有效地开发应用程序软件工具系统7， 12.2.5 CAD的功能1 .计算机辅助图纸，哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，7，12.2计算机辅助设置修订，12.2.5 CAD的功能1 .计算机辅助图纸这里主要指使用计算机进行二维工程图纸的制作2 .造型功能是指在三维形状或产品的修正计算机上的显示和处理。 3 .数据处理和管理是指在设定、修正作业中数据(包括图形数据等)的统一管理和加工，另一方面也

5、包括数据检索和处理等。哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，8，8，12.2修订机辅助设置修订，12.2.5 CAD的功能4 .分析修订(1)应用有限元法等重要部件及整车的强度和刚性、振动和噪音、可靠性及寿命等分析修订。 (2)对产品及其部件进行考虑各方面因素的最佳设置修订计算，保证产品具有现代化设置修订水平。(3)机构运动学/动力学仿真以及整车过渡状态仿真、制动、碰撞等情况仿真、控制系统仿真等。 (4)新材料、新工艺、新技术的分析、模拟和评价。 (5)修正计算流体力学的应用发动机混合气的形成和燃烧过程的模拟可靠性设定修正计算、制造过程和销售过程的模拟和分析等。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆

6、工程系，9，9，12.2修订计算机辅助设置修订，12.2.6 CAD应用实例1 .转向机构CAD的目标和任务该系统有两个用户可选择的设置修订模块，一个是交互式设置修订系统，另一个是最佳设置修订转向机构CAD的关键技术是(1)转向机构的三维形状优化设定修正。 (2)转向机构的三维有限元网格生成。 (3)转向机构的有限元分析。 (4)转向机构工程数据库。 2 .转向机构CAD模组(1)转向机构构造案设定修订模组，哈尔滨工业大学汽车工学院车辆工学系，10， 12.2计算机辅助设定修正，12.2.6 CAD的应用例(2)转向机构构造残奥表设定修正子模块(3)转向机构构造最佳化设定修正模块(4)转向机构

7、构造分析模块(5)转向机构强度检查和可靠性分析模块(6)转向机构样式库(7)转向哈尔滨12.3.1汽车结构的优化设定修订，需要掌握(1)方程式的建立，即优化问题数学模型的建立。 (2)选择优化方法，即优化问题的解决。 12.3.2创建优化问题的数学模型1在概念汽车的优化设置修订中，创建数学模型是指根据设置修订对象的要求，使用力学、机械设置修订的基础知识和关于汽车的专业知识导出一系列方程式或方程式。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，12，12.3.2汽车优化设置修订，12.3.2优化问题的数学模型2建立数学模型的内容(1)设置修订变量设置修订变量是在优化过程中处于不断修改、调整、变化状态的

8、变量。 设定修订变量可以表现为向量：形成设定修订空间。 设定修订空间的各向量表示设定修订。 也就是说，设定修正空间的一个点是设定修正。 (2)制约条件对设定修正变量的可能的值需要一定的制约，这些制约条件是设定修正变量的函数，被称为制约条件或者制约函数。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，13，12.3汽车优化设定修订，(3)目标函数目标函数是设定修订中预计达到的目标与设定修订变量的关系式。 (4)数学模型一般形式求设定修正变量向量，满足目标函数，等式制约不等式制约，、哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，14，12.3.3汽车优化设定修正，12.3.3优化方法1 .常用优化方法工程问题多为

9、设定修正变量的制约优化因此，大多数优化方法是迭代数值解法，其近似性得到确定。 2 .无约束最优化方法这样的方法有坐标旋转法、鲍威尔法、共轭梯度法、DFP变尺度法、BFGS变尺度法等。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，15，12.3.3汽车优化设置修订，12.3.3优化方法3 .约束优化方法工程中出现的问题一般是有约束的优化问题，其常用方法为随机方向法、复合形法和惩罚函数法。 12.3.4创建解决优化设置修正问题的一般过程(1)优化设置修正的数学模型。 (2)选择要应用的优化方法和相应的校正计算程序。 (3)决定初始数据和初始设定修正点。 (4)编制相关的主程序及函数子程序。 (5)修正计

10、算机求出结果并输出。 (6)结果分析比较。哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，16，12.4.1汽车机构动态仿真，12.4.1仿真概念仿真是试验研究与设订系统模型的过程。 机器系统的仿真模型可以是表示诸如力、结构尺寸、强度等之类的相互关系的一组数学方程。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，17，12.4.2汽车机构动态仿真，12.4.2仿真模型和仿真方法仿真模型有很多形式，其复杂性也各不相同。 (1)模拟式模型和模拟机模拟(2)分析模型和数字模拟(3)混合模拟12.4.3汽车机构运动学模拟和校正机模拟套件哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，18，12.4.3汽车机构动态仿真，12.4.

11、3汽车机构运动学仿真这是MATLAB仿真工具箱Simulink等仿真包的仿真步骤和流程哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，19，12.4.4汽车机构动态仿真，12.4.4汽车机构动力学仿真比较简单的动力学仿真方法是应用牛顿力学对各个构件进行力学分析， 根据描述机构构件加速度的约束条件建立起力和加速度的关系，从而构成构件加速度(平移和旋转)和约束力的线性代数方程，哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，20，12.5.1有限元分析法，12.5.1概述有限元法是结构分析的数值修正方法。 有限元法的基本思想是将连续体分割为多个单元，并在一些节点将有限个单元作为集合体来代替原来的连续体。 有限元法的优

12、点主要是(1)节点可任意配置，边界适应性好，可在不同小区划分任意几何形状的结构。 (2)适应性强，应用范围广，能灵活考虑许多复杂情况和边界条件。 (3)因为采用了矩阵表现和运算，所以修正算机程序的编制很容易。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，21，12.5.2有限元分析法，12.5.2有限元法的分析过程1 .结构离散化将实际结构分为几个单元，将力学模型改为离散模型，取代原来的结构。 2 .离散单元分析结构后，对单元进行力学分析，建立各单元的节点位移与节点之间的关系式。 导出“单元刚度矩阵”(sellstiffnessmatrix )。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，22，12.5

13、.2有限元分析法，12.5.2有限元法的分析过程有限元法的导出方法有3种：直接法、变分法和加权侑数法。 以直接法为例，说明单元刚度矩阵的推导过程。 (1)能够根据选择位移函数(2)的单元失真表现式位移内插值函数导出以单元节点位移表示的单元失真表现式。 应变是(3)单元应力公式、哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系、23、12.5.2有限元分析法、12.5.2有限元法的分析过程(4)单元刚度矩阵可以利用虚功方程组建单元节点力和节点位移的关系式，即单元刚度方程3 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，24，12.5.2有限元分析法，12.5.2有限元法的分析过程(2)载荷向量直接作用于节点的外载荷

14、可以直接施加，但对于非节点载荷，应该先等效载荷，然后再遵循单元节点与整体结构节点的对应关系(3)解开单元应力，解开以该节点位移为未知量的线性方程式，得到整体结构上的各节点的位移，就可以知道各单元的节点位移，将单元节点位移代入单元应力和单元位移的关系式，就可以得到单元上的应力。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，25，12.5.3有限元分析法，12.5.3有限元结构分析软件介绍比较成熟，普及范围较广的是美国加利福尼亚大学伯克利分校开发的SAP，美国麻省理工大学开发的ADINA， 美国国家航空航天局开发的NASTRAN、德国斯图加特大学12.5.4有限元法在汽车设置修订中的应用以汽车桥壳的有限

15、元修订算为例，介绍有限元在汽车设置修订中的应用。 负荷处理是哈尔滨工业大学汽车工学学院车辆工学系，26，12.5.4有限元分析法，12.5.4有限元法在汽车设置修订中的应用(1)垂直负荷。 取与一个车轮垂直的负荷，按照侑弦规则分布于半轴底面的对称位置的n个节点(节点数n由网格分割状况和负荷分布范围决定)。 (2)纵向制动力。 取一个车轮的制动力，按照侑弦规则分布在各侧车轮中线的半轴前侧的对称位置的n个节点，制动扭矩按照力矩等效原则均匀分布在制动底盘所在的半轴外壳截面的各节点。 (3)横向力。 假设一个车轮的侧向力均匀地分布在车轮中心线的驱动桥轴截面的m个节点上。 哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆

16、工程系，27，12.6.1逆向工程，12.6.1概述1 .逆向工程的概念从实物到产品的过程是逆向工程还是逆向工程(逆向工程) 因此，所谓逆向工程是将实物变换为CAD模型的数字化技术、建模技术、产品制造技术的总称。 2 .逆向工程过程3 .逆向工程的应用，哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系，28，12.6.2逆向工程，12.6.2逆向工程的技术基础1 .测量技术产品实物的数字2 .建模技术CAD模型构筑是根据坐标测量机得到的数据点构筑实物对象的几何模型，通常可以分为线框、曲面、实体3种模型。 近年来，特征模型、产品模型及仿生模型等也在发展。 (1)逆向工程中的曲面表示哈尔滨工业大学汽车工程学院车辆工程系、29、12.6.2逆向工程、12.6.2逆向工