結構分析
2017-11-23 10:52:00
1.概述
汽車CAE產品研發(fā)中的應用在汽車產品研發(fā)的整個過程中，CAE產品分析可以對汽車結構的強度、剛度、車輛的振動噪聲(NVH)、舒適性(平順性)、耐久性、多剛體動力學、碰撞、乘員的安全性，以及動力總成(發(fā)動機和變速箱)的性能等方面進行模擬(仿真)分析、預測結構(場)的性能、判斷設計的合理性、優(yōu)化結構設計。此外，用CAE產品數(shù)據分析還可以對沖壓成型、鑄造和鍛造的工藝過程進行模擬分析，優(yōu)化結構設計，解決產品質量問題。
現(xiàn)代汽車開發(fā)是一個綜合與分析的互逆過程。綜合與分析在汽車產品開發(fā)的不同階段，發(fā)揮不同的作用，從概念設計到詳細設計的開發(fā)流程，實際是一個從系統(tǒng)綜合到系統(tǒng)分析的流程。在開發(fā)階段初期，有充分的設計自由度，但有關設計的參數(shù)、數(shù)據則較少，我們關注的是產品的整體性能，例如：平順性、操縱穩(wěn)定性等，我們能夠在設計初期結合試驗數(shù)據、客戶意見反饋設定好整車設計性能指標（設計目標）；在詳細結構設計階段，根據整車性能指標，逐級分解到車身、底盤等各個子系統(tǒng)、零部件上，最終體現(xiàn)在結構的各個設計參數(shù)上。
2.汽車CAE產品結構設計過程
現(xiàn)在國內產品設計更加整合已有資源、優(yōu)化配置，更加強度產品的整體性能，比如平順性、操縱穩(wěn)定性，高端的在整車NVH方面有更高的要求。無論是商用車還是乘用車，車身設計一直是現(xiàn)代整車設計的核心技術，有限元在車身設計發(fā)揮的作用遠超過其他方面。
2.1 整車性能設計
汽車的平順性主要是指保持汽車在行駛過程中產生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適性的影響，是現(xiàn)代高速汽車的主要性能之一。研究對象主要是整車懸架系統(tǒng)、前后軸荷、整車慣性質量等，能在概念設計階段快速、準確的建立多自由度整車和動力系統(tǒng)模型，進行模態(tài)、瞬態(tài)響應、隨機響應分析，對整車系統(tǒng)的平順性、人體的響應做出評估；結合試驗、先期客戶反饋意見、專業(yè)人士主觀評價，設立設計目標，指導后繼結構設計。
可以以懸架系統(tǒng)的剛度、阻尼為設計變量，根據國家標準化組織的要求對各個頻段頻率進行加權優(yōu)化，設計出平順性最佳的前后懸架剛度、阻尼系數(shù)。
2.2 車身結構設計
2.2.1 車身截面、接頭設計
接頭（Joint）和梁（Beams）是決定整車剛度和全局模態(tài)的主要因素，它們控制著整車低頻的Boom和振動（Shake）；截面特性（Section Property）決定了梁的特性。因此，通過對截面形狀、厚度以及結構特性的分析，在汽車概念設計階段，初步估計和評價標桿樣車的主要承載結構的抗彎、抗扭模量、截面面積，對整車的部件的設計和結構改進有著重要的指導意義。
2.2.2 車架、車身模態(tài)分析
剛度不足，將會引起車身的門窗、發(fā)動機艙口等發(fā)生變形，導致玻璃破碎、車門卡死等現(xiàn)象；同時，低剛度必然伴隨低的固有頻率，易發(fā)生結構共振和噪聲，影響人的乘坐舒適性。進行結構、聲腔模態(tài)求解，可以在設計初期識別系統(tǒng)整體、局部模態(tài)頻率、振型；結合整車設計要求，對不同頻率、各個子系統(tǒng)之間的相互作用做出評估，從而采取合適的設計策略合理的分布車身系統(tǒng)的頻率；同時根據計算結果，對于影響室內噪聲的部位，在考慮成本、安裝條件、設計目標的選取合適的阻尼材料，達到最優(yōu)的減振、降噪目的。
現(xiàn)代車身用骨架構件加薄鋼板互相連接，形成承載結構的“網絡”，它們之間互相依存。車身設計十分強調承載結構的合理性，不論受靜力還是受變化的力，車體本身各部分都要和諧地變形，沒有特別薄弱的環(huán)節(jié)。利用模態(tài)分析，可以幫助設計工程師確定車身薄弱環(huán)節(jié)，在最少的設計循環(huán)下，找到合理的改進措施。
強度不足則引起車身構建早期出現(xiàn)裂紋和疲勞斷裂?？梢栽谠O計階段提前發(fā)現(xiàn)車身構件的薄弱環(huán)節(jié)、剛度變化是否合適，快速實現(xiàn)各個設計之間的對比，減少設計開發(fā)的盲目性。
2.3 整車有限元分析
建立整車模型，通過強度、剛度計算，可以發(fā)現(xiàn)各個部件之間、各個系統(tǒng)的力的傳動關系，檢驗與設計目標是否相符；通過模態(tài)分析，可以發(fā)現(xiàn)各個系統(tǒng)之間的頻率分布，指導NVH設計?？梢酝瑫r考慮模態(tài)、整體剛度、關鍵部位強度對各個部件的設計靈敏度等進行計算，在保證強度的前提下，進行減重設計、部件優(yōu)化。
3.結論
由于汽車在批量生產以后改進設計的成本顯著地高于汽車在研發(fā)初期改進設計的成本，汽車CAE產品的模擬分析主要應用在工藝設備、模具和樣車制造之前，也就是從汽車產品研發(fā)初期就開始用CAE進行模擬分析，及時發(fā)現(xiàn)產品設計中的隱患，優(yōu)化結構設計，提高產品質量，使汽車滿足國家的法規(guī)和用戶的需求。通過CAE的優(yōu)化分析，有關部門可以只對一種較優(yōu)的設計方案進行試制和試驗，減少試制費用，縮短新產品的研發(fā)周期，使新產品早日投入市場，增強企業(yè)的競爭力。在汽車產品批量生產以后，CAE分析主要用于解決汽車在使用過程中發(fā)生的質量問題。CAE、CAD和試驗分析相結合，顯著地提高了汽車產品研發(fā)的水平。盡管現(xiàn)在車輛的道路試驗和用戶使用仍然是評價車輛性能唯一有效的途徑，但是CAE的最終目標是用虛擬樣車的分析完全代替車輛試驗。雖然目前還沒有實現(xiàn)，但這是努力的方向。
