1、汽車設(shè)計(jì)電子教案第第1212章章 現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)方法汽車設(shè)計(jì)電子教案12.1 12.1 概概 述述 為了保證設(shè)計(jì)質(zhì)量、加快設(shè)計(jì)速度、防止和減少設(shè)計(jì)失誤，并順應(yīng)科學(xué)技術(shù)開展的要求，使設(shè)計(jì)任務(wù)現(xiàn)代化，引發(fā)了“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研討。設(shè)計(jì)方法可了解為：設(shè)計(jì)中的普經(jīng)過程及處理詳細(xì)設(shè)計(jì)問題的方法、手段。前者可以為是戰(zhàn)略問題，后者是戰(zhàn)術(shù)問題。假設(shè)把設(shè)計(jì)方法的開展進(jìn)展概括，大致可以劃分成如下階段： (1) 17世紀(jì)前的“直覺設(shè)計(jì)階段。 (2) 17世紀(jì)后的“閱歷設(shè)計(jì)階段及其后構(gòu)成的“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。 (3) 目前的“現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段。 汽車設(shè)計(jì)電子教案12.2 12.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 計(jì)

2、算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，縮寫CAD)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)展設(shè)計(jì)信息處置的總稱。 12.2.1 CAD的開展情況 1959年，美國麻省理工學(xué)院(MIT)伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的D. T. Ross小組研討出APT言語及其信息處置機(jī)的原形。 1962年，MIT的Iran. E. Sutherland研制了Sketchpad繪圖系統(tǒng)。 1963年春，在美國計(jì)算機(jī)結(jié)合會上，MIT研討小組初步想象了采用計(jì)算機(jī)進(jìn)展設(shè)計(jì)和分析，并開發(fā)了交互式圖形處置系統(tǒng)，繪制出工程圖，從而使CAD由實(shí)驗(yàn)階段過渡到了實(shí)施階段。 汽車設(shè)計(jì)電子教案12.2 12.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 12.2.2

3、 CAD技術(shù)在汽車行業(yè)中的運(yùn)用 汽車行業(yè)是最早運(yùn)用CAD技術(shù)的領(lǐng)域之一。目前，國外的汽車大約每4年進(jìn)展一次換代，而新的乘用車產(chǎn)品的開發(fā)周期已縮短至兩三年，汽車的每次換代都力求提高汽車的各項(xiàng)性能目的，使外形美觀，添加新功能，順應(yīng)有關(guān)排氣、噪聲、平安、燃料耗費(fèi)等各種規(guī)定目的，運(yùn)用CAD技術(shù)可以有效地處理這類問題。 12.2.3 CAD技術(shù)的開展趨勢 CAD技術(shù)的開展趨勢可以概括為以下幾點(diǎn)： 集成化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化、智能化、參數(shù)化、三維化、可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。 汽車設(shè)計(jì)電子教案12.2 12.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 12.2.4 CAD系統(tǒng)的構(gòu)造 1. CAD系統(tǒng)的硬件 2. CAD系統(tǒng)

4、的軟件 軟件是指運(yùn)用和發(fā)揚(yáng)計(jì)算機(jī)效率、功能的各種程序，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)過程都是由軟件來控制和實(shí)現(xiàn)的。 (1) 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是與計(jì)算機(jī)硬件直接聯(lián)絡(luò)并供用戶運(yùn)用的軟件汽車設(shè)計(jì)電子教案12.2 12.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 12.2.4 CAD系統(tǒng)的構(gòu)造 (2) 支撐軟件 支撐軟件是協(xié)助人們高效率開發(fā)運(yùn)用軟件的軟件工具系統(tǒng)，亦稱為軟件開發(fā)工具 (3) 運(yùn)用軟件 運(yùn)用軟件是用戶為處理各種詳細(xì)設(shè)計(jì)任務(wù)中的實(shí)踐問題而利用計(jì)算機(jī)以及它所提供的各種系統(tǒng)軟件和支撐軟件自行編制的軟件。 12.2.5 CAD的功能 1. 計(jì)算機(jī)輔助繪圖汽車設(shè)計(jì)電子教案12.2 12.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助

5、設(shè)計(jì) 12.2.5 CAD的功能 1. 計(jì)算機(jī)輔助繪圖 這里主要是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)展二維的工程圖紙的繪制，這也是CAD中已較為成熟的領(lǐng)域。 2. 外型功能 指三維的形體或產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)中的表示和處置。 3. 數(shù)據(jù)處置與管理 一方面是指在設(shè)計(jì)任務(wù)中涉及數(shù)據(jù)(包括圖形數(shù)據(jù)等)的一致管理和加工，另一方面也包括數(shù)據(jù)查找和處置等。 汽車設(shè)計(jì)電子教案12.2 12.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 12.2.5 CAD的功能 4. 分析計(jì)算 (1) 運(yùn)用有限元方法等對重要的零部件以及整車的強(qiáng)度與剛度、振動與噪聲、可靠性及壽命等的分析計(jì)算。 (2) 對產(chǎn)品及其零部件進(jìn)展思索各方面要素的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，以保證產(chǎn)品具

6、有現(xiàn)代化設(shè)計(jì)程度。 (3) 機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)仿真以及整車瞬態(tài)工況的模擬，制動、碰撞等情況的模擬，控制系統(tǒng)模擬等。 (4) 新資料、新工藝、新技術(shù)的分析、模擬和評價(jià)。 (5) 計(jì)算流膂力學(xué)的運(yùn)用；發(fā)動機(jī)混合氣構(gòu)成與熄滅過程的模擬；可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算，制造過程與銷售過程的模擬與分析等。汽車設(shè)計(jì)電子教案12.2 12.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 12.2.6 CAD的運(yùn)用舉例 1. 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)CAD的目的和義務(wù) 該系統(tǒng)有兩個(gè)設(shè)計(jì)模塊供用戶選擇，一個(gè)是交互式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，另一個(gè)是優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)CAD的關(guān)鍵技術(shù)如下： (1) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維外形優(yōu)化設(shè)計(jì)。 (2) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維有限元網(wǎng)格生成。 (3

7、) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有限元分析。 (4) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)工程數(shù)據(jù)庫。 2. 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)CAD模塊 (1) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)造方案設(shè)計(jì)模塊汽車設(shè)計(jì)電子教案12.2 12.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 12.2.6 CAD的運(yùn)用舉例 (2) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)設(shè)計(jì)子模塊 (3) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊 (4) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)造分析模塊 (5) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核與可靠性分析模塊 (6) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)圖形庫 (7) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫模塊汽車設(shè)計(jì)電子教案12.3 12.3 汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車優(yōu)化設(shè)計(jì) 12.3.1 概述 進(jìn)展汽車構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需求掌握以下兩個(gè)主要環(huán)節(jié)： (1) 建立方程，即優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型的建立。 (2) 選擇優(yōu)化

8、方法，即優(yōu)化問題的求解。 12.3.2 優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型 1建立數(shù)學(xué)模型的概念 在汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，所謂建立數(shù)學(xué)模型，是指根據(jù)設(shè)計(jì)對象的要求，運(yùn)用力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)的根底知識和汽車方面的專業(yè)知識，推導(dǎo)出一系列方程式或方程組。汽車設(shè)計(jì)電子教案12.3 12.3 汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車優(yōu)化設(shè)計(jì) 12.3.2 優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型 2建立數(shù)學(xué)模型的內(nèi)容 (1) 設(shè)計(jì)變量 設(shè)計(jì)變量是在優(yōu)化過程中需求不斷進(jìn)展修正、調(diào)整、不斷處于變化形狀的變量。 設(shè)計(jì)變量可用向量的方式表示： ，它構(gòu)成一個(gè)設(shè)計(jì)空間。設(shè)計(jì)空間的每一個(gè)向量就代表一個(gè)設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)空間的一個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)設(shè)計(jì)。 (2) 約束條件 對設(shè)計(jì)變量的取值要有一定限制，

9、這些限制條件是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，稱之為約束條件或約束函數(shù)。 12.nxxxx汽車設(shè)計(jì)電子教案12.3 12.3 汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車優(yōu)化設(shè)計(jì) (3) 目的函數(shù) 目的函數(shù)是設(shè)計(jì)中預(yù)期要到達(dá)的目的與設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系表達(dá)式。 (4) 數(shù)學(xué)模型 普通方式如下： 求設(shè)計(jì)變量向量 , 使得 目的函數(shù) ，且滿足 等式約束 不等式約束12Tnxxxx minf x 0ih x 1,2,im 0jgx 1,2,jp汽車設(shè)計(jì)電子教案12.3 12.3 汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車優(yōu)化設(shè)計(jì) 12.3.3 優(yōu)化方法 1. 常用優(yōu)化方法 普通優(yōu)化問題分為兩類，一類是線性規(guī)劃問題，另一類是非線性規(guī)劃問題。 由于工程問題多數(shù)是設(shè)計(jì)變量較多

10、的約束優(yōu)化問題，而且多為非線性的，宜采用迭代法逐漸求解。所以絕大多數(shù)優(yōu)化方法都是迭代性質(zhì)的數(shù)值解法，這就決議了它的近似性。 2. 無約束優(yōu)化方法 在這類方法中，有坐標(biāo)輪換法、鮑威爾法、共軛梯度法、DFP變尺度法、BFGS變尺度法等。汽車設(shè)計(jì)電子教案12.3 12.3 汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車優(yōu)化設(shè)計(jì) 12.3.3 優(yōu)化方法 3. 約束優(yōu)化方法 工程上出現(xiàn)的問題普通都是有約束的優(yōu)化問題，其常用的方法是隨機(jī)方向法、復(fù)合形法和懲罰函數(shù)法。 12.3.4 處理優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的普通步驟 (1) 建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。 (2) 選擇適用的最優(yōu)化方法及相應(yīng)的計(jì)算程序。 (3) 確定初始數(shù)據(jù)和初始設(shè)計(jì)點(diǎn)。 (4) 編

11、寫有關(guān)的主程序及函數(shù)子程序。 (5) 計(jì)算機(jī)求解并輸出結(jié)果。 (6) 結(jié)果分析、比較。汽車設(shè)計(jì)電子教案12.4 12.4 汽車機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真汽車機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真 12.4.1 仿真概念 仿真是對所研討和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模型進(jìn)展實(shí)驗(yàn)的過程。機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型可以是一組表示力、構(gòu)造尺寸和強(qiáng)度等相互關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式。 汽車設(shè)計(jì)電子教案12.4 12.4 汽車機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真汽車機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真 12.4.2 仿真模型和仿真方法 仿真模型有許多方式，其復(fù)雜程度也各不一樣。根據(jù)所采用的手段，可分為如下三大類： (1) 模擬式模型和模擬機(jī)的仿真 (2) 解析模型和數(shù)字仿真 (3) 混合仿真 12.4.3 汽車機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真

12、運(yùn)動學(xué)仿真是指利用計(jì)算機(jī)仿真軟件包求解機(jī)構(gòu)在所計(jì)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動學(xué)方程，以確定機(jī)構(gòu)在延續(xù)運(yùn)動過程中各個(gè)構(gòu)件的速度和加速度。 汽車設(shè)計(jì)電子教案12.4 12.4 汽車機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真汽車機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真 12.4.3 汽車機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真 這是MATLAB仿真工具箱Simulink等仿真軟件包的仿真步驟和流程。汽車設(shè)計(jì)電子教案12.4 12.4 汽車機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真汽車機(jī)構(gòu)動態(tài)仿真 12.4.4 汽車機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真 較為簡單的動力學(xué)仿真方法是運(yùn)用牛頓力學(xué)對每個(gè)單獨(dú)的構(gòu)件進(jìn)展力學(xué)分析，根據(jù)描畫機(jī)構(gòu)構(gòu)件加速度的約束條件建立起力與加速度之間的關(guān)系，由此構(gòu)成關(guān)于構(gòu)件加速度(平動和轉(zhuǎn)動)和約束力的齊次線性代數(shù)方程組，再將方

13、程組寫成矩陣方式，就可以由仿真軟件包求出每一時(shí)間的力與加速度。 汽車設(shè)計(jì)電子教案12.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.1 概述 有限元法是構(gòu)造分析的一種數(shù)值計(jì)算方法。有限元方法的根本思想，就是將延續(xù)體劃分為許多單元，經(jīng)過一些節(jié)點(diǎn)把有限個(gè)單元，連成集合體替代原來的延續(xù)體。 有限元方法的優(yōu)點(diǎn)主要表如今以下方面： (1) 節(jié)點(diǎn)可恣意配置，邊境順應(yīng)性良好，能用不同的單元劃分恣意幾何外形的構(gòu)造。 (2) 順應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)用范圍廣泛，對許多復(fù)雜的工況和邊境條件，都可靈敏地加以思索。 (3) 由于采用矩陣表達(dá)和運(yùn)算，因此便于編制計(jì)算機(jī)程序。 汽車設(shè)計(jì)電子教案12.5 12.5 有限元分析法有限

14、元分析法 12.5.2 有限元法的分析過程 1. 構(gòu)造離散化 把實(shí)踐構(gòu)造劃分為假設(shè)干單元，使力學(xué)模型變成離散模型，以替代原來的構(gòu)造。 2. 單元分析 構(gòu)造離散化之后，進(jìn)展單元的力學(xué)分析，建立各單元的節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系式。以導(dǎo)出“單元剛度矩陣。汽車設(shè)計(jì)電子教案12.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.2 有限元法的分析過程 有限元方法的推導(dǎo)方法有三種：直接法、變分法和加權(quán)余數(shù)法。下面以直接法為例，闡明單元剛度矩陣的推導(dǎo)過程。 (1) 選擇位移函數(shù) (2) 單元應(yīng)變表達(dá)式 由位移插值函數(shù)可導(dǎo)出用單元節(jié)點(diǎn)位移表示的單元應(yīng)變表達(dá)式。應(yīng)變 可表示為 (3) 單元應(yīng)力表達(dá)式 eB ee

15、EBS汽車設(shè)計(jì)電子教案12.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.2 有限元法的分析過程 (4) 單元剛度矩陣 利用虛功方程可建立單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式，即單元剛度方程 3. 整體分析 (1) 建立整體剛度矩陣 可以經(jīng)過構(gòu)造上各節(jié)點(diǎn)的靜力平衡條件或用剛度集成原理求得整體剛度矩陣，其中運(yùn)用剛度集成原理的方法更為方便，運(yùn)用更為廣泛。 eeeFK汽車設(shè)計(jì)電子教案12.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.2 有限元法的分析過程 (2) 建立載荷向量 直接作用在節(jié)點(diǎn)上的外載荷可直接參與 中，而對非節(jié)點(diǎn)載荷，那么應(yīng)先化成等效載荷，然后按照單元節(jié)點(diǎn)與整體構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系

16、，參與 中。 (3) 求解單元應(yīng)力 求解這個(gè)以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的線性方程組，得到整體構(gòu)造上各節(jié)點(diǎn)的位移，就可以知道各單元的節(jié)點(diǎn)位移，將單元節(jié)點(diǎn)位移代入單元應(yīng)力與單元位移的關(guān)系式就可以得到單元上的應(yīng)力。 R R KR汽車設(shè)計(jì)電子教案12.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.3 有限元構(gòu)造分析軟件簡介 比較成熟并且普及較廣的有美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研制的SAP、美國麻省理工學(xué)院研制的ADINA、美國國家航空與航天局研制的NASTRAN、德國斯圖加特大學(xué)宇航構(gòu)造靜動力學(xué)研討所研制的ASKA、世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)的ANSYS軟件等等。 12.5.4

17、 有限元法在汽車設(shè)計(jì)中的運(yùn)用 下面以汽車橋殼的有限元計(jì)算為例，引見有限元在汽車設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。 載荷處置如下：汽車設(shè)計(jì)電子教案12.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.4 有限元法在汽車設(shè)計(jì)中的運(yùn)用 (1) 垂向載荷。取一個(gè)車輪上的垂向載荷，按余弦規(guī)律分布于半軸套管底面的對稱位置的n個(gè)節(jié)點(diǎn)上(節(jié)點(diǎn)數(shù)n根據(jù)網(wǎng)格劃分情況及載荷分布范圍決議)。 (2) 縱向制動力。取一側(cè)車輪上的制動力，按余弦規(guī)律分布于每側(cè)車輪中線處半軸套管前側(cè)的對稱位置的n個(gè)節(jié)點(diǎn)上，制動力矩按力矩等效原那么均勻分布在制動底板所在橋殼截面的各節(jié)點(diǎn)處。 (3) 側(cè)向力。假定一側(cè)車輪的側(cè)向力均勻地分布到車輪中心線處半軸套管截

18、面的m個(gè)節(jié)點(diǎn)上。汽車設(shè)計(jì)電子教案12.6 12.6 逆向工程逆向工程 12.6.1 概述 1. 逆向工程的概念 從實(shí)物到產(chǎn)品的過程，稱之為逆向工程，或反求工程(反向工程)。因此，逆向工程是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的數(shù)字化技術(shù)、建模技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。 2. 逆向工程過程 3. 逆向工程的運(yùn)用汽車設(shè)計(jì)電子教案12.6 12.6 逆向工程逆向工程 12.6.2 逆向工程的技術(shù)根底 1. 丈量技術(shù) 產(chǎn)品實(shí)物的數(shù)字化，首先是運(yùn)用特定的丈量設(shè)備和丈量方法獲取實(shí)物模型外表離散點(diǎn)和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)采集。 2. 建模技術(shù) CAD模型構(gòu)建是根據(jù)坐標(biāo)丈量機(jī)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建實(shí)物對象的幾何模型，通?？梢苑譃榫€框(wireframe)、曲面(Surface)、實(shí)體(Solid)三種模型。近年來，還開展了特征模型、產(chǎn)品模型以及仿生模型等。 (1) 逆向工程中的曲面表示汽車設(shè)計(jì)電子教案12.6 12.6 逆向工程逆向工程 12.6.2 逆向工程的技術(shù)根底 A、 B樣條及NURBS曲面。 B樣條及NURB