1、第12章 現代汽車設計方法112.1 概 述 為了保證設計質量、加快設計速度、避免和減少設計失誤，并適應科學技術發展的要求，使設計工作現代化，引發了“現代設計方法”的研究。設計方法可理解為：設計中的一般過程及解決具體設計問題的方法、手段。前者可認為是戰略問題，后者是戰術問題。如果把設計方法的發展進行概括，大致可以劃分成如下階段： (1) 17世紀前的“直覺設計階段”。 (2) 17世紀后的“經驗設計階段”及其后形成的“傳統設計階段”。 (3) 目前的“現代設計階段”。 212.2 計算機輔助設計 計算機輔助設計(Computer Aided Design，縮寫CAD)是應用計算機進行設計信息處

2、理的總稱。 12.2.1 CAD的發展狀況 1959年，美國麻省理工學院(MIT)伺服機構實驗室的D. T. Ross小組研究出APT語言及其信息處理機的原形。 1962年，MIT的Iran. E. Sutherland研制了Sketchpad繪圖系統。 1963年春，在美國計算機聯合會上，MIT研究小組初步設想了采用計算機進行設計和分析，并開發了交互式圖形處理系統，繪制出工程圖，從而使CAD由試驗階段過渡到了實施階段。 312.2 計算機輔助設計12.2.2 CAD技術在汽車行業中的應用 汽車行業是最早應用CAD技術的領域之一。目前，國外的汽車大約每4年進行一次換代，而新的乘用車產品的開發周

3、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性能指標，使外形美觀，增加新功能，適應有關排氣、噪聲、安全、燃料消耗等各種規定指標，應用CAD技術可以有效地解決這類問題。12.2.3 CAD技術的發展趨勢 CAD技術的發展趨勢可以概括為以下幾點： 集成化、網絡化、標準化、智能化、參數化、三維化、可視化和虛擬現實技術。 412.2 計算機輔助設計12.2.4 CAD系統的結構1. CAD系統的硬件2. CAD系統的軟件 軟件是指使用和發揮計算機效率、功能的各種程序，整個計算機系統的工作過程都是由軟件來控制和實現的。 (1) 系統軟件 系統軟件是與計算機硬件直接聯系并供用戶使用的軟件512.2

4、 計算機輔助設計12.2.4 CAD系統的結構 (2) 支撐軟件 支撐軟件是幫助人們高效率開發應用軟件的軟件工具系統，亦稱為軟件開發工具 (3) 應用軟件 應用軟件是用戶為解決各種具體設計工作中的實際問題而利用計算機以及它所提供的各種系統軟件和支撐軟件自行編制的軟件。12.2.5 CAD的功能 1. 計算機輔助繪圖612.2 計算機輔助設計12.2.5 CAD的功能1. 計算機輔助繪圖 這里主要是指使用計算機進行二維的工程圖紙的繪制，這也是CAD中已較為成熟的領域。 2. 造型功能 指三維的形體或產品在計算機中的表示和處理。3. 數據處理與管理 一方面是指在設計工作中涉及數據(包括圖形數據等)

5、的統一管理和加工，另一方面也包括數據查找和處理等。 712.2 計算機輔助設計12.2.5 CAD的功能4. 分析計算 (1) 應用有限元方法等對重要的零部件以及整車的強度與剛度、振動與噪聲、可靠性及壽命等的分析計算。 (2) 對產品及其零部件進行考慮各方面因素的優化設計計算，以保證產品具有現代化設計水平。 (3) 機構運動學/動力學仿真以及整車瞬態工況的模擬，制動、碰撞等情況的模擬，控制系統模擬等。 (4) 新材料、新工藝、新技術的分析、模擬和評價。 (5) 計算流體力學的應用；發動機混合氣形成與燃燒過程的模擬；可靠性設計計算，制造過程與銷售過程的模擬與分析等。812.2 計算機輔助設計12

6、.2.6 CAD的應用舉例1. 轉向機構CAD的目標和任務 該系統有兩個設計模塊供用戶選擇，一個是交互式設計系統，另一個是優化設計系統。 轉向機構CAD的關鍵技術如下： (1) 轉向機構三維形狀優化設計。 (2) 轉向機構三維有限元網格生成。 (3) 轉向機構有限元分析。 (4) 轉向機構工程數據庫。 2. 轉向機構CAD模塊 (1) 轉向機構結構方案設計模塊912.2 計算機輔助設計12.2.6 CAD的應用舉例 (2) 轉向機構結構參數設計子模塊 (3) 轉向機構結構優化設計模塊 (4) 轉向機構結構分析模塊 (5) 轉向機構強度校核與可靠性分析模塊 (6) 轉向機構圖形庫 (7) 轉向機

7、構數據庫模塊1012.3 汽車優化設計12.3.1 概述 進行汽車結構的優化設計，需要掌握以下兩個主要環節： (1) 建立方程，即優化問題數學模型的建立。 (2) 選擇優化方法，即優化問題的求解。12.3.2 優化問題的數學模型1建立數學模型的概念 在汽車的優化設計中，所謂建立數學模型，是指根據設計對象的要求，運用力學、機械設計的基礎知識和汽車方面的專業知識，推導出一系列方程式或方程組。1112.3 汽車優化設計12.3.2 優化問題的數學模型2建立數學模型的內容 (1) 設計變量 設計變量是在優化過程中需要不斷進行修改、調整、一直處于變化狀態的變量。 設計變量可用向量的形式表示： ，它形成一

8、個設計空間。設計空間的每一個向量就代表一個設計，即設計空間的一個點就是一個設計。 (2) 約束條件 對設計變量的取值要有一定限制，這些限制條件是設計變量的函數，稱之為約束條件或約束函數。 1212.3 汽車優化設計 (3) 目標函數 目標函數是設計中預期要達到的目標與設計變量之間的關系表達式。 (4) 數學模型 一般形式如下： 求設計變量向量 , 使得 目標函數 ，且滿足 等式約束 不等式約束1312.3 汽車優化設計12.3.3 優化方法1. 常用優化方法 一般優化問題分為兩類，一類是線性規劃問題，另一類是非線性規劃問題。 由于工程問題多數是設計變量較多的約束優化問題，而且多為非線性的，宜采

9、用迭代法逐步求解。所以絕大多數優化方法都是迭代性質的數值解法，這就決定了它的近似性。2. 無約束優化方法 在這類方法中，有坐標輪換法、鮑威爾法、共軛梯度法、DFP變尺度法、BFGS變尺度法等。1412.3 汽車優化設計12.3.3 優化方法3. 約束優化方法 工程上出現的問題一般都是有約束的優化問題，其常用的方法是隨機方向法、復合形法和懲罰函數法。12.3.4 解決優化設計問題的一般步驟 (1) 建立優化設計的數學模型。 (2) 選擇適用的最優化方法及相應的計算程序。 (3) 確定初始數據和初始設計點。 (4) 編寫有關的主程序及函數子程序。 (5) 計算機求解并輸出結果。 (6) 結果分析、

10、比較。1512.4 汽車機構動態仿真12.4.1 仿真概念 仿真是對所研究和設計系統的模型進行試驗的過程。機械系統的仿真模型可以是一組表示力、結構尺寸和強度等相互關系的數學方程式。 1612.4 汽車機構動態仿真12.4.2 仿真模型和仿真方法 仿真模型有許多形式，其復雜程度也各不相同。根據所采用的手段，可分為如下三大類： (1) 模擬式模型和模擬機的仿真 (2) 解析模型和數字仿真 (3) 混合仿真12.4.3 汽車機構運動學仿真 運動學仿真是指利用計算機仿真軟件包求解機構在所計時間內的運動學方程，以確定機構在連續運動過程中各個構件的速度和加速度。 1712.4 汽車機構動態仿真12.4.3

11、 汽車機構運動學仿真 這是MATLAB仿真工具箱Simulink等仿真軟件包的仿真步驟和流程。1812.4 汽車機構動態仿真12.4.4 汽車機構動力學仿真 較為簡單的動力學仿真方法是應用牛頓力學對每個單獨的構件進行力學分析，根據描述機構構件加速度的約束條件建立起力與加速度之間的關系，由此構成關于構件加速度(平動和轉動)和約束力的齊次線性代數方程組，再將方程組寫成矩陣形式，就可以由仿真軟件包求出每一時間的力與加速度。 1912.5 有限元分析法12.5.1 概述 有限元法是結構分析的一種數值計算方法。有限元方法的基本思想，就是將連續體劃分為許多單元，通過一些節點把有限個單元，連成集合體代替原來

12、的連續體。 有限元方法的優點主要表現在以下方面： (1) 節點可任意配置，邊界適應性良好，能用不同的單元劃分任意幾何形狀的結構。 (2) 適應性強，應用范圍廣泛，對許多復雜的工況和邊界條件，都可靈活地加以考慮。 (3) 由于采用矩陣表達和運算，因而便于編制計算機程序。 2012.5 有限元分析法12.5.2 有限元法的分析過程1. 結構離散化 把實際結構劃分為若干單元，使力學模型變成離散模型，以代替原來的結構。 2. 單元分析 結構離散化之后，進行單元的力學分析，建立各單元的節點位移和節點之間的關系式。以導出“單元剛度矩陣”。2112.5 有限元分析法12.5.2 有限元法的分析過程 有限元方

13、法的推導方法有三種：直接法、變分法和加權余數法。下面以直接法為例，說明單元剛度矩陣的推導過程。 (1) 選擇位移函數 (2) 單元應變表達式 由位移插值函數可導出用單元節點位移表示的單元應變表達式。應變 可表示為 (3) 單元應力表達式2212.5 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點力與節點位移之間的關系式，即單元剛度方程3. 整體分析 (1) 建立整體剛度矩陣 可以通過結構上各節點的靜力平衡條件或用剛度集成原理求得整體剛度矩陣，其中使用剛度集成原理的方法更為方便，使用更為廣泛。2312.5 有限元分析法12.5.2 有限元法的分析過

14、程 (2) 建立載荷向量 直接作用在節點上的外載荷可直接加入 中，而對非節點載荷，則應先化成等效載荷，然后按照單元節點與整體結構節點的對應關系，加入 中。 (3) 求解單元應力 求解這個以節點位移為未知量的線性方程組，得到整體結構上各節點的位移，就可以知道各單元的節點位移，將單元節點位移代入單元應力與單元位移的關系式就可以得到單元上的應力。 2412.5 有限元分析法12.5.3 有限元結構分析軟件簡介 比較成熟并且普及較廣的有美國加利福尼亞大學伯克利分校研制的SAP、美國麻省理工學院研制的ADINA、美國國家航空與航天局研制的NASTRAN、德國斯圖加特大學宇航結構靜動力學研究所研制的ASK

15、A、世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發的ANSYS軟件等等。12.5.4 有限元法在汽車設計中的應用 下面以汽車橋殼的有限元計算為例，介紹有限元在汽車設計中的應用。 載荷處理如下：2512.5 有限元分析法12.5.4 有限元法在汽車設計中的應用 (1) 垂向載荷。取一個車輪上的垂向載荷，按余弦規律分布于半軸套管底面的對稱位置的n個節點上(節點數n根據網格劃分情況及載荷分布范圍決定)。 (2) 縱向制動力。取一側車輪上的制動力，按余弦規律分布于每側車輪中線處半軸套管前側的對稱位置的n個節點上，制動力矩按力矩等效原則均勻分布在制動底板所在橋殼截面的各節點處。 (3) 側向力。

16、假定一側車輪的側向力均勻地分布到車輪中心線處半軸套管截面的m個節點上。2612.6 逆向工程12.6.1 概述1. 逆向工程的概念 從實物到產品的過程，稱之為逆向工程，或反求工程(反向工程)。因此，逆向工程是將實物轉變為CAD模型的數字化技術、建模技術和產品制造技術的總稱。2. 逆向工程過程3. 逆向工程的應用2712.6 逆向工程12.6.2 逆向工程的技術基礎1. 測量技術 產品實物的數字化，首先是運用特定的測量設備和測量方法獲取實物模型表面離散點和坐標數據，即數據采集。2. 建模技術 CAD模型構建是根據坐標測量機得到的數據點構建實物對象的幾何模型，通常可以分為線框(wireframe)

17、、曲面(Surface)、實體(Solid)三種模型。近年來，還發展了特征模型、產品模型以及仿生模型等。 (1) 逆向工程中的曲面表示2812.6 逆向工程12.6.2 逆向工程的技術基礎 A、 B樣條及NURBS曲面。 B樣條及NURBS曲面是目前成熟的商品化CAD/CAM系統中廣泛采用的曲面表示方法，這類曲面可以應用四邊參數曲面片插值、拉伸、旋轉、放樣(Lofting)或蒙皮(Skinning)、掃掠(sweeping)；混合(Blend)和四邊界方法(Boundaries)構造。 B、 三角曲面。 利用型值點估算出曲面的局部幾何性質，得到曲面的特征線(階躍、尖角及曲率極值)，以這些特征為基礎建立初始的三角形網格，三角劃分中，未用到的點都當作冗余數據。最后，通過三角Bezier曲面構建出一張光滑的曲面。2912.6 逆向工程12.6.2 逆向工程的技術基礎(2) 逆向工程曲面造型方法 A、 基于曲線的曲面重建方法。 B、 基于測量點直接擬