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        車身設計必學基礎

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        天宇 發表于 2014-12-21 14:26:17 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
        摘 要:通過應用實例對汽車車身設計新方法進行了探討,討論了一種并行汽車車身設計方法。應用此方法,對某中型客車車身進行了改型設計,并利用有限元、優化、可靠性等方法,對設計的可行性進行了分析。
        關鍵詞:車身設計;有限元方法;可靠性;優化



        前 言


        傳統的汽車車身設計方法的整個過程是基于手工設計完成的。分為初步設計與技術設計兩個階段。其特點是整個過程是通過實物、模型、圖紙、樣板等來傳遞信息,至少進行1:5油泥模型、全尺寸油泥模型和樣車制作等階段; 還要進行1:5油泥模型、1:1全尺寸油泥模型、實車三次風洞試驗; 還要進行車身原始數據保留的車身主圖板、車身主模型制作。隨著計算機技術的發展,高速圖形終端和工作站的出現,引進了CAD/CAM等現代設計方法在車身設計中的應用。這種方法(傳統的車身CAD方法)的一個主要工作是利用計算機輔助幾何設計(CAGD)方法來進行車身幾何造型設計,即要在計算機上建立一個車身表面模型以取代傳統設計中的三維實體模型。但無論是傳統的手工設計方法,還是傳統的車身CAD設計方法,都免不了進行車身效果圖繪制、車身油泥實物型模型制作等步聚,這就大大增加了設計開發的周期和成本。因此,建立一種汽車車身計算機輔助設計和分析的方法——虛擬樣機設計方法意義重大。汽車車身采用虛擬樣機的設計方法,是一種革新產品開發過程、縮短周期降低成本、改進產品設計質量、提高產品開發效率的有效途徑。采用虛擬樣機設計方法,在制造第一臺物理樣機之前,利用計算機模型可以仿真測試各種不同的設計方案,不必浪費制造物理樣機所需的時間與經費,可以獲得較優的乃至最優的設計方案;同時可以在計算機上方便地確定、修改設計缺陷,逐步優化設計方案,因此不但減少了昂貴的物理樣機數量,而且提高了產品設計質量,大大縮短了產品的開發周期。


        1 設計模型的建立


        傳統的汽車車身設計方法的整個過程是基于手工設計完成的。分為初步設計與技術設計兩個階段。其特點是整個過程是通過實物、模型、圖紙、樣板等來傳遞信息,至少進行1:5油泥模型、全尺寸油泥模型和樣車制作等階段; 還要進行1:5油泥模型、1:1全尺寸油泥模型、實車三次風洞試驗; 還要進行車身原始數據保留的車身主圖板、車身主模型制作。隨著計算機技術的發展,高速圖形終端和工作站的出現,引進了CAD/CAM等現代設計方法在車身設計中的應用。這種方法(傳統的車身CAD方法)的一個主要工作是利用計算機輔助幾何設計(CAGD)方法來進行車身幾何造型設計,即要在計算機上建立一個車身表面模型以取代傳統設計中的三維實體模型。但無論是傳統的手工設計方法,還是傳統的車身CAD設計方法,都免不了進行車身效果圖繪制、車身油泥實物型模型制作等步聚,這就大大增加了設計開發的周期和成本。


            由于傳統車身設計方法的缺陷,我們利用CAD軟件提供的強大的復合建模功能,探索了一種車身設計新方法,為縮短開發周期,降低開發成本作了一些努力,也為我們進行車身CAD新方法、新手段的探索,提供基礎性的借鑒。首先在汽車產品規劃提出的產品參數基礎上,進行簡單的車身總布置設計,確定汽車總長、總寬、總高、離地間隙、接近角、離去角、輪距、車門形狀、位置等基本設計數據,建立車身三視圖。在此基礎上,利用CAD軟件的建模功能展開設計、建模。具體的方法是:汽車新產品設計規劃→車身總布局設計(三視圖)→曲線建模設計(三視圖)→車身各視圖按輪廓線拉伸實體→作取交集的布爾運算→提取擬合車身曲面所需線條→線條轉換和修改樣條線→車身結構骨架設計。


        利用以上方法,我們對某中型客車車身項目進行了開發設計,完成該車型設計方面的工作,


        也節省了制作油泥模型等步驟的大量時間,降低了開發成本。該方法收到了良好的效果。


        2 設計可行性有限元分析


        用有限元方法進行車身計算。首先要把工程上的車身轉換成能為計算機輸入所接受的計算上模型。即把車身實物(或圖紙)抽象為一組由力學元件構成的模型,同時要給出載荷及支持狀態的數學描述——這就是模型化工作。在結構簡化過程中,堅持的總原則是:在盡可能如實地反映客車車身結構主要力學特性的前提下,力求用較少的單元和簡單的單元形式。


        對于半承載式客車車身,它保留了底盤車架,將車身結構構件剛性地與車架連接,使車身也參與整車承載,從而可以適當的減輕車架的質量和減少斷面的尺寸,以達到合理利用材料的目的。這種車身與車架的連接一般是通過將車身骨架的立柱焊接在由車架縱梁兩側懸伸的牛腿上來實現的。所以分析時必須考慮客車的底架。由于整車車身結構復雜,必須對車身模型進行簡化。客車的骨架結構由抗扭剛性很高的鋼管構件焊接形成的空間框架。由前、后圍骨架、底架、左右側圍骨架和頂蓋骨架六部分組成。


        根據客車的具體結構情況進行了以下的簡化措施:


        ①不計一些次要的桿件


        不計非基礎構件(或非承載件),它們的截面積很小,承受的載荷比較小,對結構的變形和內力影響很小,且與整車骨架的連接關系較弱,所以在計算中略去了這些次要的桿件。


        ②簡化曲桿為直桿


        在車身結構設計中,為了外型的美觀和改善空氣動力性能,在車身四周都設計成圓弧過渡,如前圍與側圍,頂棚與側圍的聯結部分,這些圓弧形構件的曲率不大,頂蓋橫梁、前風窗下梁等曲桿可劃分成若干直桿,對整個結構的計算影響很小。


        ③將一些臨近的節點可以進行合并處理


        在車身制造中,為了結構布置的需要或工藝方面的要求,幾個構件的聯結點往往錯開一些距離,這些聯結點之間的連接剛度較大,且在實際計算中短梁可能會導致方程病態,使計算結果誤差較大。因此,在結構簡化中將距離很近的一些節點進行合并。


        ④截面形狀的簡化


        在車身骨架結構中,除使用各種型鋼外,還有許多板材翻邊焊接而成的構件。另外,對于一些象底架橫梁及牛腿等變截面的構件,都簡化成最小截面,最后結果比實際值大,作最保守的計算。


        為了論證設計的可行性,我們對設計的可行性進行了有限元分析。主要作了勻速高速行駛、高速急剎車、高速急轉彎且左前輪懸空等三種工況的有限元分析。有限元模型如圖2所示。


        分析結果為:勻速高速行駛時,最大拉應力σ1=47.20 MPa,產生在乘客門右立柱上端,最大壓應力σa=43.12MPa 產生在乘客門右立柱下端;高速急剎車時,最大拉應力σ1=98.275MPa,產生在乘客門右立柱上端,最大壓應力σa=95.8875MPa 產生在乘客門右立柱下端;高速急轉彎且左前輪懸空時,最大拉應力σ1=146.73MPa,產生在右側圍中部,最大壓應力σa=135.75MPa 產生在右側圍中部。


        通過以上三種工況的分析,可以比較明顯的看出在一輪懸空高速急轉彎的情況下,其最大應力遠大于完全支承的情況,是比較危險的工況。


        對于碳素結構鋼Q235-A,當鋼材厚度小于或等于16mm時,他的屈服點σs為235MPa。所要計算的應力不大于材料的許用應力〔σ〕。許用應力計算如下:


        〔σ〕=σs/n


        式中:σs——材料的屈服極限,取σs =235MPa;n-安全系數,一般取安全系數為1.4;


        可得:〔σ〕=167.9MPa


        以上結果都滿足σ<〔σ〕,符合強度條件。


        3 設計可靠性分析


        為了保證設計的可靠性,我們把可靠性考慮進來。目前可靠性在各國都受到了足夠的重視。


        日本斷言今后世界產品的市場競爭點是可靠性,美國把可靠性列為企業的主要奮斗目標。經典有限元是一種在力學模型基礎上進行近似計算的方法。近似計算就是結構的離散化模型,通過單元的劃分,單元分析,整體分析,從而求出各節點的位移和應力。這種方法能處理確定量,不能處理概率量。隨機有限元是80年代初發展起來的處理隨機現象的分析工具,它指的是引進相應的確定性分析方法,顯式處理任意不定參數,并求其對所求物理量的響應。此法的特點在于將隨機參數空間離散化,并將隨機輸入變為一個方差矩陣依賴于有限元網格劃分的隨機變量。具體的隨機有限元理論和可靠性理論參閱其它有關文獻。


        在考慮對整車結構影響不大的基礎上,我們對車身作了部分簡化處理。蒙皮對整車剛度和強度都有一定的影響,但基本上不承受剪切力,忽略不計。車身實際變形中包括了前后懸架的彈性變形引起的整車結構的剛體位移。在我們計算中,剔除了這一變形。就是把懸架處理成大剛性桿,放松在鉸接點處的自由度。后懸架鋼板彈簧處采用鉸支,前懸架對不同工況采用不同的支撐方式處理。由于本身的側傾角很小,這樣作對內力的影響不大。其它簡化方法同上述的有限元分析,建立模型與上述有限元計算模型一致。經計算,車身結構的最小可靠度為0.986453。


        4 優化設計


        為了設計的更好、更優,我們對車身進行優化設計。具體的優化理論參閱其它有關文獻。在這里,只考慮在扭轉工況下進行截面尺寸的優化問題,選用截面空間的尺寸為優化設計變量,因而對車身作了部分簡化處理。骨架結構基本為矩形鋼焊接而成,尤其是腰梁、窗立柱、上大邊、門柱這些主要受力構件,這對簡化計算機模型,暫時忽略螺栓、鉚接等這類局部應力復雜區域的影響較為理想。蒙皮對整車剛度和強度都有一定的影響,但基本上不承受剪切力,可以忽略不計。車身實際變形中包括了前后懸架的彈性變形引起的整車結構的剛體位移。在計算中,剔除了這一變形。就是把懸架處理成大剛性桿,放松在鉸接點處的自由度。后懸架鋼板彈簧處采用鉸支,前懸架對不同工況采用不同的支撐方式處理。由于本身的側傾角很小,這樣作對內力的影響不大。在靠的很近的接頭處,采用節點合并。同時,在剛架系統中,用等截面替換變截面,用直桿代替曲桿,用剛接頭代替螺栓、鉚接結構。最后得到的車身計算模型同上。經過優化計算后,車身質量為1870kg。質量減輕10.9%,效果較好。


        5 總 結


        本文探索一條汽車車身設計和分析方法,并行虛擬樣機方法,加快了開發周期,節約了高額開發費用,降低了研發成本。在具體的研究中,利用CAD軟件的強大功能,特別是復合建模功能,成功地運用各種技巧對客車車身骨架結構進行了設計;利用數據接口進行軟件間的數據交換,保證了設計和分析計算機模型的一致性,減少了誤差的積累,并使設計和分析做到了并行進行。


        在進行可靠性分析時,采用了可靠性作為約束條件,先進行數據預處理,使之符合截尾壽命數據的要求,進而采用先行回歸擬合法把預處理的數據進行統計。由于車身各部分分布形式不一,采用當量正態化方法進行歸一化處理,并在此基礎上轉化為標準正態分布形式,推導出可靠度求解方程,并進行了線性化。


        在優化方面,選取截面空間尺寸為設計變量,并進行了設計變量的縮并,從而簡化了求解過程。結合可靠性和優化設計兩大理論,進行優化設計研究,并提出了同時解決這兩大問題的優化方案,建立了優化數學模型,并給出了求優方法。把可靠性和優化設計兩大理論結合起來應用到車身設計中去,此時可靠性作為優化數學模型的一個約束條件加入進去。

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        沙發
        似木頭似石頭丶 發表于 2015-1-18 12:04:38 | 只看該作者
        比較全面的內容,不過樓主有SE工程方面的資料嗎,或者對這方面有了解嗎
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        板凳
        imvff 發表于 2015-3-7 10:06:43 | 只看該作者
        嘿嘿~奸笑中!












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        地板
        lonhanwv0 發表于 2015-4-1 06:56:05 | 只看該作者

        謝謝樓主分享

        謝謝樓主分享,UC真是好東西啊 看那種站排版超級贊 男人必備你懂的
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        5#
        dqh289 發表于 2015-4-9 23:42:25 | 只看該作者
        樓主以上知識你都掌握了嗎
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        6#
        f2554833 發表于 2015-4-16 22:14:10 | 只看該作者
        頂!!!!!!!!!!












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        7#
        lonhanwv0 發表于 2015-4-21 23:15:28 | 只看該作者

        沙發

        沙發,UC看那種你懂的網站比其他瀏覽器好一萬倍,不服來辯!!
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        8#
        明明是我 發表于 2015-4-22 12:04:14 | 只看該作者
        非常好評     。。。。。。。。。
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        9#
        我就是神 發表于 2015-4-24 21:25:42 | 只看該作者
        似木頭似石頭丶 發表于 2015-1-18 12:04
        比較全面的內容,不過樓主有SE工程方面的資料嗎,或者對這方面有了解嗎

        SE屬于工藝。汽車設計重點是對產品負責。請不要搗亂,這樣會讓樓主尬尷的
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        10#
        lonhanwv0 發表于 2015-5-7 15:23:55 | 只看該作者

        前排留名

        &nbsp,用UC看男人都喜歡的那種網站,排版真心給力,真是不忍自視!;前排留名
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