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结构分析

2017-11-23 10:52

1.概述
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????汽车CAE产品研发中的应用在汽车产品研发的整个过程中,CAE产品分析可以对汽车结构的强度、刚度、车辆的振动噪声(NVH)、舒适性(平顺性)、耐久性、多刚体动力学、碰撞、乘员的安全性,以及动力总成(发动机和变速箱)的性能等方面进行模拟(仿真)分析、预测结构(场)的性能、判断设计的合理性、优化结构设计。此外,用CAE产品数据分析还可以对冲压成型、铸造和锻造的工艺过程进行模拟分析,优化结构设计,解决产品质量问题。
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????现代汽车开发是一个综合与分析的互逆过程。综合与分析在汽车产品开发的不同阶段,发挥不同的作用,从概念设计到详细设计的开发流程,实际是一个从系统综合到系统分析的流程。在开发阶段初期,有充分的设计自由度,但有关设计的参数、数据则较少,我们关注的是产品的整体性能,例如:平顺性、操纵稳定性等,利用Nasran软件,我们能够在设计初期结合试验数据、客户意见反馈设定好整车设计性能指标(设计目标);在详细结构设计阶段,根据整车性能指标,逐级分解到车身、底盘等各个子系统、零部件上,最终体现在结构的各个设计参数上。
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2.汽车CAE产品结构设计过程
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????现在国内产品设计更加整合已有资源、优化配置,更加强度产品的整体性能,比如平顺性、操纵稳定性,高端的在整车NVH方面有更高的要求。无论是商用车还是乘用车,车身设计一直是现代整车设计的核心技术,有限元在车身设计发挥的作用远超过其他方面,下文结合IDEAS CAE、Nastran软件介绍有限元在车身设计的各个阶段发挥的不同作用。
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??2.1 整车性能设计
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????汽车的平顺性主要是指保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响,是现代高速汽车的主要性能之一。研究对象主要是整车悬架系统、前后轴荷、整车惯性质量等,利用IDEAS CAE产品人性化的前处理界面和Nastran丰富的单元库,能在概念设计阶段快速、准确的建立多自由度整车和动力系统模型,进行模态、瞬态响应、随机响应分析,对整车系统的平顺性、人体的响应做出评估;结合试验、先期客户反馈意见、专业人士主观评价,设立设计目标,指导后继结构设计。
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????利用Nastran提供的SOL 200求解序列,可以以悬架系统的刚度、阻尼为设计变量,根据国家标准化组织的要求对各个频段频率进行加权优化,设计出平顺性最佳的前后悬架刚度、阻尼系数。
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??2.2 车身结构设计
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????2.2.1 车身截面、接头设计
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????接头(Joint)和梁(Beams)是决定整车刚度和全局模态的主要因素,它们控制着整车低频的Boom和振动(Shake);截面特性(Section Property)决定了梁的特性。因此,通过对截面形状、厚度以及结构特性的分析,在汽车概念设计阶段,初步估计和评价标杆样车的主要承载结构的抗弯、抗扭模量、截面面积,对整车的部件的设计和结构改进有着重要的指导意义。IDEAS CAE产品分析提供了丰富的截面库,同时,允许用户建立任意形状的梁截面。
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????2.2.2 车架、车身模态分析
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????刚度不足,将会引起车身的门窗、发动机舱口等发生变形,导致玻璃破碎、车门卡死等现象;同时,低刚度必然伴随低的固有频率,易发生结构共振和噪声,影响人的乘坐舒适性。利用Nastran SOL103 进行结构、声腔模态求解,可以在设计初期识别系统整体、局部模态频率、振型;结合整车设计要求,对不同频率、各个子系统之间的相互作用做出评估,从而采取合适的设计策略合理的分布车身系统的频率;同时根据计算结果,对于影响室内噪声的部位,在考虑成本、安装条件、设计目标的选取合适的阻尼材料,达到最优的减振、降噪目的。
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????现代车身用骨架构件加薄钢板互相连接,形成承载结构的“网络”,它们之间互相依存。车身设计十分强调承载结构的合理性,不论受静力还是受变化的力,车体本身各部分都要和谐地变形,没有特别薄弱的环节。利用模态分析,可以帮助设计工程师确定车身薄弱环节,在最少的设计循环下,找到合理的改进措施。
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????强度不足则引起车身构建早期出现裂纹和疲劳断裂。利用Nastran SOL101 进行强度分析,可以在设计阶段提前发现车身构件的薄弱环节、刚度变化是否合适,快速实现各个设计之间的对比,减少设计开发的盲目性。
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????2.3 整车有限元分析
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????在IDEAS CAE模块中建立整车模型,通过强度、刚度计算,可以发现各个部件之间、各个系统的力的传动关系,检验与设计目标是否相符;通过模态分析,可以发现各个系统之间的频率分布,指导NVH设计。结合Nastran SOL200 可以同时考虑模态、整体刚度、关键部位强度对各个部件的设计灵敏度等进行计算,在保证强度的前提下,进行减重设计、部件优化。
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3.结论
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????由于汽车在批量生产以后改进设计的成本显着地高于汽车在研发初期改进设计的成本,汽车CAE产品的模拟分析主要应用在工艺设备、模具和样车制造之前,也就是从汽车产品研发初期就开始用CAE进行模拟分析,及时发现产品设计中的隐患,优化结构设计,提高产品质量,使汽车满足国家的法规和用户的需求。通过CAE的优化分析,有关部门可以只对一种较优的设计方案进行试制和试验,减少试制费用,缩短新产品的研发周期,使新产品早日投入市场,增强企业的竞争力。在汽车产品批量生产以后,CAE分析主要用于解决汽车在使用过程中发生的质量问题。CAE、CAD和试验分析相结合,显着地提高了汽车产品研发的水平。尽管现在车辆的道路试验和用户使用仍然是评价车辆性能唯一有效的途径,但是CAE的最终目标是用虚拟样车的分析完全代替车辆试验。虽然目前还没有实现,但这是努力的方向。


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