譯文-汽車設(shè)計(jì)概念階段白車身接頭與梁式結(jié)陽構(gòu)優(yōu)化的簡化模型

1、 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書報(bào)告用紙 第15頁 共15頁編號： 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文翻譯（譯文）題 目： 新型微型拖拉機(jī)外觀 及主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 副 教 授 題目類型：理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) 2010年5月23日汽車設(shè)計(jì)概念階段白車身接頭與梁式結(jié)構(gòu)優(yōu)化的簡化模型摘要本文提出了一種替代汽車模型構(gòu)造中的梁式結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)的工程方法。其最終目的是為設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)建一個汽車零部件概念模型提供一種有效方法。在汽車設(shè)計(jì)的早期，利用 nvh優(yōu)化方法對白車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

2、。所提出的方法是基于簡化梁與節(jié)點(diǎn)建模方法，其中涉及到梁構(gòu)件截面幾何分析和接點(diǎn)的靜態(tài)分析。第一個分析旨在確定梁中心節(jié)點(diǎn)和計(jì)算的等效梁屬性。第二個分析目的在于通過靜壓下的復(fù)雜有限單元模型，建立由有三個或以上的梁構(gòu)件通過的接點(diǎn)的簡化模型。為了驗(yàn)證所提出的方法，列舉由簡化模型取代梁式結(jié)構(gòu)和汽車車身上部區(qū)域的接頭的工業(yè)研究個案，兩種靜態(tài)載荷分別作用于原始模型和簡化模型上并比較了兩種模型的全車扭矩剛度和彎矩剛度，所采用的比較方法與oem公司使用的標(biāo)準(zhǔn)是相同的。也對兩種模型的全局頻率與模態(tài)震型方面做了動態(tài)性能分析比較。在高度競爭的市場中，設(shè)計(jì)工程師面臨著的挑戰(zhàn)就是遵從復(fù)雜且有可能相互矛盾的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)新產(chǎn)品

3、。在汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，為完善汽車的各項(xiàng)功能性，如安全，降低噪音和振動，注重環(huán)保等任務(wù)，使越來越多的困難，由推出新產(chǎn)品或更新現(xiàn)有模式。為了使復(fù)雜的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與降低上市時間相適應(yīng)，就需要將計(jì)算機(jī)輔助工程（cae）設(shè)計(jì)方法用于汽車設(shè)計(jì)的早期階段。近來，為了使汽車設(shè)計(jì)人員在汽車功能已經(jīng)確定、但詳細(xì)的幾何數(shù)據(jù)還不明確的概念階段利用cae進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究人員花費(fèi)了不少精力。其目的是要改善初始cad設(shè)計(jì)，從而縮短了設(shè)計(jì)周期。在nvh和碰撞安全性的預(yù)測領(lǐng)域，研究人員已經(jīng)提出很多概念建模方法。它們可以分為三類：基于前任有限元模型方法，零開始方法，并行計(jì)算機(jī)輔助方法。我們提出的方法屬于第一類，其中涉及網(wǎng)格變形和概念改性的

4、方法，被用來設(shè)計(jì)一個現(xiàn)有車型的變量或增量改進(jìn)。利用前任有限元模型，完成cae早期預(yù)測，可以找出cad設(shè)計(jì)所存在的問題并提出可能的對策。如果一個新的概念車已經(jīng)被設(shè)計(jì)好，但前任有限元模型又不可用，可以利用“零開始方法。兩種方法有明顯的區(qū)分。第一類是拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，主要用于減少初始可接納設(shè)計(jì)模型的材料從而降低結(jié)構(gòu)重量，但又不影響功能要求。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)通常是優(yōu)化模型的形狀和尺寸?！傲汩_始方法”屬于“功能布局設(shè)計(jì)”，目的在于建立由梁、接點(diǎn)、板構(gòu)成的簡單概念模型，它表示功能布局以及功能預(yù)測。cad 與cae并行設(shè)計(jì)方法，也可在設(shè)計(jì)過程的早期階段。cad 與cae并行設(shè)計(jì)方法可以在組件級cad模型已經(jīng)建立但車

5、輛級模型還不確定階段提供模擬結(jié)果。在基于前任有限元建模方法中，最近donders.等人提出“減少梁和節(jié)點(diǎn)建?！钡姆椒āＲ愿纳栖嚿淼膎vh基本情況。所提出的方法建立了一個在梁的中心節(jié)點(diǎn)減少模態(tài)模型，模型中可以添加梁構(gòu)件和連結(jié)點(diǎn)，從而可以完成概念車身修改與動態(tài)降噪減振性能的準(zhǔn)確預(yù)測。商業(yè)軟件包lms虛擬實(shí)驗(yàn)室，有“減少梁和節(jié)點(diǎn)建?！钡姆椒ㄓ押媒缑?。設(shè)計(jì)工程師可以定義一個梁和節(jié)點(diǎn)布局，計(jì)算車身減少梁和節(jié)點(diǎn)模態(tài)，完成車身梁構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)。文中，“簡化梁和節(jié)點(diǎn)建?！钡姆椒康脑谟谔娲叭斡邢拊椒?。在確定作為橫截面的幾何中心點(diǎn)的梁中心點(diǎn)后，利用幾何分析方法可以計(jì)算等效梁特性和減少梁構(gòu)件。幾何

6、方法計(jì)算薄壁梁的剛度參數(shù)，手段，必須考慮薄壁梁的局部變化和不連續(xù)性（孔，焊接，加強(qiáng)筋）需要。為此，可以用更新過程迭代模型方法，估算每一個梁部件的修正因子。在下一步的工作，可以通過一個靜態(tài)減少詳細(xì)有限元模型而獲得節(jié)點(diǎn)。為了驗(yàn)證所提出的方法，列舉了一案例，車身上部的梁與節(jié)點(diǎn)用一簡單模型替代。案例中通過對在車身的原始模型和簡化模型的完全有限元和在扭力與彎曲作用力下的靜態(tài)剛度評估，完成了靜態(tài)比較。通過全局頻率與模型震動比較，完成兩模型的動態(tài)比較分析。donders.等人提出“簡化梁和節(jié)點(diǎn)建模”的方法，目的在于有效地修改車身的梁與節(jié)點(diǎn)。其基本思想是找出所謂的梁的中心點(diǎn)，并在中心點(diǎn)上創(chuàng)建一個簡化模型。隨后

7、通過簡化梁與節(jié)點(diǎn)減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。本文簡化梁與節(jié)點(diǎn)模型完全取代原始有限元模型，這樣，車身的優(yōu)化在概念設(shè)計(jì)就可以完成，同時可以得到一個詳細(xì)的車身結(jié)構(gòu)。在本節(jié)中，概述了估算簡化梁與節(jié)點(diǎn)模型的質(zhì)量和剛度性能過程梁類構(gòu)件，具有其縱向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了橫向尺的特點(diǎn)，是在車身的主要結(jié)構(gòu)因素。是車身的固有頻率重要影響因素。在車輛的有限元模型，梁狀成員通常是薄壁結(jié)構(gòu)，由殼單元組成。為了用簡化梁取代梁的細(xì)格單元，要詳細(xì)考慮眾多的梁截面和并計(jì)算每根梁的等效梁屬性。為此目的要實(shí)施下面的過程：（1）在梁部件的交叉平面上選擇一切點(diǎn)。（2）在軸坐標(biāo)系統(tǒng)中定義梁的近似方向和交叉面（3）以找到在原截面梁中心節(jié)點(diǎn)的幾何中心，對主梁上

8、的沿平面交叉口的殼元素 進(jìn)行切割和分析（4）在這里，x表示梁方向，yz平面是平面交叉，如圖1所示。對于任意截面屬性的計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算所屬的橫截面每個網(wǎng)格單元的等效梁屬性，根據(jù)區(qū)域主軸 (xi, yi, zi).。然后，從區(qū)域軸體系，轉(zhuǎn)化到交叉平面（x，y，z）。最后，對所有殼單元綜合計(jì)算以找到該截面的全局屬性。梁中心節(jié)點(diǎn)通過插值關(guān)系連接周邊網(wǎng)格中。這些關(guān)系由每個梁中心節(jié)點(diǎn)和特定節(jié)點(diǎn)組確定。通常情況下，為了計(jì)算主梁部件的等效梁屬性，需要確定一系列的交叉平面。整個梁部件可以用一系列的從有限元庫里面提取的線性梁部件表示。圖二所示的原始車身有限單元模式和簡化的有限元模式。 為補(bǔ)充2.1節(jié)描述的簡化

9、梁模型，本節(jié)將描述一個車身梁部件連接點(diǎn)簡化過程。評估由接點(diǎn)連接的梁部件的等效梁特性后，可以得到一組包括梁位于連接端面上的梁中心節(jié)點(diǎn)的插值元素的節(jié)點(diǎn)組15。如圖 3所示，示例中，連接車身右柱和車頂支架的接點(diǎn)網(wǎng)格從整車身提取出來，因?yàn)檫@個獨(dú)立接頭模型，可以用guyan簡化法計(jì)算一個接點(diǎn)代表該模型。guyan簡化法18，也稱為靜態(tài)縮合法，是用來簡化結(jié)構(gòu)有限元剛度和大矩陣的方法。對于任意結(jié)構(gòu)，其靜態(tài)有限元矩陣方程可以由k（剛度矩陣），f（力）和x（位移向量）得出。 (1)通過確定邊界自由度，必定存在一個內(nèi)部自由度的解，方程（1）可以用方程（2）分解。 (2)其中o與t分別代表內(nèi)部自由度和邊界自由度。

10、通過公式（2）內(nèi)部位移量可以用以下公式表示： （3）通過將靜態(tài)簡化矩陣可以得到以下方程： （4 ）其中是簡化載荷向量，是剛性矩陣同樣的變換可以用在簡化邊界自由度的大矩陣上，從而可以得到一個簡化系統(tǒng)和進(jìn)行動態(tài)分析。然而，guyan簡化法是一種近似簡化法，為簡化大矩陣，必須假設(shè)內(nèi)部力對結(jié)構(gòu)的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外部力產(chǎn)生的彈性形變對結(jié)構(gòu)的影響，也就是部件剛度非常高或者局部動態(tài)影響可以忽略，因而簡化的準(zhǔn)確度是有條件的。對于每一個孤立的接點(diǎn)模型，guyan簡化法把梁中心點(diǎn)自由度看作邊界自由度，然后有限單元模型簡化為一個由剛度與大矩陣組成的超級元。對于典型的汽車關(guān)節(jié)點(diǎn)，關(guān)節(jié)點(diǎn)間的剛性對車身的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)質(zhì)量

11、分布的影響，的最終點(diǎn)的剛度關(guān)系有一個比大規(guī)模的聯(lián)合精確分布全球性機(jī)構(gòu)的行為更強(qiáng)大的影響力?；谶@個原因，guyan簡化法簡化節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以看作是一個近似選擇 。圖4顯示了一個工業(yè)車身模型，由123塊板組成，板塊是由線性殼單元模擬組成。車身組合面板大概有約3000個焊接點(diǎn) 。在有限元模型中，用六角形固體單元表示 。為了驗(yàn)證前面章節(jié)所述的梁與節(jié)點(diǎn)簡化法，圖4中，b1到b5塊梁，用等效簡支梁代替。a、b還有縱向和橫向的車頂支架 總共10根梁被替換。對稱排列四個節(jié)點(diǎn)，圖4中的j1, j2, j3 和 j4，被靜態(tài)簡化。圖 5顯示了簡化的白車身模型，其中殼結(jié)構(gòu)梁節(jié)點(diǎn)梁取代。梁的數(shù)量和長度依據(jù)原始網(wǎng)格選定。

12、車身上的節(jié)點(diǎn)有限員模型被從車身有限員模型上刪除，并用靜態(tài)超單元代替。為了驗(yàn)證所提出的方法，評估了整車性能的靜態(tài)和動態(tài)的指標(biāo)。評估指標(biāo)從原白車身模型與簡化（或概念）模型上獲得。為了評估靜態(tài)指標(biāo)，需要計(jì)算白車身的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度。車身后懸架固定，靜態(tài)垂直力作用在前懸架上（圖6中a和b），由力作用點(diǎn)位移和可以計(jì)算出扭轉(zhuǎn)和彎曲所產(chǎn)生的彎矩角和扭矩角，計(jì)算公式如下： （5） (6)其中l(wèi)和w表示的軸距和車寬。利用扭矩角，可以確定扭轉(zhuǎn)剛度： （7）其中是作用前懸架上兩個方向相反作用力形成的力矩。同樣的彎曲剛度計(jì)算公式如下: （8）其中作用在前懸架上的垂直力。 通過對圖4和圖5所示的兩個模型的有限單元分析

13、，可以得出兩種白車身模型的剛度特性。表1列出了兩種白車身模型的扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度指標(biāo)，結(jié)果顯示簡化白車身模型的彎曲特性非常接近原始白車身模型，但是扭轉(zhuǎn)剛度方面兩者誤差超過10，這就表示需要一個修正參數(shù)來提高準(zhǔn)確性，這將在第4節(jié)繼續(xù)討論。為了比較的簡化模型和原始模型的動態(tài)行為，通過在0 - 50赫茲的低頻率范圍的有限元分析估算了白車身的頻率與模態(tài)，當(dāng)模態(tài)處于自由條件下的時候，前六模態(tài)是剛性模態(tài)，從第7模態(tài)開始，發(fā)現(xiàn)了車身固有模態(tài)。原始車身模型在測定頻率區(qū)域內(nèi)有10個非剛性模態(tài)，其中只有5個是是白車身的全局模態(tài)，因?yàn)槠渌B(tài)在結(jié)構(gòu)上有局部變形。將5個全局模態(tài)的本征頻率值作為評價(jià)原始模型與概念模型相

14、關(guān)性的動態(tài)指標(biāo)。表2，列出了兩種模型的全局頻率。動態(tài)特性比較表明，概念車模型的整體結(jié)構(gòu)的剛度估算過高，車身固有頻率也偏高了0.156.70%。表1概念模型和原始模型的有限元分析出的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。扭轉(zhuǎn) 彎曲原始模型 概念模型 原始模型 概念模型剛性（牛米/弧度） 1.456e+05 1.603e+05 5.013e+04 5.036e+04 (%) 10.15 0.45n模態(tài)形狀 頻率（赫茲） macii 原始模型 概念模型 (%)1 第一扭轉(zhuǎn) 18.22 19.28 5.82 0.992 第二扭轉(zhuǎn) 26.13 27.88 6.70 0.9683 側(cè) 彎 39.36 40.01 1.65 0.

15、9894 垂直彎曲 41.73 42.12 0.93 0.9895 混合扭轉(zhuǎn)+彎曲 47.85 47.92 0.15 0.99為了進(jìn)一步比較兩種模型的模態(tài)震型采用了模態(tài)置信度準(zhǔn)則 。v1和v2是分別為原始模型和修正模型的模態(tài)矩陣，模態(tài)矩陣v1 i與模態(tài)矩陣v2j的相關(guān)系數(shù)在文章 里有論述。顯示了mac矩陣結(jié)果，由原始模型和概念模型的所有公共模型演化而來。如表2中列出mac對角線值，表明概念模型在模態(tài)震型方面非常接近原始模型?；谇笆龅撵o態(tài)和動態(tài)分析的結(jié)果，可以得出這樣的結(jié)論：通過幾何算法得出的過高的薄壁梁的剛度，造成了車輛整體剛度的高估。這樣的結(jié)果是與其它研究論文16,17是一致的，考慮到梁的

16、局部變化變化和連續(xù)性（洞，當(dāng)場焊接，加勁），需要引入一個修正因子?；谶@個原因，修正系數(shù)被定義為每個剛度參數(shù)的實(shí)際值與標(biāo)稱值之間的比例。例如，根據(jù)這樣的定義，等效梁端面剛度參數(shù)可以由以下公式給出。其中iyy.nom和izz.nom是通過2.1節(jié)中描述的幾何方法計(jì)算得出的剛度參數(shù)，而cyy和czz是相應(yīng)的修正系數(shù)。下一小節(jié)將論述如何利用模態(tài)修正算法獲得一系列的校正因子。為了利用模態(tài)修正算法獲得修正因子，使用了圖8所示的虛擬測試。車身被定位在后懸架（點(diǎn)c和d）和靜態(tài)載荷加在前懸架上（點(diǎn)a和b）。 估算了10個控制點(diǎn)p i（i = 1 ,., 10）的位移，并將原始模型作為參考，對簡化模型進(jìn)行比較。

17、下面函數(shù)定義了原始模型和簡化模型靜態(tài)負(fù)載響應(yīng)的偏差。其中c1,.,cn是校正因子，下表標(biāo)a和r分別代表實(shí)際模型和參考模型，尋找修正因子向量的優(yōu)化問題，可以看作是最小化兩個模型最小偏差的過程。 最小函數(shù)f ( c1,.,cn)假設(shè)i 1 *i2 i12表3 b1 b2 b3 b4 b5ixx 0.260 0.157 0.311 0.007 0.001iyy 0.933 0.391 0.771 0.079 0.011izz 0.761 0.455 0.893 0.192 0.219ixy 0.809 0.371 0.812 0.113 0.001其中不等式，確保了方程有一個修正因子的有效解。修正因

18、子的最優(yōu)有效解可以通過遺傳算法獲得 。為此通過公式，上述定義的約束問題轉(zhuǎn)化為一個無約束問題：在約束條件無效的情況下，為目標(biāo)函數(shù)增加一較大的成本值。這樣可以確保無效解比有效解有一個更大的目標(biāo)函數(shù)。這使算法的收斂于全局最優(yōu)解，原來的約束問題就轉(zhuǎn)換為無約束問題：表3列出了兩個彎曲剛度梁更換所有成員評估參數(shù)校正因子的最優(yōu)值。采用幾何算法計(jì)算等效梁參數(shù)，認(rèn)為每個梁、甚至是車頂橫梁的橫截面是封閉的，這是校正因子偏低的（明顯低1）主要的原因。特別車頂橫梁，是通過膠水連接而成的，其柔性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊接連接。因此，通過幾何算法得到的車頂橫梁剛度明顯高于其它梁部件。扭轉(zhuǎn)和彎曲的原始和最終概念剛度有限元模型。表4 扭轉(zhuǎn)

19、 彎曲 原始模型 最終概念模型 原始模型 最終概念模型剛性（牛米/弧度） 1.456e+05 1.462e+05 5.013e+04 5.024e+04% 0.46 0.22表5在原始和最終概念有限元模型的全局頻率和模態(tài)的形狀之間的動態(tài)比較。型n 頻率（赫茲） macii 原始模型 最終概念模型 %1 18.22 18.22 0.01 0.992 26.13 26.09 -0.15 0.9983 39.36 39.31 -0.12 0.9984 41.73 41.99 0.62 0.9785 47.85 47.52 -0.68 0.984最后，表4和表5原始模型和修正后的簡化模型在靜態(tài)剛度，固

20、有頻率和模態(tài)震型的對比。結(jié)果表明，最終的概念模型與原始模型，無論是靜態(tài)性能還是動態(tài)性能都非常接近。本文提出了一種替代汽車模型構(gòu)造中的梁式結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)的工程方法。為了驗(yàn)證所提出的方法，列舉了一案列，其中a柱，b柱和車身車頂梁用等效梁模型代替。連接上述梁式結(jié)構(gòu)的4個節(jié)點(diǎn)，用細(xì)網(wǎng)格單元替代。靜態(tài)扭矩負(fù)載和彎巨負(fù)載分別作用在原始模型和簡化模型上，并對其結(jié)果做了比較。試驗(yàn)結(jié)果表面原始模型和簡化模型在扭矩剛度和彎矩剛度的偏差分別為0.46和0.22。簡化模型在頻率于模態(tài)震型等方面的動態(tài)性能表現(xiàn)也非常接近原始模型。要全面準(zhǔn)確地車輛動態(tài)行為預(yù)測模型的簡化。更具體地說，在兩種模式的最高固有頻率差異為0.68、ma

21、c值差為2.2的。上述的定量結(jié)果表明，在滿足商業(yè)要求的情況下，概念模型車可以運(yùn)用于汽車的早期設(shè)計(jì)階段。總之，實(shí)現(xiàn)了一個可行的獨(dú)立梁及關(guān)節(jié)替代構(gòu)思，該構(gòu)思使全局的靜態(tài)和動態(tài)特性得到精確近似值。替代方案中的剛度校正因子可以通過一個優(yōu)化過程得到。自然就建立了一個替換模型，一旦更換模型已經(jīng)建立，模型中可以快速優(yōu)化概念，也可以很容易的實(shí)現(xiàn)單獨(dú)一根梁的替代，這在復(fù)雜的網(wǎng)格單元中是很難實(shí)現(xiàn)的。本文所介紹研究工作屬于i.w.t. vlaanderen所支持“分析引領(lǐng)設(shè)計(jì)-前沿?cái)?shù)字功能、性能工程”的框架結(jié)構(gòu)中。參考資料 1 k. volz, car body design in the concept stag

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30、41651.14 s. donders, y. takahashi, r. hadjit, t. vanlangenhove, m. brughmansa, b. vangenechten, w. desmet, a reduced beam and joint concept modeling approach to optimize global vehicle body dynamics, finite elem. anal. des. (2009), 一個概念車的設(shè)計(jì)過程摘要本文描述概念原型車設(shè)計(jì)和制造過程。該項(xiàng)目是從aveiro大學(xué)學(xué)生和matosinhos藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)校的設(shè)計(jì)人員之

31、間的合作的結(jié)果。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是參加法國 1998年殼牌生態(tài)-馬拉松比賽獎。設(shè)計(jì)過程實(shí)質(zhì)上集中了唯美主義與車輛制造。icaru概念車靈感來源與翅膀，因此該項(xiàng)目的名稱是與希臘神話相關(guān)聯(lián)。 本文重點(diǎn)在于描述材料選擇與復(fù)合復(fù)雜幾何曲面的制造。 關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì)，產(chǎn)品開發(fā)，原型車，設(shè)計(jì)教育;復(fù)合材料1 簡介材料是眾所周知的事物。而設(shè)計(jì)呢？對于不同的人，設(shè)計(jì)可以表示不同的概念。一般人不知道如何完成某些對象的理念/概念設(shè)計(jì)到制造過程。一些人認(rèn)為設(shè)計(jì)就是產(chǎn)品的美學(xué)化，另一些人認(rèn)為設(shè)計(jì)將不同領(lǐng)域但相關(guān)的知識結(jié)合在一起。設(shè)計(jì)是一個將理念轉(zhuǎn)化為的生產(chǎn)的過程。對于機(jī)械工程師而言，設(shè)計(jì)可以被定義為利用科學(xué)原理、技術(shù)

32、、想象力使某產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)既定功能情況下利益、效率最大化設(shè)定。設(shè)計(jì)師的責(zé)任在于使產(chǎn)品從概念到生產(chǎn)，以及產(chǎn)品使用過程中的維護(hù)。繼charles 和 crane后，設(shè)計(jì)是一個復(fù)雜的過程，目的在于在一些必要的規(guī)定條件下生產(chǎn)某樣?xùn)|西。設(shè)計(jì)過程有四個特征：功能；美學(xué)；制造工藝；成本。前三點(diǎn)被認(rèn)為是概念車的設(shè)計(jì)過程，即功能，美學(xué)和制造工藝。由于要達(dá)到icarus項(xiàng)目的目標(biāo)，成本不在車輛設(shè)計(jì)過程中的考慮范圍。法國殼牌在過去的幾年里舉辦了稱為“殼牌環(huán)保馬拉松”的節(jié)油比賽。比賽的目標(biāo)是檢測設(shè)計(jì)構(gòu)思，使原型車輛的普通熱發(fā)動機(jī)燃料消耗最小化，并促進(jìn)原型車的研究與開發(fā)。獎項(xiàng)的本質(zhì)體現(xiàn)了制造工藝中設(shè)計(jì)美學(xué)的結(jié)合。協(xié)調(diào)性和原

33、創(chuàng)性是需要考慮的重要因素。至于車身、前部和后部的美學(xué)，功能，材料選擇也是重要評獎指標(biāo)。由于汽車的駕駛不用考慮人體工程學(xué)，因此司機(jī)的駕駛艙可有可無，但駕駛控制輔助功能、舒適性、通風(fēng)性以及道路和障礙的能見度是重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，在設(shè)計(jì)過程中必須被考慮到。視覺效果也在設(shè)計(jì)的要求中，因此必須注意的基本顏色、色彩的協(xié)調(diào)性、圖形集成。車身內(nèi)部、外部的光潔度也要重點(diǎn)考慮。 icarus項(xiàng)目是aveiro大學(xué)三個系的學(xué)生（機(jī)械工程系、電子與通信工程系和環(huán)境系）和matosinhos藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院的設(shè)計(jì)師共同開發(fā)。在概念設(shè)計(jì)、制造工藝和材料的選擇等方面進(jìn)行深入研究。將不同的目標(biāo)集成一體：概念車的設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)在教學(xué)方面的

34、利用。這些類型的項(xiàng)目可以讓學(xué)生有效地學(xué)習(xí)工程和設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)。除了學(xué)術(shù)教學(xué)價(jià)值外，也更利于學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。學(xué)生們在研發(fā)既定目標(biāo)也更有動力。在整個項(xiàng)目的發(fā)展，我們感受到了學(xué)生的激情與奉獻(xiàn)，也更利于學(xué)生學(xué)習(xí)其他知識，如材料科學(xué)、工程技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造，電子技術(shù)，遙測技術(shù)，流體力學(xué)和設(shè)計(jì)溝通。本文的目的是介紹概念車的研發(fā)過程，從概念到原型制造，涉及不同的設(shè)計(jì)知識/工程領(lǐng)域。圖 1設(shè)計(jì)的不同。本文只對圖中灰色部分做了論述，既概念設(shè)計(jì)、材料選擇、車體設(shè)計(jì)。2 概念設(shè)計(jì)希臘神話中icarus and daedalus的故事是一個眾所周知的故事。其中的故事，minos講述了icar

35、us 和 daedalus逃離迷宮采用的方法。由父親daedalus出注意，他們將羽毛用蠟燭粘在自己的身上作為翅膀，飛越迷宮。icarus由于太接近太陽，蠟燭融化掉進(jìn)海里。在這個故事中，翅膀被用來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的因素。作為一個概念翅膀，一直使歷史上的人類著迷，自從列奧納多達(dá)芬奇后，人們對翅膀進(jìn)行了廣泛的研究。達(dá)芬奇是第一位從技術(shù)角度考慮飛行的可能性的人，通過對鳥類的研究和解剖，他的筆記本記錄了大量飛行器的草圖，這些飛行器通常由震動翅膀完成。至于icarus汽車研發(fā)也基于翅膀，與空氣動力學(xué)原理密切相關(guān)，以汽車在運(yùn)動中的重量降低和與地面的摩擦降低為假設(shè)。通過前期的研究和草圖繪制，使用studio 8.0

36、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對icarus的幾何模型修改。圖2顯示了車輛和駕駛員的線框模型。圖3是計(jì)算機(jī)繪制車輛透視圖像，圖4是圖像的正交投影。兩個模型比例1:10，由聚氨酯（ureol）材料加工而成，用來分析汽車的美學(xué)性能和體積尺寸，然后用試驗(yàn)的人體工學(xué)的資料將其優(yōu)化（圖5）。用一個1:5的模型進(jìn)行空氣動力學(xué)研究。人體工程學(xué)的研究主要考慮到駕駛員的固有物理特性，主要是它的高度（1.65米），和非人性化的駕駛位置。最后通過考慮駕駛員的幅度視場（能見度），駕駛姿勢和無障礙（手和腳）的駕駛的操作得到優(yōu)化圖形。對于這些研究，試驗(yàn)中駕駛員的體位資料是在計(jì)算機(jī)生成的，如圖2和圖 5所示意，可以盡可能的降低汽車的尺

37、寸，從而減少汽車的重量。駕駛員的能見度只能是汽車前面到兩側(cè)的90幅度。該模型還可以修正駕駛員的腿和腳的位置，以及確定的腳和手命令的位置。為了提高駕駛舒適，座椅是基于符合人體工程學(xué)生產(chǎn)的。為此，座位的幾何表面是通過在駕駛姿勢下將駕駛員放入駕駛倉獲得的。座位里是液體聚氨酯，有環(huán)氧涂層和柔性泡沫覆蓋層。3 原型車制造材料在概念設(shè)計(jì)中有著關(guān)鍵作用，在設(shè)計(jì)過程中的作用也非常重要。如今，材料的選擇幾乎是無限的，對于設(shè)計(jì)者來說既是壞消息也是好消息。好的方面是，設(shè)計(jì)者可以找到合適的，甚至是，各類設(shè)計(jì)參數(shù)綜合后優(yōu)化的參數(shù)。壞的方面是，很難找到一個已經(jīng)被證實(shí)的最合適的材料。材料的選擇在設(shè)計(jì)過程是重要的一環(huán)，應(yīng)該是

38、盡可能量化。材料的選擇通常是由開發(fā)新產(chǎn)品或是滿足某種新功能或是彌補(bǔ)產(chǎn)品現(xiàn)有的缺陷引起的。材料的選擇是由產(chǎn)品的功能決定，并與潛在的制造工藝交互考慮，將原始材料轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的。該車輛的形狀限制了我們對傳統(tǒng)的和先進(jìn)的復(fù)合材料選擇。事實(shí)上，為得到車身的到預(yù)期的形狀，材料的選擇是一重要參數(shù)。設(shè)計(jì)過程，如圖1所示。關(guān)于概念的定義包括，三維cad模型，符合人體工程學(xué)的研究，比例模型制造，設(shè)計(jì)和制造的底盤，車身（駕駛室），驅(qū)動鏈條，制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)調(diào)整和適應(yīng)，空氣動力學(xué)測試，電子，遙測實(shí)施。底盤，一個重要的汽車結(jié)構(gòu)件，可使用復(fù)合材料制造，或由一個傳統(tǒng)的焊接管狀結(jié)構(gòu)體系。然而，由于該車輛的幾何形狀，復(fù)合

39、材料被用來制造汽車底盤。底盤和座艙結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)中作為一整體結(jié)構(gòu)，用的cad / cam技術(shù)和先進(jìn)復(fù)合材料鑄造成型。汽車結(jié)構(gòu)件的區(qū)分是根據(jù)其結(jié)構(gòu)的重要性，因此要生產(chǎn)不同的汽車構(gòu)件模具。該策略包括對從低密度（100 kg/m3）的聚氨酯泡沫材料加工到模具模塊化部件制造。由模塊模具加工的汽車部件見圖6所示。有四個汽車模具，即在底盤，駕駛艙車身，前部和后部的封蓋。駕駛員視覺部分由丙烯酸材料模具加工而成。由于數(shù)控機(jī)床（米克朗的vce 500 fanuc的控制器）的限制，模具由幾塊模塊組成。該車輛計(jì)算機(jī)模型數(shù)據(jù)的利用powershape / powermill的cad / cam軟件轉(zhuǎn)換為操縱數(shù)控加工策略和

40、模具加工數(shù)據(jù)。圖7顯示了用于制造車輛后蓋的模具。底盤和座艙是一個不可分割的組成部分，采用先進(jìn)的復(fù)合材料制造，提高了底盤和座艙的整體性能。內(nèi)部為泡沫材料，表面是高強(qiáng)度的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)為車身提供了解決方案。夾層結(jié)構(gòu)由強(qiáng)化的表面和輕便的內(nèi)部泡沫材料構(gòu)成。兩種不同的夾層結(jié)構(gòu)制造的駕駛艙和底盤。對于座艙，夾心結(jié)構(gòu)表面由碳纖維（195克/m2）和內(nèi)部是6毫米厚度的pvc發(fā)泡材料（herex c70.75， airex專業(yè)泡沫股份公司）構(gòu)成。至于底盤，內(nèi)部為15毫米的泡沫，和采用單向碳纖維加編織的碳布構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)可以提高底盤的抗彎剛度。泡沫采用交叉鏈接的結(jié)構(gòu)，具有剛性封閉的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、良好的抗震性能、良好的

41、抗壓縮性以及低密度高強(qiáng)度7。表1顯示了典型的泡沫性能使用（制造商的數(shù)據(jù)），這些泡沫為網(wǎng)格板式材料，因此適用于制造復(fù)雜曲面幾何。底盤和車身（駕駛室），作為一整體結(jié)構(gòu)造圖所示 8。至于前、后蓋，用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料加織物編織碳制造，提供了必要的剛性。表2顯示了制造底盤，駕駛室，前后該的不同夾層結(jié)構(gòu)。herex c70.75泡沫的性能（制造商數(shù)據(jù)）表1 標(biāo)準(zhǔn) 單位 c70.75表觀密度 iso 8451 astmd1622 kg/m3 80抗壓強(qiáng)度 iso 8441 astmd1621 n/mm2 1.3壓縮模量 din 534571 astmd1621 n/ mm2 83拉伸強(qiáng)度 din 53455 n/mm2 1.95拉伸模量 din 53457 n/mm2 63剪切強(qiáng)度 iso 19221 astmc273 n/mm2 1.2剪切模量 astmc393 n/mm2 30剪切斷裂 iso 1922 % 30沖擊強(qiáng)度 din 53453 kj/m2 0.9室溫?zé)釋?dǎo)率 din526121a