汽車數(shù)字化開發(fā)技術(shù)-第五章 汽車性能與品質(zhì)分析

第5章汽車性能與品質(zhì)分析0主要內(nèi)容及要求5.1車身結(jié)構(gòu)設(shè)計一階分析重點掌握FOA概念、使用梁單元的拓撲優(yōu)化過程。5.2NHV特性分析重點掌握NVH特性指什么，了解振動噪聲的來源，了解NVH特性研究方法有哪些，分清楚各種方法的適用范圍。5.3汽車風(fēng)洞與計算流體動力學(xué)了解汽車風(fēng)洞試驗的目的及原理，理解計算流體動力學(xué)的基本思想以及計算汽車外流場的過程。15.1車身結(jié)構(gòu)設(shè)計一階分析5.2NHV特性分析5.3汽車風(fēng)洞與計算流體動力學(xué)25.1車身結(jié)構(gòu)設(shè)計一階分析一、新型的CAE技術(shù)：FOAFOA（FirstOrderAnalysis)一階分析：以未變形的結(jié)構(gòu)變形分析力的平衡，又稱線性分析。FOA在汽車概念設(shè)計階段的應(yīng)用時的概念描述：1）用MicrosoftExcel提供的圖形用戶界面作為其運行界面。（顯示載體）2）用一種簡便的方法來檢驗概念設(shè)計的有效性。（作用）3）使用梁單元來進行拓撲優(yōu)化，為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提出建議。（原理）3二、使用梁單元的拓撲優(yōu)化1）步驟：設(shè)置一些固定節(jié)點→在所有節(jié)點的結(jié)合處放置梁單元→使用優(yōu)化技術(shù)去除不必要的梁單元→更新設(shè)計變量確定最優(yōu)梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)。2）優(yōu)化模型建模：目標(biāo)函數(shù)：平均柔度L最小平均柔度L定義：F為載荷向量；u為位移向量；K為整體剛度矩陣約束條件：梁結(jié)構(gòu)總質(zhì)量變量：由梁單元組成的梁結(jié)構(gòu)流程

4三、FOA實例5FOA實例6

四、FOA與傳統(tǒng)CAE的連接FOA中產(chǎn)生的靜力分析和特征值分析問題可以與CAE軟件對接，然后通過CAE軟件進行求解。75.1車身結(jié)構(gòu)設(shè)計一階分析5.2NHV特性分析5.3汽車風(fēng)洞與計算流體動力學(xué)85.2NHV特性分析一、什么是NVH特性N——Noise（噪聲）V——Vibration（振動）H——Harshness（聲振粗糙度）9噪聲（Noise)噪聲是NVH問題中最主要的部分，汽車上的噪聲主要包括車身壁板振動產(chǎn)生的噪聲、空氣沖擊摩擦車身形成的噪聲以及外界噪聲源(如發(fā)動機、制動器等)傳入的噪聲。汽車噪聲是城市環(huán)境主要的噪聲源，車內(nèi)噪聲會影響乘員的語言交流，損害駕駛員的聽力。10振動（Vibration）汽車的振動主要包括由路面不平度引起的車身垂直方向振動、發(fā)動機不平衡往復(fù)慣性力產(chǎn)生的車身振動、轉(zhuǎn)向輪受地面沖擊和自身搖擺振動、傳動系傳動過程的扭轉(zhuǎn)振動等。一般來說，對人體舒適性影響較大的振動主要是座椅、地板對人體的低頻振動。此外，轉(zhuǎn)向盤、儀表板等部件的抖動也會對人體舒適性產(chǎn)生較大的影響。11聲振粗糙度（Harshness）聲振粗糙度是指噪聲和振動的品質(zhì)，是描述人體對振動和噪聲的主觀感覺的，不能直接用客觀測量方法來度量。由于聲振粗糙度描述的是振動和噪聲使人不舒適的感覺，因此有人稱Harshness為不平順性。又因為聲振粗糙度經(jīng)常用來描述沖擊激勵產(chǎn)生的使人極不舒適的瞬態(tài)響應(yīng)，因此也有人稱Harshness為沖擊特性。12二、振動噪聲的來源1）發(fā)動機振動與噪聲2）車身振動與噪聲3）傳動系統(tǒng)振動與噪聲4）輪胎振動與噪聲5）風(fēng)激勵噪聲13車內(nèi)噪聲的主要來源及傳播途徑14三、NVH特性研究方法1）多體系統(tǒng)(MBS)動力學(xué)方法2）有限元方法(FEM)3）邊界元方法(BEM)4）統(tǒng)計能量分析(SEA)方法15多體系統(tǒng)動力學(xué)方法（MBS）將系統(tǒng)內(nèi)各部件抽象為剛體或彈性體，研究它們在大范圍空間運動時的動力學(xué)特性。多體系統(tǒng)動力學(xué)方法主要應(yīng)用于底盤懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)低頻范圍的建模與分析。16有限元方法(FEM)是把連續(xù)的彈性體劃分成有限個單元，通過在計算機上劃分網(wǎng)絡(luò)建立有限元模型，計算系統(tǒng)的變形和應(yīng)力以及動力學(xué)特性。一方面，它適用于車身結(jié)構(gòu)振動、車室內(nèi)部空腔噪聲的建模分析；另一方面，與多體系統(tǒng)動力學(xué)方法相結(jié)合來分析汽車底盤系統(tǒng)的動力學(xué)特性，其準(zhǔn)確度也大大提高。17邊界元方法(BEM)：它以定義在邊界上的邊界積分方程為控制方程，通過對邊界分元差值離散，化為代數(shù)方程組求解。與有限元方法相比，邊界元方法(BEM)降低了求解問題的維數(shù)，能方便地處理無界區(qū)域問題。邊界元法對處理結(jié)構(gòu)聲輻射、聲散射和結(jié)構(gòu)聲腔具有獨特的優(yōu)越性，因此在實際中得到廣泛的應(yīng)用。18統(tǒng)計能量分析(SEA)方法以空間聲學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計能量分析

(SEA)方法是將系統(tǒng)分解為多個子系統(tǒng)，研究它們之間能量流動和模態(tài)響應(yīng)的統(tǒng)計特性。它適用于結(jié)構(gòu)、聲學(xué)等系統(tǒng)的動力學(xué)分析，在預(yù)測分析車內(nèi)空氣噪聲的應(yīng)用較普遍，更重要的作用能列出主要噪聲貢獻，以及預(yù)測不同設(shè)計對車內(nèi)噪聲的相對影響，是分析車內(nèi)高頻噪聲的有效方法。19FEM、BEM、SEM適用的頻率分布對比205.1車身結(jié)構(gòu)設(shè)計一階分析5.2NHV特性分析5.3汽車風(fēng)洞與計算流體動力學(xué)215.3汽車風(fēng)洞與計算流體動力學(xué)

一、

汽車風(fēng)洞汽車風(fēng)洞是一種用來研究汽車空氣動力學(xué)的大型試驗設(shè)施。風(fēng)洞是一條大型隧道或管道，里面有一個巨型扇葉，能產(chǎn)生一股強勁氣流。氣流經(jīng)過一些風(fēng)格柵，減少渦流產(chǎn)生后才進入試驗室。風(fēng)洞的最大作用是用來測量汽車的風(fēng)阻。風(fēng)阻的大小用風(fēng)阻系數(shù)CD表示，風(fēng)阻系數(shù)越小，說明它受空氣阻力影響越小。22當(dāng)然，除了用來測量風(fēng)阻外，風(fēng)洞還可以用來研究氣流繞過車身時所產(chǎn)生的效應(yīng)，如升力、下壓力。過去風(fēng)洞試驗中車輪是不轉(zhuǎn)的，實際上轉(zhuǎn)動的車輪對空氣阻力系數(shù)也有一定影響。因此，為測量正確，現(xiàn)在風(fēng)洞一般要安裝轉(zhuǎn)鼓以便能更好地模擬行駛狀態(tài)。帶有轉(zhuǎn)鼓測功器的全天候整車風(fēng)洞功能較多，它除可對汽車的空氣動力學(xué)性能進行評價外，還可對嚴寒、高溫、潮濕等條件下的汽車性能進行測定。23風(fēng)洞實驗室可以模擬不同的氣候環(huán)境，這樣工程師們可以知道汽車在不同環(huán)境下的工作情況，特別是冷卻水箱散熱、制動器散熱等問題。如德國大眾汽車公司的多用途風(fēng)洞實驗室可模擬多種環(huán)境條件下的汽車風(fēng)洞實驗，空氣溫度可在-30℃～42℃之間調(diào)節(jié)，濕度為2％～92％，最大風(fēng)速為180km/h。新車在造型設(shè)計階段，必須將汽車制成風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ瓦M行風(fēng)洞試驗，以便改進汽車的形狀，提高空氣動力性能。24圖5-1是整車試驗風(fēng)洞的一般布置。風(fēng)洞試驗還可測定汽車模型表面的壓力分布情況（圖5-2）以及借助于煙、絲帶、油膜等顯示汽車周圍的氣流流動情況。25

二、計算流體動力學(xué)計算流體動力學(xué)（CFD）：為減少汽車風(fēng)洞試驗，減少試驗成本，CFD方法逐漸成為汽車動力分析的一個基本工具。計算流體動力學(xué)是研究流體在基本控制方程下運動的數(shù)值模擬方法?；舅枷耄喊言瓉碓跁r間域及空間域上連續(xù)的物理量用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式對流體基本方程進行離散，建立起離散點上變量值之間關(guān)系的線數(shù)方程組，然后求解方程組獲得變量的近似值。26CFD數(shù)值模擬過程27CFD技術(shù)可以用來計算分析汽車外流場，與汽車風(fēng)洞相比，CFD方法不需要實車模型，具有周期短成本低、可反復(fù)計算等優(yōu)點。CFD計算分析汽車外流場的流程圖5-3試驗數(shù)值計算的結(jié)果與風(fēng)洞試驗相對誤差在6%左右，說明有限元法分析汽車外流場方法可行。28拓撲優(yōu)化流程29圖5-1整車風(fēng)洞示意

1-阻尼網(wǎng)；2-收縮段；3-試驗段；4-試驗汽車；5-擴散