汽車實驗學(xué)第9章

1、 CAECAE技術(shù)能夠滿足汽車現(xiàn)代設(shè)計的基本要求。技術(shù)能夠滿足汽車現(xiàn)代設(shè)計的基本要求。 美國工程技術(shù)合作公司（美國工程技術(shù)合作公司（ETAETA公司）推出的公司）推出的虛擬試驗場技術(shù)（虛擬試驗場技術(shù)（VIRTUAL PROVING VIRTUAL PROVING GROUND GROUND ，以下簡稱，以下簡稱VPGVPG技術(shù)）即是一種非常技術(shù)）即是一種非常實用的實用的CAECAE技術(shù)。技術(shù)。 現(xiàn)代汽車對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了越來越高的現(xiàn)代汽車對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了越來越高的要求，汽車結(jié)構(gòu)分析已不滿足于結(jié)構(gòu)線要求，汽車結(jié)構(gòu)分析已不滿足于結(jié)構(gòu)線性彈性分析。實際上汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中大性彈性分析。實際上汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中

2、大量存在非線性結(jié)構(gòu)，例如發(fā)動機、駕駛量存在非線性結(jié)構(gòu)，例如發(fā)動機、駕駛室橡膠支承、懸掛大變形、零部件間連室橡膠支承、懸掛大變形、零部件間連接的能量緩沖等。接的能量緩沖等。 在產(chǎn)品要求精益設(shè)計的條件下，只應(yīng)用線性在產(chǎn)品要求精益設(shè)計的條件下，只應(yīng)用線性分析普遍感到不足。產(chǎn)品開發(fā)要求分析普遍感到不足。產(chǎn)品開發(fā)要求CAECAE更多更多地考慮地考慮非線性影響非線性影響。 其次，汽車零部件結(jié)構(gòu)分析的一個難點是分其次，汽車零部件結(jié)構(gòu)分析的一個難點是分析載荷的不定因素，大量零部件結(jié)構(gòu)實際所析載荷的不定因素，大量零部件結(jié)構(gòu)實際所受到的載荷到底是多大，往往很難明確給出。受到的載荷到底是多大，往往很難明確給出。對此

3、過去往往應(yīng)用對比分析法，但這越來越對此過去往往應(yīng)用對比分析法，但這越來越不適應(yīng)越來越高的設(shè)計要求。不適應(yīng)越來越高的設(shè)計要求。 第三，汽車產(chǎn)品設(shè)計已進入有限壽命設(shè)第三，汽車產(chǎn)品設(shè)計已進入有限壽命設(shè)計階段，這要求汽車在設(shè)計的使用期內(nèi)，計階段，這要求汽車在設(shè)計的使用期內(nèi)，整車和零部件完好，不產(chǎn)生疲勞破壞，整車和零部件完好，不產(chǎn)生疲勞破壞，而達到使用期后（例如轎車一般設(shè)計壽而達到使用期后（例如轎車一般設(shè)計壽命為八年），零部件盡可能多地達到損命為八年），零部件盡可能多地達到損傷，以求產(chǎn)品輕量化，節(jié)約材料和節(jié)省傷，以求產(chǎn)品輕量化，節(jié)約材料和節(jié)省能源。這也對能源。這也對CAECAE分析提出了使用真實載分析提

4、出了使用真實載荷的要求。荷的要求。 汽車整車性能，如舒適性、行駛操汽車整車性能，如舒適性、行駛操縱穩(wěn)定性分析也不僅僅滿足于結(jié)構(gòu)縱穩(wěn)定性分析也不僅僅滿足于結(jié)構(gòu)剛性簡化，還要求考慮剛性簡化，還要求考慮結(jié)構(gòu)變形剛結(jié)構(gòu)變形剛度影響度影響，進行整車非線性系統(tǒng)分析，進行整車非線性系統(tǒng)分析，以達到動態(tài)參數(shù)設(shè)計的目標。以達到動態(tài)參數(shù)設(shè)計的目標。 1 1）分析對象不再是分開的各個零部件，而）分析對象不再是分開的各個零部件，而是包括車身是包括車身FEMFEM模型、懸掛系（彈簧、減振模型、懸掛系（彈簧、減振器、動力控制臂）、轉(zhuǎn)向梯形、車輪輪胎器、動力控制臂）、轉(zhuǎn)向梯形、車輪輪胎等整車非線性系統(tǒng)模型。這樣，車身和懸等

5、整車非線性系統(tǒng)模型。這樣，車身和懸掛系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)間難以明確的作用力關(guān)掛系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)間難以明確的作用力關(guān)系已包含在分析模型之內(nèi)。系已包含在分析模型之內(nèi)。 2 2）分析模型數(shù)據(jù)庫化。眾所周知，計算模型建）分析模型數(shù)據(jù)庫化。眾所周知，計算模型建模工作量是很大的。但是，除車身模型是車型模工作量是很大的。但是，除車身模型是車型分析時必須建立的模型，懸掛結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)分析時必須建立的模型，懸掛結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和輪胎是完全可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫化的。這是因為，和輪胎是完全可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫化的。這是因為，這些結(jié)構(gòu)對轎車來說，結(jié)構(gòu)形式基本可以歸納這些結(jié)構(gòu)對轎車來說，結(jié)構(gòu)形式基本可以歸納成幾種基本類型和數(shù)量有限的幾個參數(shù)

6、來描述。成幾種基本類型和數(shù)量有限的幾個參數(shù)來描述。用戶只需選擇結(jié)構(gòu)類型，給出參數(shù)即可產(chǎn)生計用戶只需選擇結(jié)構(gòu)類型，給出參數(shù)即可產(chǎn)生計算模型。算模型。 當(dāng)前懸掛數(shù)據(jù)庫保存有當(dāng)前懸掛數(shù)據(jù)庫保存有McPhersonMcPherson液壓減液壓減振器振器StrutStrut、長短臂、長短臂Short-long ArmShort-long Arm、HotchkissHotchkiss漸變?nèi)~片彈簧漸變?nèi)~片彈簧(Leaf Spring)(Leaf Spring)、后拖臂后拖臂Trailing ArmTrailing Arm、五連桿、五連桿5-link5-link、四連桿四連桿Quadra LinkQuadra

7、 Link和扭桿和扭桿Twist Beam Twist Beam 等十種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。另外，等十種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。另外，VPGVPG還提供對還提供對AdamsAdams接口，導(dǎo)入兼容的接口，導(dǎo)入兼容的AdamsAdams懸架模型。懸架模型。 3 3）提供了全面的路面載荷。）提供了全面的路面載荷。VPGVPG軟件提供了標軟件提供了標準典型的路面模型，是通常整車試驗標準考核準典型的路面模型，是通常整車試驗標準考核路面。路面。 例如：交替擺動路面例如：交替擺動路面(Alternate Roll)(Alternate Roll)、槽形、槽形路路(Pothole Tracks)(Pothole Tracks)

8、、鵝卵石路、鵝卵石路(Cobblestone (Cobblestone Tracks)Tracks)、大扭曲路、大扭曲路(Body Twist Lane)(Body Twist Lane)、波紋、波紋路路(Ripple Tracks)(Ripple Tracks)、搓板路、搓板路(Washboards)(Washboards)以及以及比利時石塊比利時石塊(Belgian Block)(Belgian Block)等。等。 4 4）從分析內(nèi)容方面講，）從分析內(nèi)容方面講，VPGVPG計算技術(shù)分析內(nèi)容計算技術(shù)分析內(nèi)容是多樣化的。一個分析模型可以進行疲勞壽命是多樣化的。一個分析模型可以進行疲勞壽命計算

9、、振動噪聲分析計算、車輛碰撞歷程仿真、計算、振動噪聲分析計算、車輛碰撞歷程仿真、碰撞時乘員安全保護等多種結(jié)構(gòu)非線性分析。碰撞時乘員安全保護等多種結(jié)構(gòu)非線性分析。同時還可以進行整車非線性運動學(xué)和動力學(xué)計同時還可以進行整車非線性運動學(xué)和動力學(xué)計算，用來進行整車舒適性、高速行駛性能和操算，用來進行整車舒適性、高速行駛性能和操縱穩(wěn)定性研究。縱穩(wěn)定性研究。 疲勞分析可以根據(jù)計算結(jié)果整理出疲勞疲勞分析可以根據(jù)計算結(jié)果整理出疲勞曲線進行壽命預(yù)測。曲線進行壽命預(yù)測。 振動噪聲計算結(jié)果可以進行富利葉變換，振動噪聲計算結(jié)果可以進行富利葉變換，進行進行NVHNVH評價。評價。 碰撞仿真結(jié)果用于結(jié)構(gòu)碰撞性能研究和碰撞

10、仿真結(jié)果用于結(jié)構(gòu)碰撞性能研究和依據(jù)依據(jù)FMVSS FMVSS 法規(guī)對乘員的安全作出評價。法規(guī)對乘員的安全作出評價。 運動學(xué)和動力學(xué)計算可輸出內(nèi)外輪角（運動學(xué)和動力學(xué)計算可輸出內(nèi)外輪角（Ackerman Ackerman AngleAngle）、轉(zhuǎn)動半徑（）、轉(zhuǎn)動半徑（Turn RadiusTurn Radius）、內(nèi)傾剛度）、內(nèi)傾剛度（Roll StiffnessRoll Stiffness）、回轉(zhuǎn)半徑（）、回轉(zhuǎn)半徑（Scrnb Scrnb RadiusRadius）、前束角（）、前束角（Toe AngleToe Angle）、內(nèi)傾）、內(nèi)傾（Kingpin InclinationKingpin

11、 Inclination）、剎車點頭和加速沉）、剎車點頭和加速沉尾（尾（Anti-dive/Anti-liftAnti-dive/Anti-lift）、外傾角（）、外傾角（Camber Camber AngleAngle）、后傾角（）、后傾角（Caster AngleCaster Angle）和縱向擺動）和縱向擺動（Front/Rear RollFront/Rear Roll）等參數(shù)，進行整車性能評價。）等參數(shù)，進行整車性能評價。 根據(jù)根據(jù) ECE ECE 指導(dǎo)說明分析結(jié)果指導(dǎo)說明分析結(jié)果 5 5）求解器是基于高度非線性軟件）求解器是基于高度非線性軟件 LSLSDYNADYNA進行整車系統(tǒng)非線

12、性分析。從這個角度看，進行整車系統(tǒng)非線性分析。從這個角度看，VPGVPG技術(shù)是一個高度非線性分析軟件的一個技術(shù)是一個高度非線性分析軟件的一個汽車專用接口軟件和支持它的數(shù)據(jù)庫。汽車專用接口軟件和支持它的數(shù)據(jù)庫。 6 6）計算結(jié)果后處理完全基于現(xiàn)代計算機圖）計算結(jié)果后處理完全基于現(xiàn)代計算機圖式化平臺上，可以產(chǎn)生式化平臺上，可以產(chǎn)生實時動畫、疲勞預(yù)實時動畫、疲勞預(yù)測、應(yīng)力應(yīng)變圖、數(shù)據(jù)信號變換、繪測、應(yīng)力應(yīng)變圖、數(shù)據(jù)信號變換、繪制數(shù)據(jù)曲線圖形制數(shù)據(jù)曲線圖形等。等。 我們以某一車型的載荷預(yù)測為例，簡單我們以某一車型的載荷預(yù)測為例，簡單闡述目前所采用的虛擬試驗的過程。闡述目前所采用的虛擬試驗的過程。 （

13、1 1）下圖中所展示的是某車型的前懸）下圖中所展示的是某車型的前懸架數(shù)字模型，該模型包含所有懸架部件，架數(shù)字模型，該模型包含所有懸架部件，也包含了所有的促動器和相應(yīng)的桿系的也包含了所有的促動器和相應(yīng)的桿系的運動學(xué)和動力學(xué)特性。在最初的用于操運動學(xué)和動力學(xué)特性。在最初的用于操縱穩(wěn)定性的多體動力學(xué)模型中，所有的縱穩(wěn)定性的多體動力學(xué)模型中，所有的桿件都按照剛體進行建模。桿件都按照剛體進行建模。 （2 2）利用專業(yè)多體動力學(xué)軟件從疲勞損）利用專業(yè)多體動力學(xué)軟件從疲勞損傷的角度比較多體模擬和實測載荷的差異，傷的角度比較多體模擬和實測載荷的差異，并對多體虛擬試驗臺進行更新。以懸架的并對多體虛擬試驗臺進行更

14、新。以懸架的一個連桿為例，把最初的和優(yōu)化后的多體一個連桿為例，把最初的和優(yōu)化后的多體模型計算結(jié)果的多維載荷影響球圖分別與模型計算結(jié)果的多維載荷影響球圖分別與實測的載荷影響球圖比較，說明多體動力實測的載荷影響球圖比較，說明多體動力學(xué)軟件能夠極大地改進初始的虛擬試驗臺學(xué)軟件能夠極大地改進初始的虛擬試驗臺模型與實際試驗臺的相關(guān)性。模型與實際試驗臺的相關(guān)性。 （3 3）隨后，這個經(jīng)優(yōu)化的虛擬試驗臺用）隨后，這個經(jīng)優(yōu)化的虛擬試驗臺用來生成精確的相互作用載荷，用于后續(xù)來生成精確的相互作用載荷，用于后續(xù)的使用多體動力學(xué)求解器進行的基于數(shù)的使用多體動力學(xué)求解器進行的基于數(shù)字化壽命預(yù)測的設(shè)計優(yōu)化。字化壽命預(yù)測的設(shè)計優(yōu)化。 總之，隨