新能源汽車(chē)輕量化技術(shù) 課件 項(xiàng)目5 車(chē)輛結(jié)構(gòu)基本性能認(rèn)識(shí)

新能源汽車(chē)輕量化技術(shù)項(xiàng)目5車(chē)輛結(jié)構(gòu)基本性能認(rèn)識(shí)任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹1、有限元法簡(jiǎn)介2、HyperWorks介紹任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹1.導(dǎo)入結(jié)構(gòu)固有頻率、剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等基本性能決定了結(jié)構(gòu)承受外部載荷的響應(yīng)方式和能力。結(jié)構(gòu)固有頻率是結(jié)構(gòu)的固有特性之一，是反映結(jié)構(gòu)對(duì)外界載荷激勵(lì)的響應(yīng)特性；結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度決定了它能夠承受多大的壓力或拉伸而不發(fā)生破壞；結(jié)構(gòu)的剛度則決定了它對(duì)變形的抵抗能力。為了確保結(jié)構(gòu)的基本性能，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析、動(dòng)力分析、穩(wěn)定性分析等仿真分析。有限單元方法（FiniteElementMethod）簡(jiǎn)稱(chēng)有限元法，是計(jì)算復(fù)雜微分方程近似解的一種非常有效的工具，也是當(dāng)前工程分析領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介有限元法算是比較年輕的學(xué)科分支，其基本思想可以追溯到1943年柯朗提出的在一系列三角形區(qū)域上定義的分片連續(xù)函數(shù)的最小能量原理相結(jié)合來(lái)求解圣維南扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。此后，不少應(yīng)用數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師分別從不同角度對(duì)有限元法的離散理論、方法及應(yīng)用開(kāi)展了大量研究積累。隨著電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，有限元法開(kāi)始展現(xiàn)了其巨大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1960年進(jìn)一步求解了平面彈性問(wèn)題，并第一次提出了“有限單元法”的名稱(chēng)，由此開(kāi)始有限元法的早期發(fā)展。1970年以后，有限元方法開(kāi)始應(yīng)用于處理非線(xiàn)性和大變形問(wèn)題。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介單元類(lèi)型簡(jiǎn)介為了拓展有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域，新的單元形式不斷涌現(xiàn)。例如，采用插值函數(shù)相同的表示方法獲得高階單元。將形狀規(guī)則的一階單元變換為邊界為二維或者三維單元，從而更加精確的對(duì)形狀復(fù)雜的求解結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散。為滿(mǎn)足不同工程實(shí)際問(wèn)題需要，在構(gòu)造結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)參數(shù)中同時(shí)出現(xiàn)了包含位移和位移導(dǎo)數(shù)的梁?jiǎn)卧卧葐卧?lèi)型。構(gòu)造以多個(gè)場(chǎng)變量（如位移、應(yīng)變、溫度）等為結(jié)點(diǎn)參數(shù)的混合單元類(lèi)型。在復(fù)合材料領(lǐng)域，出現(xiàn)了用于分析復(fù)合材料、夾層材料、混凝土等復(fù)合材料單元。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介桿件單元主要用于模擬常見(jiàn)的拉壓桿件結(jié)構(gòu)，如圖2-7所示，以CROD單元承受拉伸載荷為例分析結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力。CROD模擬的桿件長(zhǎng)度為lmm，在桿件A,B兩端分別施加大小相等，方向相反的拉伸載荷F（單位牛頓），桿件橫截面面積為Smm2。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介二維單元（Two-dimensionalElements），也稱(chēng)為面單元類(lèi)型，主要用薄殼類(lèi)片體建模。最常用的2D單元是一階三角形單元和四邊形單元，也有二階三角形和四邊形單元類(lèi)型。二階單元是在一階單元的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中間插入一個(gè)節(jié)點(diǎn)參與數(shù)值運(yùn)算。二階單元有助于提高計(jì)算精度，同時(shí)也將耗費(fèi)更多計(jì)算硬件資源和計(jì)算時(shí)間。一階三角形單元如圖2-12所示，分別由節(jié)點(diǎn)1（x1,y1）,節(jié)點(diǎn)2（x2,y2）,節(jié)點(diǎn)3（x3,y3）三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介三維實(shí)體單元（Three-dimensionalElements）或稱(chēng)為體積單元，是用來(lái)模擬厚度與長(zhǎng)寬尺寸相等的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于幾何設(shè)計(jì)中，零件厚度與其長(zhǎng)寬幾尺在同一數(shù)量級(jí)，不適合使用薄殼的片體單元模擬。例如，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，轉(zhuǎn)向節(jié)等實(shí)體零件。在這類(lèi)零部件仿真分析中，通常使用三維實(shí)體單元進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)離散化單元模擬。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于有限元方法原理的軟件大量出現(xiàn)，并在實(shí)際工程中發(fā)揮了愈來(lái)愈重要的作用；目前，著名的專(zhuān)業(yè)有限元分析軟件公司有幾十家，國(guó)際上著名的通用有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、ADINA、RADIOSS、ALGOR、PRO/MECHANICA、IDEAS等。還有一些針對(duì)行業(yè)的專(zhuān)門(mén)的有限元分析軟件，如LS-DYNA，DEFORM，PAM-STAMP,AUTOFORM、SUPER-FORGE等。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.有限元法簡(jiǎn)介年份軟件名稱(chēng)開(kāi)發(fā)者1966NASTRANMacNeal-SchwendlerCorp.,USA1969MARCMARCAnal.Corp.,USA1970ANSYSSwansonAnal.Syst.,USA1972ADINAADINAR&DInc.,USA1978DYNA2D,DYNA3DLivermoreSoftwareTech.Corp.,USA1979ABAQUSHibbit,Karlsson&Sorensen,Inc.,USA1984ALGORAlgorInc.,USA1989HyperMeshAltairInc.,USA任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.HyperWorks介紹HyperWorks商業(yè)軟件工具是由1984年成立的Altair公司開(kāi)發(fā)發(fā)行的仿真產(chǎn)品。Altair公司于1989年首次發(fā)布通用有限元建模軟件HyperMesh。該公司以HyperMesh為依托，為客戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)，包括但不限于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、工程設(shè)計(jì)、CAE分析模擬等。目前Altair公司旗下的Hyperworks軟件平臺(tái)是集造型設(shè)計(jì)、可視化建模、仿真計(jì)算、仿真數(shù)據(jù)后處理等功能于一體。軟件分析求解功能包括基礎(chǔ)靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析、流體力學(xué)分析、成型分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、增材制造等多學(xué)科領(lǐng)域。軟件平臺(tái)包括HyperMesh、HyperView、HyperGraph、MotionView、Optistruct、HyperFrom、RADIOSS等多個(gè)產(chǎn)品。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.HyperWorks介紹任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.HyperWorks介紹在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算方面，OptiStruct使用最先進(jìn)的優(yōu)化算法，擁有最強(qiáng)的優(yōu)化仿真技術(shù)。OptiStruct可以高效解決具有成千上萬(wàn)設(shè)計(jì)變量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，其先進(jìn)的優(yōu)化引擎方便用戶(hù)使用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化等方法來(lái)創(chuàng)建更多更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，也可以聯(lián)合多種優(yōu)化方法求解并實(shí)現(xiàn)更符合生產(chǎn)制造工藝的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)初期，用戶(hù)基于結(jié)構(gòu)布置空間、設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)和制造工藝參數(shù)約束等條件，應(yīng)用OptiStruct給出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，高效快捷地完成最優(yōu)質(zhì)的概念設(shè)計(jì)方案。任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.HyperWorks介紹任務(wù)1結(jié)構(gòu)性能仿真介紹2.HyperWorks介紹任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹1.導(dǎo)入模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有的、整體的振動(dòng)特性。線(xiàn)性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自由振動(dòng)被解耦為正交的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的相應(yīng)的模態(tài)。每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析的方式獲得，這個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過(guò)程稱(chēng)為模態(tài)分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析法，可獲得機(jī)械結(jié)構(gòu)在某一頻率范圍內(nèi)各階次模態(tài)的振動(dòng)特性，以及結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)受內(nèi)部或外部各種振源激勵(lì)作用下的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果。任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹車(chē)輛NVH性能（即Noise、Vibration和Harshness）和可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性等性能一樣，已經(jīng)成為考核汽車(chē)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。其中振動(dòng)噪聲性能越來(lái)越受到關(guān)注，已經(jīng)成為影響一部汽車(chē)品牌最重要的指標(biāo)之一。隨著顧客和國(guó)家法規(guī)對(duì)NVH性能也要求越發(fā)嚴(yán)格。汽車(chē)振動(dòng)噪聲是各國(guó)面臨的共同問(wèn)題，也是制約我國(guó)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。整車(chē)NVH性能的關(guān)鍵就是車(chē)輛結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有振動(dòng)特性的體現(xiàn)。任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹整車(chē)或零部件系統(tǒng)模態(tài)是指整車(chē)或零部件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過(guò)程稱(chēng)為模態(tài)分析。這個(gè)分析過(guò)程如果是由有限元計(jì)算的方法取得的，則稱(chēng)為計(jì)算模態(tài)分析；如果通過(guò)試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱(chēng)為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹圖5-4內(nèi)飾車(chē)身模態(tài)測(cè)試任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹圖5-4內(nèi)飾車(chē)身模態(tài)測(cè)試Noise，Vibration，Harshness任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹有限元模態(tài)計(jì)算方法是將車(chē)身結(jié)構(gòu)幾何零件采用離散化處理并裝配連接成有限元模型。通過(guò)計(jì)算軟件對(duì)該車(chē)身有限元模型對(duì)應(yīng)的質(zhì)量矩陣[M],剛度矩陣[K]和阻尼矩陣[C]進(jìn)行計(jì)算并得到系統(tǒng)振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程。通過(guò)數(shù)值計(jì)算求解運(yùn)動(dòng)方程對(duì)應(yīng)的特征根就可得到車(chē)身系統(tǒng)的模態(tài)頻率和振型。任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹排氣系統(tǒng)是燃油車(chē)非常重要的組成部分之一，包括排氣管、排氣掛鉤、消音器等結(jié)構(gòu)。在乘用車(chē)舒適性中，排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)心的就是系統(tǒng)模態(tài)、振型和排氣掛鉤動(dòng)剛度等問(wèn)題。排氣系統(tǒng)涉及排氣掛鉤、排氣吊耳以及排氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接等模型處理是排氣系統(tǒng)建模的關(guān)鍵。任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹任務(wù)2

結(jié)構(gòu)模態(tài)性能介紹2.車(chē)輛NVH性能介紹任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹1.導(dǎo)入剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在承載載荷時(shí)所表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)抵抗彈性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。在物理學(xué)中，剛度是零件荷載與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力或者力矩載荷。在工程領(lǐng)域，剛度對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)、車(chē)輛結(jié)構(gòu)、飛行器和艦船等結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。如果結(jié)構(gòu)剛度不足，可能會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)或者在流場(chǎng)中發(fā)生顫振等災(zāi)難性事故。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度多數(shù)乘用車(chē)都采用承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)，車(chē)身是車(chē)輛結(jié)構(gòu)的承載基礎(chǔ)，因此應(yīng)具備基本的剛度、強(qiáng)度等性能。其中，車(chē)體結(jié)構(gòu)總成剛度是車(chē)身結(jié)構(gòu)的基本性能之一。就車(chē)體總成而言，車(chē)身剛度主要包括整體彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度性能。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度將車(chē)輛簡(jiǎn)化為圖5-9所示主要包括左右縱梁、門(mén)檻梁等結(jié)構(gòu)和地板平面的框架模型。整車(chē)坐標(biāo)X軸由車(chē)頭指向車(chē)尾為正方向，其中點(diǎn)3和點(diǎn)10位置的X坐標(biāo)標(biāo)識(shí)車(chē)輛輪心位置。車(chē)身彎曲剛度主要反映車(chē)身在車(chē)輪支撐條件下，承受垂向載荷的整體抗變形能力。因此，試驗(yàn)中通常在車(chē)身前后輪心X向坐標(biāo)位置建立類(lèi)似簡(jiǎn)支梁的約束狀態(tài)，在前后約束中間加載試驗(yàn)載荷。試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)位于車(chē)身底部，排布位置參考圖5-9所示的測(cè)量點(diǎn)。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度圖5-9車(chē)身剛度試驗(yàn)簡(jiǎn)化模型任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度測(cè)試數(shù)據(jù)通常采用三次測(cè)量取平均值為以數(shù)據(jù)記錄。同時(shí)，測(cè)試中還需考慮結(jié)構(gòu)安裝間隙等因素，采用不同載荷加載測(cè)試，觀(guān)察測(cè)試數(shù)據(jù)分布情況。以某車(chē)身彎曲剛度測(cè)試為例，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表5-3所示。彎曲試驗(yàn)加載載荷分別為1000N，2000N，3000N和4000N。測(cè)試點(diǎn)以X坐標(biāo)分布為參考布置，其中X坐標(biāo)1360mm和1361mm位置的測(cè)點(diǎn)分布布置在地板縱梁和門(mén)檻梁上。每組載荷對(duì)應(yīng)的車(chē)身位移數(shù)據(jù)均為3次測(cè)試讀數(shù)的平均值。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度圖5-10車(chē)身彎曲剛度試驗(yàn)任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度測(cè)量點(diǎn)位置1000N2000N3000N4000NL1/R10.0010.0030.0030.005L2/R20.0000.0010.0010.001L4/R40.0500.1000.1540.197L5/R50.0790.1610.2520.343L6,7/R6,70.1050.2290.3310.460L8/R80.0810.1740.2550.347L9/R90.0990.2020.2910.411L10/R100.0320.0690.1070.136L11/R110.0030.0060.0090.010表5-3縱梁及門(mén)檻梁位置處彎曲剛度測(cè)量變形結(jié)果通常定義車(chē)身彎曲剛度K=F/Δ,計(jì)算車(chē)身剛度并繪制不同測(cè)點(diǎn)位移曲線(xiàn)。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度車(chē)身安裝點(diǎn)重點(diǎn)是考察安裝面法向剛度性能，由于車(chē)身結(jié)構(gòu)安裝的零部件多，安裝點(diǎn)法向布置與車(chē)輛整體坐標(biāo)方向往往存在不一致的情況。因此，車(chē)身安裝點(diǎn)剛度分析需要結(jié)合每個(gè)安裝點(diǎn)的位置分布，創(chuàng)建局部坐標(biāo)系。理論上，每個(gè)安裝點(diǎn)應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)局部坐標(biāo)系。為方便加載和結(jié)果后處理，參照分析規(guī)范并規(guī)定局部坐標(biāo)的Z軸沿安裝孔的法線(xiàn)方向且方向朝外，安裝孔平面構(gòu)成局部坐標(biāo)的XY平面。結(jié)合車(chē)身安裝孔剛性試驗(yàn)和車(chē)身底盤(pán)連接關(guān)系，車(chē)身剛度分析通常約束車(chē)身前后支柱連接孔中心123自由度。在局部坐標(biāo)下對(duì)車(chē)身關(guān)鍵安裝點(diǎn)施加200N的法向載荷，并測(cè)量加載點(diǎn)的法向位移。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度圖5-11車(chē)身安裝點(diǎn)剛度工況任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度以某車(chē)型前門(mén)上鉸鏈1號(hào)安裝孔剛度為例，完成上述設(shè)置并查看分析結(jié)果如圖5-13所示。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，前車(chē)門(mén)上鉸鏈1號(hào)安裝孔局部坐標(biāo)系下Z向位移為-0.134mm。因?yàn)榧虞d力的方向是沿局部坐標(biāo)-Z方向，最大位移值為在局部坐標(biāo)下為負(fù)是正確結(jié)果。根據(jù)安裝點(diǎn)剛度分析規(guī)范，加載點(diǎn)的為載荷為200N，其對(duì)應(yīng)位移的絕對(duì)值為0.134，因此該安裝點(diǎn)的局部剛度值為k=200N/0.134mm=1492N/mm。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹2.車(chē)身剛度圖5-13車(chē)身安裝點(diǎn)位移任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹3.車(chē)身輕量化系數(shù)我們知道，車(chē)輛除了材料選用、生產(chǎn)制造工藝、車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響車(chē)身重量外，車(chē)身尺寸也是重要的影響。由于不同車(chē)輛在尺寸設(shè)計(jì)、功能定位和性能指標(biāo)等方面有不同的要求，車(chē)身結(jié)構(gòu)尺寸、車(chē)身性能差異明顯。正是因?yàn)椴卉?chē)型之間有這么明顯的差異，依靠單純的車(chē)身重量是難以客觀(guān)的反映車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)應(yīng)用水平。那么如何評(píng)價(jià)不同車(chē)身結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造方面輕量化技術(shù)水平呢？如圖5-14所示，車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要有軸距、輪距以及車(chē)身高度等尺寸參數(shù)來(lái)衡量車(chē)身整體尺寸大小。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹圖5-14車(chē)身輕量化3.車(chē)身輕量化系數(shù)任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹

3.車(chē)身輕量化系數(shù)任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹4.部件系統(tǒng)剛度以尾門(mén)為例，尾門(mén)系統(tǒng)剛度分為整體剛度和局部剛度兩種類(lèi)型，整體剛度包括尾門(mén)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和側(cè)向剛度等。局部剛度主要用于考察尾門(mén)鉸鏈安裝點(diǎn)、鎖扣點(diǎn)、支撐桿安裝點(diǎn)、雨刮安裝點(diǎn)等位置局部剛度。尾門(mén)扭轉(zhuǎn)剛度主要考察尾門(mén)整體結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。如圖5-15所示為某尾門(mén)扭轉(zhuǎn)剛度分析模型和位移結(jié)果。圖5-15a的分析模型包括尾門(mén)本體和鉸鏈結(jié)構(gòu)。約束鉸鏈與車(chē)身連接螺栓孔中心123456自由，約束尾門(mén)鎖扣中心123自由度。分別位于尾門(mén)下緩沖塊位置施加大小相等方向相反的集中載荷，集中載荷作用形成的力矩為200Nm。左右緩沖塊距離為1200mm，根據(jù)加載力矩計(jì)算，左右緩沖塊加載的集中載荷大小為166.7N。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹圖5-15尾門(mén)扭轉(zhuǎn)剛度分析4.部件系統(tǒng)剛度任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹

4.部件系統(tǒng)剛度任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹尾門(mén)側(cè)向剛度主要考察側(cè)向載荷作用下尾門(mén)整體結(jié)構(gòu)的抗變形的能力。如圖5-16所示為某尾門(mén)側(cè)向剛度分析模型及位移結(jié)果。圖5-16a所示的尾門(mén)側(cè)向剛度分析模型包括尾門(mén)本體和鉸鏈結(jié)構(gòu)。約束鉸鏈與車(chē)身連接螺栓孔中心123456自由，約束尾門(mén)鎖扣中心13自由度。由于側(cè)向剛度的載荷是沿車(chē)身Y向施加，所以加載點(diǎn)需要釋放2方向的自由，允許尾門(mén)沿作用力方向移動(dòng)。在鎖扣中心沿Y向施加200N的集中載荷。如圖5-16b所以，尾門(mén)在側(cè)向載荷200N作用下，加載點(diǎn)側(cè)向位移為2.24mm，尾門(mén)對(duì)應(yīng)的側(cè)向剛度為89N/mm。4.部件系統(tǒng)剛度任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹4.部件系統(tǒng)剛度圖5-16尾門(mén)側(cè)向剛度分析任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹4.部件系統(tǒng)剛度尾門(mén)彎曲剛度測(cè)試和仿真模擬尾門(mén)與車(chē)身上下安裝狀態(tài)，如圖5-17a所示，約束鉸鏈安裝孔123456自由，約束鎖扣中心12自由度。在尾門(mén)左右啟動(dòng)支撐桿安裝孔位置，沿局部坐標(biāo)Z軸加載200N。完成尾門(mén)彎剛度分析約束和加載后提交OptiStruct計(jì)算，分析結(jié)束后應(yīng)用Hyperview導(dǎo)入分析模型和分析結(jié)果，查看尾門(mén)在彎曲載荷作用下的法向位移量。如圖5-17b所以，尾門(mén)結(jié)構(gòu)總的受載載荷為400N,尾門(mén)整體彎曲載荷加載點(diǎn)最大位移為2.5mm，尾門(mén)對(duì)應(yīng)的彎曲剛度為160N/mm。任務(wù)3

結(jié)構(gòu)剛度性能介紹4.部件系統(tǒng)剛度圖5-17尾門(mén)彎曲剛度分析任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹1.導(dǎo)入結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指在滿(mǎn)足一定約束條件下，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的布局、尺寸和材料等設(shè)計(jì)參數(shù)，使得某種特定的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程旨在尋找一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，使得結(jié)構(gòu)在性能、成本、可靠性等方面達(dá)到最佳平衡。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是有系統(tǒng)的科學(xué)方法，并且在工程技術(shù)領(lǐng)域已有成熟的應(yīng)用。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹2.基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)其實(shí)可以分為兩個(gè)階段：概念設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。概念設(shè)計(jì)屬于產(chǎn)品研發(fā)初期，而詳細(xì)設(shè)計(jì)屬于研發(fā)后期，簡(jiǎn)單的說(shuō)，概念設(shè)計(jì)就是先得出結(jié)構(gòu)的基本形狀，詳細(xì)設(shè)計(jì)就是在此基礎(chǔ)上做更加細(xì)化的設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)有拓?fù)鋬?yōu)化（Topology）、形貌優(yōu)化（Topography）和自由尺寸優(yōu)化（FreeSize）。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)有尺寸優(yōu)化（Size）、形狀優(yōu)化（Shape）、自由形狀優(yōu)化（FreeShape）。總體而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)大體上可以分為三種：拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹2.基礎(chǔ)知識(shí)4.2.1拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化的核心思想是在給定工程結(jié)構(gòu)和邊界條件下，通過(guò)設(shè)計(jì)材料的分布，改變物體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而達(dá)到減小體積、減輕重量、提高強(qiáng)度等實(shí)際應(yīng)用需求的目標(biāo)。其基本流程包括：建立結(jié)構(gòu)模型、定義設(shè)計(jì)目標(biāo)和限制條件、設(shè)計(jì)初步材料分布、評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果、調(diào)整并繼續(xù)迭代，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用廣泛，如建筑物結(jié)構(gòu)、車(chē)身設(shè)計(jì)、飛機(jī)零件、醫(yī)學(xué)設(shè)備、柔性機(jī)器人、微電子器件等領(lǐng)域。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹2.基礎(chǔ)知識(shí)4.2.2尺寸優(yōu)化尺寸優(yōu)化方法用于探索超出設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的新的結(jié)構(gòu)形式，有助于零件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。其重要特征是結(jié)構(gòu)形狀和拓?fù)錁?gòu)型在優(yōu)化設(shè)計(jì)之前就已知，并且在整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中保持不變。優(yōu)化目標(biāo)一般是零件的最小重量的尺寸形式，要求其必須滿(mǎn)足一定的約束條件，如強(qiáng)度、靜力、動(dòng)力等。尺寸優(yōu)化問(wèn)題的另一種表述是在給定的結(jié)構(gòu)重量下，尋求使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能最優(yōu)的尺寸形式。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹2.基礎(chǔ)知識(shí)4.2.3形狀優(yōu)化相對(duì)于尺寸優(yōu)化而言，形狀優(yōu)化既可改變結(jié)構(gòu)組件的尺寸，也可改變結(jié)構(gòu)邊界的形狀。由于在迭代求解過(guò)程中結(jié)構(gòu)的邊界形狀不斷變化，因此在形狀優(yōu)化過(guò)程中一般需要不斷更新或者重新劃分有限元網(wǎng)格。形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)中另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是結(jié)構(gòu)邊界的描述模型，一般是通過(guò)某種方式將結(jié)構(gòu)邊界參數(shù)化或者離散化，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)邊界的演變。任務(wù)4

結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)介紹3.優(yōu)化基礎(chǔ)理論經(jīng)典的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程包括：選擇設(shè)計(jì)變量，分析設(shè)計(jì)指標(biāo)，評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果，確定控制邊界或者條件（如，成本、需求、周期等），獲得滿(mǎn)足需求的設(shè)計(jì)效果，再驗(yàn)證設(shè)計(jì)產(chǎn)品性能指標(biāo)。OptiStruct為工程師提供有效的概念設(shè)計(jì)工具，最大限度地減少“重新設(shè)計(jì)”成本和上市時(shí)間?；谠O(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程所涉及的輸入與約束，OptiStruct優(yōu)