汽车数字化开发技术—第五章-汽车性能与品质分析课件.ppt

1、第第5章章 汽车性能与品质分析汽车性能与品质分析0主要内容及要求主要内容及要求5.1车身结构设计一阶分析车身结构设计一阶分析重点掌握重点掌握FOA概念、使用梁单元的拓扑优化过程概念、使用梁单元的拓扑优化过程 。5.2 NHV特性分析特性分析重点掌握重点掌握NVH特性指什么，了解振动噪声的来源，特性指什么，了解振动噪声的来源，了解了解NVH特性研究方法有哪些，分清楚各种方法的特性研究方法有哪些，分清楚各种方法的适用范围。适用范围。5.3 汽车风洞与计算流体动力学汽车风洞与计算流体动力学了解汽车风洞试验的目的及原理，理解计算流体动了解汽车风洞试验的目的及原理，理解计算流体动力学的基本思想以及计算力

2、学的基本思想以及计算汽车外流场的过程汽车外流场的过程。15.1 车身结构设计一阶分析车身结构设计一阶分析5.2 NHV特性分析特性分析5.3 汽车风洞与计算流体动力学汽车风洞与计算流体动力学 25.1车身结构设计一阶分析车身结构设计一阶分析一、新型的一、新型的CAE技术：技术：FOAFOA （First Order Analysis)一阶分析：以未变形的一阶分析：以未变形的结构变形分析力的平衡，又称线性分析。结构变形分析力的平衡，又称线性分析。FOA在汽车在汽车概念设计阶段概念设计阶段的应用时的的应用时的概念描述概念描述：1）用）用Microsoft Excel提供的图形用户界面作为其运提供的

3、图形用户界面作为其运行界面。（显示载体）行界面。（显示载体）2）用一种简便的方法来检验概念设计的有效性。（）用一种简便的方法来检验概念设计的有效性。（作用）作用）3）使用梁单元来进行拓扑优化，为结构设计优化提）使用梁单元来进行拓扑优化，为结构设计优化提出建议。（原理）出建议。（原理）3二、使用梁单元的拓扑优化二、使用梁单元的拓扑优化1）步骤：设置一些固定节点）步骤：设置一些固定节点在所有节点的结合处在所有节点的结合处放置梁单元放置梁单元使用优化技术去除不必要的梁单元使用优化技术去除不必要的梁单元更新设计变量确定最优梁结构状态。更新设计变量确定最优梁结构状态。2）优化模型建模：）优化模型建模：目

4、标函数：目标函数：平均柔度平均柔度L最小最小平均柔度平均柔度L定义：定义：F为载荷向量；为载荷向量；u为位移向量为位移向量；K为整体刚度矩阵为整体刚度矩阵约束条件：约束条件：梁结构总质量梁结构总质量变量：变量：由梁单元组成的梁结构由梁单元组成的梁结构流程流程 (其中是应变能）TTTLF uu Kuu Ku4三、三、FOA实例实例5FOA实例实例6 四、四、FOA与传统与传统CAE的连接的连接FOA中产生的静力分析和特征值分析问题可以与中产生的静力分析和特征值分析问题可以与CAE软件对接，然后通过软件对接，然后通过CAE软件进行求解。软件进行求解。75.1 车身结构设计一阶分析车身结构设计一阶分

5、析5.2 NHV特性分析特性分析5.3 汽车风洞与计算流体动力学汽车风洞与计算流体动力学 85.2NHV特性分析特性分析一、一、 什么是什么是NVH特性特性NNoise（噪声）（噪声）VVibration（振动）（振动）HHarshness（声振粗糙度）（声振粗糙度）9噪声（噪声（Noise) 噪声是噪声是NVH问题中最主要的部分，汽车上的噪声问题中最主要的部分，汽车上的噪声主要包括车身壁板振动产生的噪声、空气冲击摩主要包括车身壁板振动产生的噪声、空气冲击摩擦车身形成的噪声以及外界噪声源擦车身形成的噪声以及外界噪声源(如发动机、制如发动机、制动器等动器等)传入的噪声。传入的噪声。 汽车噪声是城

6、市环境主要的噪声源，车内噪声会汽车噪声是城市环境主要的噪声源，车内噪声会影响乘员的语言交流，损害驾驶员的听力。影响乘员的语言交流，损害驾驶员的听力。10振动（振动（ Vibration） 汽车的振动主要包括由路面不平度引起的车身垂汽车的振动主要包括由路面不平度引起的车身垂直方向振动、发动机不平衡往复惯性力产生的车直方向振动、发动机不平衡往复惯性力产生的车身振动、转向轮受地面冲击和自身摇摆振动、传身振动、转向轮受地面冲击和自身摇摆振动、传动系传动过程的扭转振动等。动系传动过程的扭转振动等。 一般来说，对人体舒适性影响较大的振动主要是一般来说，对人体舒适性影响较大的振动主要是座椅、地板对人体的低频

7、振动。此外，转向盘、座椅、地板对人体的低频振动。此外，转向盘、仪表板等部件的抖动也会对人体舒适性产生较大仪表板等部件的抖动也会对人体舒适性产生较大的影响。的影响。11声振粗糙度（声振粗糙度（ Harshness） 声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体声振粗糙度是指噪声和振动的品质，是描述人体对振动和噪声的主观感觉的，不能直接用客观测对振动和噪声的主观感觉的，不能直接用客观测量方法来度量。量方法来度量。 由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒适由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒适的感觉，因此有人称的感觉，因此有人称Harshness为不平顺性。又因为不平顺性。又因为声振粗糙度经常用

8、来描述冲击激励产生的使人为声振粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒适的瞬态响应，因此也有人称极不舒适的瞬态响应，因此也有人称Harshness为为冲击特性。冲击特性。12二、振动噪声的来源二、振动噪声的来源1）发动机振动与噪声）发动机振动与噪声2）车身振动与噪声）车身振动与噪声3）传动系统振动与噪声）传动系统振动与噪声4）轮胎振动与噪声）轮胎振动与噪声5）风激励噪声）风激励噪声13车内噪声的主要来源及传播途径车内噪声的主要来源及传播途径14三、三、NVH特性研究方法特性研究方法1）多体系统）多体系统(MBS)动力学方法动力学方法 2） 有限元方法有限元方法(FEM) 3）边界元方法）边界

9、元方法(BEM) 4）统计能量分析）统计能量分析(SEA)方法方法 15多体系统动力学方法（多体系统动力学方法（MBS） 将系统内各部件抽象为刚体或弹性体，研究它们将系统内各部件抽象为刚体或弹性体，研究它们在大范围空间运动时的动力学特性。在大范围空间运动时的动力学特性。 多体系统动力学方法主要应用于多体系统动力学方法主要应用于底盘悬架系统底盘悬架系统、转向传动系统转向传动系统低频范围的建模与分析。低频范围的建模与分析。16有限元方法有限元方法(FEM) 是把连续的弹性体划分成有限个单元，通过在计是把连续的弹性体划分成有限个单元，通过在计算机上划分网络建立有限元模型，计算系统的变算机上划分网络建

10、立有限元模型，计算系统的变形和应力以及动力学特性。形和应力以及动力学特性。 一方面，它适用于一方面，它适用于车身结构振动车身结构振动、车室内部空腔车室内部空腔噪声噪声的建模分析；另一方面，的建模分析；另一方面，与多体系统动力学与多体系统动力学方法相结合方法相结合来分析汽车底盘系统的动力学特性，来分析汽车底盘系统的动力学特性，其准确度也大大提高。其准确度也大大提高。17边界元方法边界元方法(BEM)： 它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界分元差值离散，化为代数方程组求解通过对边界分元差值离散，化为代数方程组求解。 与有限元方法相比，边界元

11、方法与有限元方法相比，边界元方法(BEM)降低了求降低了求解问题的维数，能方便地处理无界区域问题。解问题的维数，能方便地处理无界区域问题。 边界元法对处理边界元法对处理结构声辐射结构声辐射、声散射声散射和和结构声腔结构声腔具有独特的优越性，因此在实际中得到广泛的应具有独特的优越性，因此在实际中得到广泛的应用。用。18 统计能量分析统计能量分析(SEA)方法方法 以空间声学和统计力学为基础的统计能量分析以空间声学和统计力学为基础的统计能量分析 (SEA)方法是将系统分解为多个子系统，研究它们方法是将系统分解为多个子系统，研究它们之间能量流动和模态响应的统计特性。之间能量流动和模态响应的统计特性。

12、 它适用于结构、声学等系统的动力学分析，在预它适用于结构、声学等系统的动力学分析，在预测分析车内测分析车内空气噪声空气噪声的应用较普遍，更重要的作的应用较普遍，更重要的作用能用能列出主要噪声贡献列出主要噪声贡献，以及，以及预测预测不同设计对车不同设计对车内噪声的相对影响，是分析车内内噪声的相对影响，是分析车内高频噪声高频噪声的有效的有效方法。方法。19FEM、BEM、SEM适用的频率分布对比适用的频率分布对比205.1 车身结构设计一阶分析车身结构设计一阶分析5.2 NHV特性分析特性分析5.3 汽车风洞与计算流体动力学汽车风洞与计算流体动力学 215.3汽车风洞与计算流体动汽车风洞与计算流体

13、动力学力学 一、一、 汽车风洞汽车风洞汽车风洞是一种用来研究汽车空气动力学的大型汽车风洞是一种用来研究汽车空气动力学的大型试验设施。试验设施。风洞是一条大型隧道或管道，里面有一个巨型扇风洞是一条大型隧道或管道，里面有一个巨型扇叶，能产生一股强劲气流。气流经过一些风格栅，叶，能产生一股强劲气流。气流经过一些风格栅，减少涡流产生后才进入试验室。减少涡流产生后才进入试验室。风洞的最大作用是用来测量汽车的风阻。风阻的风洞的最大作用是用来测量汽车的风阻。风阻的大小用风阻系数大小用风阻系数CDCD表示，风阻系数越小，说明它受表示，风阻系数越小，说明它受空气阻力影响越小。空气阻力影响越小。22当然，除了用来

14、测量风阻外，风洞还可以用来研当然，除了用来测量风阻外，风洞还可以用来研究气流绕过车身时所产生的效应，如升力、下压力。究气流绕过车身时所产生的效应，如升力、下压力。过去风洞试验中车轮是不转的，实际上转动的车过去风洞试验中车轮是不转的，实际上转动的车轮对空气阻力系数也有一定影响。因此，为测量正轮对空气阻力系数也有一定影响。因此，为测量正确，现在风洞一般要安装转鼓以便能更好地模拟行确，现在风洞一般要安装转鼓以便能更好地模拟行驶状态。驶状态。带有转鼓测功器的全天候整车风洞功能较多，它带有转鼓测功器的全天候整车风洞功能较多，它除可对汽车的空气动力学性能进行评价外，还可对除可对汽车的空气动力学性能进行评价

15、外，还可对严寒、高温、潮湿等条件下的汽车性能进行测定。严寒、高温、潮湿等条件下的汽车性能进行测定。23风洞实验室可以模拟不同的气候环境，这样工程师风洞实验室可以模拟不同的气候环境，这样工程师们可以知道汽车在不同环境下的工作情况，特别是冷们可以知道汽车在不同环境下的工作情况，特别是冷却水箱散热、制动器散热等问题。却水箱散热、制动器散热等问题。如德国大众汽车公司的多用途风洞实验室可模拟多如德国大众汽车公司的多用途风洞实验室可模拟多种环境条件下的汽车风洞实验，空气温度可在种环境条件下的汽车风洞实验，空气温度可在- -3030 4242之间调节，湿度为之间调节，湿度为2 2 9292，最大风速，最大风

16、速为为180km/h180km/h。新车在造型设计阶段，必须将汽车制成风洞试验模新车在造型设计阶段，必须将汽车制成风洞试验模型进行风洞试验，以便改进汽车的形状，提高空气动型进行风洞试验，以便改进汽车的形状，提高空气动力性能。力性能。24图图5-15-1是整车试验风洞的一般布置。是整车试验风洞的一般布置。风洞试验还可测定汽车模型表面的压力分布情况风洞试验还可测定汽车模型表面的压力分布情况（图图5-25-2）以及借助于烟、丝带、油膜等显示汽车周）以及借助于烟、丝带、油膜等显示汽车周围的气流流动情况。围的气流流动情况。25 二、二、计算流体动力学计算流体动力学 计算流体动力学（计算流体动力学（CFD

17、）：为减少汽车风洞试验，减）：为减少汽车风洞试验，减少试验成本，少试验成本，CFD方法逐渐成为汽车动力分析的一个基本方法逐渐成为汽车动力分析的一个基本工具。工具。计算流体动力学是研究流体在基本控制方程下运动的计算流体动力学是研究流体在基本控制方程下运动的数值模拟方法。数值模拟方法。基本思想：把原来在时间域及空间域上连续的物理量基本思想：把原来在时间域及空间域上连续的物理量用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式对流体基本方程进行离散，建立起离散点定的原则和方式对流体基本方程进行离散，建立起离散点上变量值之间关系的线数方程

18、组，然后求解方程组获得变上变量值之间关系的线数方程组，然后求解方程组获得变量的近似值。量的近似值。26CFDCFD数值模拟过程数值模拟过程27CFDCFD技术可以用来计算分析汽车外流场，与汽车风技术可以用来计算分析汽车外流场，与汽车风洞相比，洞相比，CFDCFD方法不需要实车模型，具有周期短成本低、方法不需要实车模型，具有周期短成本低、可反复计算等优点。可反复计算等优点。CFDCFD计算分析汽车外流场的流程计算分析汽车外流场的流程图图5-3试验数值计算的结果与风洞试验相对误差在试验数值计算的结果与风洞试验相对误差在6%6%左右，左右，说明有限元法分析汽车外流场方法可行。说明有限元法分析汽车外流

19、场方法可行。28 拓拓扑扑优优化化流流程程29图图5-1 整车风洞示意整车风洞示意 1-阻尼网；阻尼网；2-收缩段；收缩段；3-试验段；试验段；4-试验汽试验汽车；车；5-扩散段；扩散段； 6-螺旋扩散片；螺旋扩散片； 7-风扇叶片；风扇叶片；8-安全安全网；网；9-转鼓试验台；转鼓试验台；10-空气动力天平；空气动力天平；11-附面层吸缝；附面层吸缝； 12-天平平台；天平平台； 13-导流器；导流器； 14-动力与传动装置；动力与传动装置；12-建筑物建筑物 30图图5-2 风洞压力分布测量试验风洞压力分布测量试验 31CFDCFD计计算算分分析析汽汽车车外外流流场场的的流流程程图图5-332