1、汽车设计电子教案1第第1212章章 现代汽车设计方法现代汽车设计方法汽车设计电子教案212.1 12.1 概概 述述 为了保证设计质量、加快设计速度、避免和减少设计失误，并适应科学技术发展的要求，使设计工作现代化，引发了“现代设计方法”的研究。设计方法可理解为：设计中的一般过程及解决具体设计问题的方法、手段。前者可认为是战略问题，后者是战术问题。如果把设计方法的发展进行概括，大致可以划分成如下阶段：(1)17世纪前的“直觉设计阶段”。(2)17世纪后的“经验设计阶段”及其后形成的“传统设计阶段”。(3)目前的“现代设计阶段”。汽车设计电子教案312.2 12.2 计算机辅助设计计算机辅助设计
2、计算机辅助设计(Computer Aided Design，缩写CAD)是应用计算机进行设计信息处理的总称。12.2.1 CAD的发展状况 1959年，美国麻省理工学院(MIT)伺服机构实验室的D.T.Ross小组研究出APT语言及其信息处理机的原形。1962年，MIT的Iran.E.Sutherland研制了Sketchpad绘图系统。1963年春，在美国计算机联合会上，MIT研究小组初步设想了采用计算机进行设计和分析，并开发了交互式图形处理系统，绘制出工程图，从而使CAD由试验阶段过渡到了实施阶段。汽车设计电子教案412.2 12.2 计算机辅助设计计算机辅助设计 12.2.2 CAD技术
3、在汽车行业中的应用 汽车行业是最早应用CAD技术的领域之一。目前，国外的汽车大约每4年进行一次换代，而新的乘用车产品的开发周期已缩短至两三年，汽车的每次换代都力求提高汽车的各项性能指标，使外形美观，增加新功能，适应有关排气、噪声、安全、燃料消耗等各种规定指标，应用CAD技术可以有效地解决这类问题。12.2.3 CAD技术的发展趋势 CAD技术的发展趋势可以概括为以下几点：集成化、网络化、标准化、智能化、参数化、三维化、可视化和虚拟现实技术。汽车设计电子教案512.2 12.2 计算机辅助设计计算机辅助设计 12.2.4 CAD系统的结构 1.CAD系统的硬件 2.CAD系统的软件 软件是指使用
4、和发挥计算机效率、功能的各种程序，整个计算机系统的工作过程都是由软件来控制和实现的。(1)系统软件 系统软件是与计算机硬件直接联系并供用户使用的软件汽车设计电子教案612.2 12.2 计算机辅助设计计算机辅助设计 12.2.4 CAD系统的结构 (2)支撑软件 支撑软件是帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统，亦称为软件开发工具 (3)应用软件 应用软件是用户为解决各种具体设计工作中的实际问题而利用计算机以及它所提供的各种系统软件和支撑软件自行编制的软件。12.2.5 CAD的功能 1.计算机辅助绘图汽车设计电子教案712.2 12.2 计算机辅助设计计算机辅助设计 12.2.5 CAD的
5、功能 1.计算机辅助绘图 这里主要是指使用计算机进行二维的工程图纸的绘制，这也是CAD中已较为成熟的领域。2.造型功能 指三维的形体或产品在计算机中的表示和处理。3.数据处理与管理 一方面是指在设计工作中涉及数据(包括图形数据等)的统一管理和加工，另一方面也包括数据查找和处理等。汽车设计电子教案812.2 12.2 计算机辅助设计计算机辅助设计 12.2.5 CAD的功能 4.分析计算 (1)应用有限元方法等对重要的零部件以及整车的强度与刚度、振动与噪声、可靠性及寿命等的分析计算。(2)对产品及其零部件进行考虑各方面因素的优化设计计算，以保证产品具有现代化设计水平。(3)机构运动学/动力学仿真
6、以及整车瞬态工况的模拟，制动、碰撞等情况的模拟，控制系统模拟等。(4)新材料、新工艺、新技术的分析、模拟和评价。(5)计算流体力学的应用；发动机混合气形成与燃烧过程的模拟；可靠性设计计算，制造过程与销售过程的模拟与分析等。汽车设计电子教案912.2 12.2 计算机辅助设计计算机辅助设计 12.2.6 CAD的应用举例 1.转向机构CAD的目标和任务 该系统有两个设计模块供用户选择，一个是交互式设计系统，另一个是优化设计系统。转向机构CAD的关键技术如下：(1)转向机构三维形状优化设计。(2)转向机构三维有限元网格生成。(3)转向机构有限元分析。(4)转向机构工程数据库。2.转向机构CAD模块
7、 (1)转向机构结构方案设计模块汽车设计电子教案1012.2 12.2 计算机辅助设计计算机辅助设计 12.2.6 CAD的应用举例 (2)转向机构结构参数设计子模块 (3)转向机构结构优化设计模块 (4)转向机构结构分析模块 (5)转向机构强度校核与可靠性分析模块 (6)转向机构图形库 (7)转向机构数据库模块汽车设计电子教案1112.3 12.3 汽车优化设计汽车优化设计 12.3.1 概述 进行汽车结构的优化设计，需要掌握以下两个主要环节：(1)建立方程，即优化问题数学模型的建立。(2)选择优化方法，即优化问题的求解。12.3.2 优化问题的数学模型 1建立数学模型的概念 在汽车的优化设
8、计中，所谓建立数学模型，是指根据设计对象的要求，运用力学、机械设计的基础知识和汽车方面的专业知识，推导出一系列方程式或方程组。汽车设计电子教案1212.3 12.3 汽车优化设计汽车优化设计 12.3.2 优化问题的数学模型 2建立数学模型的内容 (1)设计变量 设计变量是在优化过程中需要不断进行修改、调整、一直处于变化状态的变量。设计变量可用向量的形式表示：，它形成一个设计空间。设计空间的每一个向量就代表一个设计，即设计空间的一个点就是一个设计。(2)约束条件 对设计变量的取值要有一定限制，这些限制条件是设计变量的函数，称之为约束条件或约束函数。12.nxxxx汽车设计电子教案1312.3
9、12.3 汽车优化设计汽车优化设计 (3)目标函数 目标函数是设计中预期要达到的目标与设计变量之间的关系表达式。(4)数学模型 一般形式如下：求设计变量向量 ,使得 目标函数 ，且满足 等式约束 不等式约束12Tnxxxx minf x 0ih x 1,2,im 0jgx 1,2,jp汽车设计电子教案1412.3 12.3 汽车优化设计汽车优化设计 12.3.3 优化方法 1.常用优化方法 一般优化问题分为两类，一类是线性规划问题，另一类是非线性规划问题。由于工程问题多数是设计变量较多的约束优化问题，而且多为非线性的，宜采用迭代法逐步求解。所以绝大多数优化方法都是迭代性质的数值解法，这就决定了
10、它的近似性。2.无约束优化方法 在这类方法中，有坐标轮换法、鲍威尔法、共轭梯度法、DFP变尺度法、BFGS变尺度法等。汽车设计电子教案1512.3 12.3 汽车优化设计汽车优化设计 12.3.3 优化方法 3.约束优化方法 工程上出现的问题一般都是有约束的优化问题，其常用的方法是随机方向法、复合形法和惩罚函数法。12.3.4 解决优化设计问题的一般步骤 (1)建立优化设计的数学模型。(2)选择适用的最优化方法及相应的计算程序。(3)确定初始数据和初始设计点。(4)编写有关的主程序及函数子程序。(5)计算机求解并输出结果。(6)结果分析、比较。汽车设计电子教案1612.4 12.4 汽车机构动
11、态仿真汽车机构动态仿真 12.4.1 仿真概念 仿真是对所研究和设计系统的模型进行试验的过程。机械系统的仿真模型可以是一组表示力、结构尺寸和强度等相互关系的数学方程式。汽车设计电子教案1712.4 12.4 汽车机构动态仿真汽车机构动态仿真 12.4.2 仿真模型和仿真方法 仿真模型有许多形式，其复杂程度也各不相同。根据所采用的手段，可分为如下三大类：(1)模拟式模型和模拟机的仿真 (2)解析模型和数字仿真 (3)混合仿真 12.4.3 汽车机构运动学仿真 运动学仿真是指利用计算机仿真软件包求解机构在所计时间内的运动学方程，以确定机构在连续运动过程中各个构件的速度和加速度。汽车设计电子教案18
12、12.4 12.4 汽车机构动态仿真汽车机构动态仿真 12.4.3 汽车机构运动学仿真 这是MATLAB仿真工具箱Simulink等仿真软件包的仿真步骤和流程。汽车设计电子教案1912.4 12.4 汽车机构动态仿真汽车机构动态仿真 12.4.4 汽车机构动力学仿真 较为简单的动力学仿真方法是应用牛顿力学对每个单独的构件进行力学分析，根据描述机构构件加速度的约束条件建立起力与加速度之间的关系，由此构成关于构件加速度(平动和转动)和约束力的齐次线性代数方程组，再将方程组写成矩阵形式，就可以由仿真软件包求出每一时间的力与加速度。汽车设计电子教案2012.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12
13、.5.1 概述 有限元法是结构分析的一种数值计算方法。有限元方法的基本思想，就是将连续体划分为许多单元，通过一些节点把有限个单元，连成集合体代替原来的连续体。有限元方法的优点主要表现在以下方面：(1)节点可任意配置，边界适应性良好，能用不同的单元划分任意几何形状的结构。(2)适应性强，应用范围广泛，对许多复杂的工况和边界条件，都可灵活地加以考虑。(3)由于采用矩阵表达和运算，因而便于编制计算机程序。汽车设计电子教案2112.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.2 有限元法的分析过程 1.结构离散化 把实际结构划分为若干单元，使力学模型变成离散模型，以代替原来的结构。2.单元分析
14、结构离散化之后，进行单元的力学分析，建立各单元的节点位移和节点之间的关系式。以导出“单元刚度矩阵”。汽车设计电子教案2212.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.2 有限元法的分析过程 有限元方法的推导方法有三种：直接法、变分法和加权余数法。下面以直接法为例，说明单元刚度矩阵的推导过程。(1)选择位移函数 (2)单元应变表达式 由位移插值函数可导出用单元节点位移表示的单元应变表达式。应变 可表示为 (3)单元应力表达式 eB eeEBS汽车设计电子教案2312.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.2 有限元法的分析过程 (4)单元刚度矩阵 利用虚功方程可建立单元节点
15、力与节点位移之间的关系式，即单元刚度方程3.整体分析 (1)建立整体刚度矩阵 可以通过结构上各节点的静力平衡条件或用刚度集成原理求得整体刚度矩阵，其中使用刚度集成原理的方法更为方便，使用更为广泛。eeeFK汽车设计电子教案2412.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.2 有限元法的分析过程 (2)建立载荷向量 直接作用在节点上的外载荷可直接加入 中，而对非节点载荷，则应先化成等效载荷，然后按照单元节点与整体结构节点的对应关系，加入 中。(3)求解单元应力 求解这个以节点位移为未知量的线性方程组，得到整体结构上各节点的位移，就可以知道各单元的节点位移，将单元节点位移代入单元应力与单
16、元位移的关系式就可以得到单元上的应力。R R KR汽车设计电子教案2512.5 12.5 有限元分析法有限元分析法 12.5.3 有限元结构分析软件简介 比较成熟并且普及较广的有美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的SAP、美国麻省理工学院研制的ADINA、美国国家航空与航天局研制的NASTRAN、德国斯图加特大学宇航结构静动力学研究所研制的ASKA、世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发的ANSYS软件等等。12.5.4 有限元法在汽车设计中的应用 下面以汽车桥壳的有限元计算为例，介绍有限元在汽车设计中的应用。载荷处理如下：汽车设计电子教案2612.5 12.5 有限元分析法有限
17、元分析法 12.5.4 有限元法在汽车设计中的应用 (1)垂向载荷。取一个车轮上的垂向载荷，按余弦规律分布于半轴套管底面的对称位置的n个节点上(节点数n根据网格划分情况及载荷分布范围决定)。(2)纵向制动力。取一侧车轮上的制动力，按余弦规律分布于每侧车轮中线处半轴套管前侧的对称位置的n个节点上，制动力矩按力矩等效原则均匀分布在制动底板所在桥壳截面的各节点处。(3)侧向力。假定一侧车轮的侧向力均匀地分布到车轮中心线处半轴套管截面的m个节点上。汽车设计电子教案2712.6 12.6 逆向工程逆向工程 12.6.1 概述 1.逆向工程的概念 从实物到产品的过程，称之为逆向工程，或反求工程(反向工程)
18、。因此，逆向工程是将实物转变为CAD模型的数字化技术、建模技术和产品制造技术的总称。2.逆向工程过程 3.逆向工程的应用汽车设计电子教案2812.6 12.6 逆向工程逆向工程 12.6.2 逆向工程的技术基础 1.测量技术 产品实物的数字化，首先是运用特定的测量设备和测量方法获取实物模型表面离散点和坐标数据，即数据采集。2.建模技术 CAD模型构建是根据坐标测量机得到的数据点构建实物对象的几何模型，通常可以分为线框(wireframe)、曲面(Surface)、实体(Solid)三种模型。近年来，还发展了特征模型、产品模型以及仿生模型等。(1)逆向工程中的曲面表示汽车设计电子教案2912.6
19、 12.6 逆向工程逆向工程 12.6.2 逆向工程的技术基础 A、B样条及NURBS曲面。B样条及NURBS曲面是目前成熟的商品化CAD/CAM系统中广泛采用的曲面表示方法，这类曲面可以应用四边参数曲面片插值、拉伸、旋转、放样(Lofting)或蒙皮(Skinning)、扫掠(sweeping)；混合(Blend)和四边界方法(Boundaries)构造。B、三角曲面。利用型值点估算出曲面的局部几何性质，得到曲面的特征线(阶跃、尖角及曲率极值)，以这些特征为基础建立初始的三角形网格，三角划分中，未用到的点都当作冗余数据。最后，通过三角Bezier曲面构建出一张光滑的曲面。汽车设计电子教案30
20、12.6 12.6 逆向工程逆向工程 12.6.2 逆向工程的技术基础(2)逆向工程曲面造型方法 A、基于曲线的曲面重建方法。B、基于测量点直接拟合的曲面造型方法。C、模型重建中的几何特征及约束恢复。D、断层数据的三维重建。(3)模型评价 A、曲面光顺。B、模型精度评价。汽车设计电子教案3112.6 12.6 逆向工程逆向工程 12.6.2 逆向工程的技术基础 3.快速原型制造技术 (1)快速原型制造技术的概念 快速原型制造技术(Rapid Prototyping Manufacturing,RP&M或RP)是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术。(2)快速原型制造技术的步骤 (3)快速成型技术的特征 (4)快速原型制造的成形方式 (5)快速原型制造技术工艺原理 (6)快速模具制造技术
