新能源汽车轻量化技术 课件 项目5 车辆结构基本性能认识

新能源汽车轻量化技术项目5车辆结构基本性能认识任务1结构性能仿真介绍1、有限元法简介2、HyperWorks介绍任务1结构性能仿真介绍1.导入结构固有频率、刚度、强度、稳定性等基本性能决定了结构承受外部载荷的响应方式和能力。结构固有频率是结构的固有特性之一，是反映结构对外界载荷激励的响应特性；结构的强度决定了它能够承受多大的压力或拉伸而不发生破坏；结构的刚度则决定了它对变形的抵抗能力。为了确保结构的基本性能，需要进行结构静力分析、动力分析、稳定性分析等仿真分析。有限单元方法（FiniteElementMethod）简称有限元法，是计算复杂微分方程近似解的一种非常有效的工具，也是当前工程分析领域广泛应用的数值计算方法。任务1结构性能仿真介绍2.有限元法简介有限元法算是比较年轻的学科分支，其基本思想可以追溯到1943年柯朗提出的在一系列三角形区域上定义的分片连续函数的最小能量原理相结合来求解圣维南扭转问题。此后，不少应用数学家、物理学家和工程师分别从不同角度对有限元法的离散理论、方法及应用开展了大量研究积累。随着电子计算机的出现，有限元法开始展现了其巨大实际应用价值。1960年进一步求解了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称，由此开始有限元法的早期发展。1970年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题。任务1结构性能仿真介绍2.有限元法简介单元类型简介为了拓展有限元法的应用领域，新的单元形式不断涌现。例如，采用插值函数相同的表示方法获得高阶单元。将形状规则的一阶单元变换为边界为二维或者三维单元，从而更加精确的对形状复杂的求解结构进行有限元离散。为满足不同工程实际问题需要，在构造结构结点参数中同时出现了包含位移和位移导数的梁单元、壳单元等单元类型。构造以多个场变量（如位移、应变、温度）等为结点参数的混合单元类型。在复合材料领域，出现了用于分析复合材料、夹层材料、混凝土等复合材料单元。任务1结构性能仿真介绍2.有限元法简介杆件单元主要用于模拟常见的拉压杆件结构，如图2-7所示，以CROD单元承受拉伸载荷为例分析结构位移与应力。CROD模拟的杆件长度为lmm，在杆件A,B两端分别施加大小相等，方向相反的拉伸载荷F（单位牛顿），杆件横截面面积为Smm2。任务1结构性能仿真介绍2.有限元法简介任务1结构性能仿真介绍2.有限元法简介二维单元（Two-dimensionalElements），也称为面单元类型，主要用薄壳类片体建模。最常用的2D单元是一阶三角形单元和四边形单元，也有二阶三角形和四边形单元类型。二阶单元是在一阶单元的两个节点中间插入一个节点参与数值运算。二阶单元有助于提高计算精度，同时也将耗费更多计算硬件资源和计算时间。一阶三角形单元如图2-12所示，分别由节点1（x1,y1）,节点2（x2,y2）,节点3（x3,y3）三个节点组成。任务1结构性能仿真介绍2.有限元法简介三维实体单元（Three-dimensionalElements）或称为体积单元，是用来模拟厚度与长宽尺寸相等的三维结构设计。由于几何设计中，零件厚度与其长宽几尺在同一数量级，不适合使用薄壳的片体单元模拟。例如，汽车发动机缸体，转向节等实体零件。在这类零部件仿真分析中，通常使用三维实体单元进行几何结构离散化单元模拟。任务1结构性能仿真介绍2.有限元法简介随着计算机技术的飞速发展，基于有限元方法原理的软件大量出现，并在实际工程中发挥了愈来愈重要的作用；目前，著名的专业有限元分析软件公司有几十家，国际上著名的通用有限元分析软件有ANSYS、ABAQUS、MSC/NASTRAN、MSC/MARC、ADINA、RADIOSS、ALGOR、PRO/MECHANICA、IDEAS等。还有一些针对行业的专门的有限元分析软件，如LS-DYNA，DEFORM，PAM-STAMP,AUTOFORM、SUPER-FORGE等。任务1结构性能仿真介绍2.有限元法简介年份软件名称开发者1966NASTRANMacNeal-SchwendlerCorp.,USA1969MARCMARCAnal.Corp.,USA1970ANSYSSwansonAnal.Syst.,USA1972ADINAADINAR&DInc.,USA1978DYNA2D,DYNA3DLivermoreSoftwareTech.Corp.,USA1979ABAQUSHibbit,Karlsson&Sorensen,Inc.,USA1984ALGORAlgorInc.,USA1989HyperMeshAltairInc.,USA任务1结构性能仿真介绍2.HyperWorks介绍HyperWorks商业软件工具是由1984年成立的Altair公司开发发行的仿真产品。Altair公司于1989年首次发布通用有限元建模软件HyperMesh。该公司以HyperMesh为依托，为客户提供优质的产品开发工程技术咨询服务，包括但不限于设计开发、工程设计、CAE分析模拟等。目前Altair公司旗下的Hyperworks软件平台是集造型设计、可视化建模、仿真计算、仿真数据后处理等功能于一体。软件分析求解功能包括基础静力学分析、动力学分析、结构振动分析、流体力学分析、成型分析、优化设计、增材制造等多学科领域。软件平台包括HyperMesh、HyperView、HyperGraph、MotionView、Optistruct、HyperFrom、RADIOSS等多个产品。任务1结构性能仿真介绍2.HyperWorks介绍任务1结构性能仿真介绍2.HyperWorks介绍在结构优化设计与仿真计算方面，OptiStruct使用最先进的优化算法，拥有最强的优化仿真技术。OptiStruct可以高效解决具有成千上万设计变量的复杂结构优化问题，其先进的优化引擎方便用户使用结构拓扑优化、形貌优化、尺寸优化和形状优化等方法来创建更多更好的优化设计方案，也可以联合多种优化方法求解并实现更符合生产制造工艺的轻量化结构设计方案。在产品设计开发初期，用户基于结构布置空间、设计预期目标和制造工艺参数约束等条件，应用OptiStruct给出满足设计目标基础的优化设计方案，高效快捷地完成最优质的概念设计方案。任务1结构性能仿真介绍2.HyperWorks介绍任务1结构性能仿真介绍2.HyperWorks介绍任务2

结构模态性能介绍1.导入模态是弹性结构系统固有的、整体的振动特性。线性结构系统的自由振动被解耦为正交的单自由度振动系统，对应系统的相应的模态。每一个模态具有特定的固有频率和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析的方式获得，这个计算或试验分析过程称为模态分析。通过结构模态分析法，可获得机械结构在某一频率范围内各阶次模态的振动特性，以及结构在此频段内受内部或外部各种振源激励作用下的振动响应结果。任务2

结构模态性能介绍2.车辆NVH性能介绍车辆NVH性能（即Noise、Vibration和Harshness）和可靠性、安全性、经济性及动力性等性能一样，已经成为考核汽车性能的关键指标。其中振动噪声性能越来越受到关注，已经成为影响一部汽车品牌最重要的指标之一。随着顾客和国家法规对NVH性能也要求越发严格。汽车振动噪声是各国面临的共同问题，也是制约我国汽车发展的关键技术。整车NVH性能的关键就是车辆结构系统固有振动特性的体现。任务2

结构模态性能介绍2.车辆NVH性能介绍整车或零部件系统模态是指整车或零部件系统结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析任务2

结构模态性能介绍2.车辆NVH性能介绍图5-4内饰车身模态测试任务2

结构模态性能介绍2.车辆NVH性能介绍图5-4内饰车身模态测试Noise，Vibration，Harshness任务2

结构模态性能介绍2.车辆NVH性能介绍有限元模态计算方法是将车身结构几何零件采用离散化处理并装配连接成有限元模型。通过计算软件对该车身有限元模型对应的质量矩阵[M],刚度矩阵[K]和阻尼矩阵[C]进行计算并得到系统振动的动力学方程。通过数值计算求解运动方程对应的特征根就可得到车身系统的模态频率和振型。任务2

结构模态性能介绍2.车辆NVH性能介绍任务2

结构模态性能介绍2.车辆NVH性能介绍任务2

结构模态性能介绍2.车辆NVH性能介绍排气系统是燃油车非常重要的组成部分之一，包括排气管、排气挂钩、消音器等结构。在乘用车舒适性中，排气系统设计重点关心的就是系统模态、振型和排气挂钩动刚度等问题。排气系统涉及排气挂钩、排气吊耳以及排气系统与发动机的连接等模型处理是排气系统建模的关键。任务2

结构模态性能介绍2.车辆NVH性能介绍任务2

结构模态性能介绍2.车辆NVH性能介绍任务3

结构刚度性能介绍1.导入刚度是指材料或结构在承载载荷时所表现出的结构抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征。在物理学中，刚度是零件荷载与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力或者力矩载荷。在工程领域，刚度对于机械结构、车辆结构、飞行器和舰船等结构的稳定性至关重要。如果结构刚度不足，可能会导致失稳或者在流场中发生颤振等灾难性事故。任务3

结构刚度性能介绍2.车身刚度多数乘用车都采用承载式车身结构，车身是车辆结构的承载基础，因此应具备基本的刚度、强度等性能。其中，车体结构总成刚度是车身结构的基本性能之一。就车体总成而言，车身刚度主要包括整体弯曲刚度和扭转刚度性能。任务3

结构刚度性能介绍2.车身刚度将车辆简化为图5-9所示主要包括左右纵梁、门槛梁等结构和地板平面的框架模型。整车坐标X轴由车头指向车尾为正方向，其中点3和点10位置的X坐标标识车辆轮心位置。车身弯曲刚度主要反映车身在车轮支撑条件下，承受垂向载荷的整体抗变形能力。因此，试验中通常在车身前后轮心X向坐标位置建立类似简支梁的约束状态，在前后约束中间加载试验载荷。试验测量点位于车身底部，排布位置参考图5-9所示的测量点。任务3

结构刚度性能介绍2.车身刚度图5-9车身刚度试验简化模型任务3

结构刚度性能介绍2.车身刚度测试数据通常采用三次测量取平均值为以数据记录。同时，测试中还需考虑结构安装间隙等因素，采用不同载荷加载测试，观察测试数据分布情况。以某车身弯曲刚度测试为例，试验数据记录如表5-3所示。弯曲试验加载载荷分别为1000N，2000N，3000N和4000N。测试点以X坐标分布为参考布置，其中X坐标1360mm和1361mm位置的测点分布布置在地板纵梁和门槛梁上。每组载荷对应的车身位移数据均为3次测试读数的平均值。任务3

结构刚度性能介绍2.车身刚度图5-10车身弯曲刚度试验任务3

结构刚度性能介绍2.车身刚度测量点位置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纵梁及门槛梁位置处弯曲刚度测量变形结果通常定义车身弯曲刚度K=F/Δ,计算车身刚度并绘制不同测点位移曲线。任务3

结构刚度性能介绍2.车身刚度车身安装点重点是考察安装面法向刚度性能，由于车身结构安装的零部件多，安装点法向布置与车辆整体坐标方向往往存在不一致的情况。因此，车身安装点刚度分析需要结合每个安装点的位置分布，创建局部坐标系。理论上，每个安装点应创建一个局部坐标系。为方便加载和结果后处理，参照分析规范并规定局部坐标的Z轴沿安装孔的法线方向且方向朝外，安装孔平面构成局部坐标的XY平面。结合车身安装孔刚性试验和车身底盘连接关系，车身刚度分析通常约束车身前后支柱连接孔中心123自由度。在局部坐标下对车身关键安装点施加200N的法向载荷，并测量加载点的法向位移。任务3

结构刚度性能介绍2.车身刚度图5-11车身安装点刚度工况任务3

结构刚度性能介绍2.车身刚度以某车型前门上铰链1号安装孔刚度为例，完成上述设置并查看分析结果如图5-13所示。结果数据显示，前车门上铰链1号安装孔局部坐标系下Z向位移为-0.134mm。因为加载力的方向是沿局部坐标-Z方向，最大位移值为在局部坐标下为负是正确结果。根据安装点刚度分析规范，加载点的为载荷为200N，其对应位移的绝对值为0.134，因此该安装点的局部刚度值为k=200N/0.134mm=1492N/mm。任务3

结构刚度性能介绍2.车身刚度图5-13车身安装点位移任务3

结构刚度性能介绍3.车身轻量化系数我们知道，车辆除了材料选用、生产制造工艺、车身结构设计会影响车身重量外，车身尺寸也是重要的影响。由于不同车辆在尺寸设计、功能定位和性能指标等方面有不同的要求，车身结构尺寸、车身性能差异明显。正是因为不车型之间有这么明显的差异，依靠单纯的车身重量是难以客观的反映车身结构轻量化技术应用水平。那么如何评价不同车身结构在结构设计、生产制造方面轻量化技术水平呢？如图5-14所示，车身结构设计中主要有轴距、轮距以及车身高度等尺寸参数来衡量车身整体尺寸大小。任务3

结构刚度性能介绍图5-14车身轻量化3.车身轻量化系数任务3

结构刚度性能介绍

3.车身轻量化系数任务3

结构刚度性能介绍4.部件系统刚度以尾门为例，尾门系统刚度分为整体刚度和局部刚度两种类型，整体刚度包括尾门弯曲刚度、扭转刚度和侧向刚度等。局部刚度主要用于考察尾门铰链安装点、锁扣点、支撑杆安装点、雨刮安装点等位置局部刚度。尾门扭转刚度主要考察尾门整体结构抗扭转变形的能力。如图5-15所示为某尾门扭转刚度分析模型和位移结果。图5-15a的分析模型包括尾门本体和铰链结构。约束铰链与车身连接螺栓孔中心123456自由，约束尾门锁扣中心123自由度。分别位于尾门下缓冲块位置施加大小相等方向相反的集中载荷，集中载荷作用形成的力矩为200Nm。左右缓冲块距离为1200mm，根据加载力矩计算，左右缓冲块加载的集中载荷大小为166.7N。任务3

结构刚度性能介绍图5-15尾门扭转刚度分析4.部件系统刚度任务3

结构刚度性能介绍

4.部件系统刚度任务3

结构刚度性能介绍尾门侧向刚度主要考察侧向载荷作用下尾门整体结构的抗变形的能力。如图5-16所示为某尾门侧向刚度分析模型及位移结果。图5-16a所示的尾门侧向刚度分析模型包括尾门本体和铰链结构。约束铰链与车身连接螺栓孔中心123456自由，约束尾门锁扣中心13自由度。由于侧向刚度的载荷是沿车身Y向施加，所以加载点需要释放2方向的自由，允许尾门沿作用力方向移动。在锁扣中心沿Y向施加200N的集中载荷。如图5-16b所以，尾门在侧向载荷200N作用下，加载点侧向位移为2.24mm，尾门对应的侧向刚度为89N/mm。4.部件系统刚度任务3

结构刚度性能介绍4.部件系统刚度图5-16尾门侧向刚度分析任务3

结构刚度性能介绍4.部件系统刚度尾门弯曲刚度测试和仿真模拟尾门与车身上下安装状态，如图5-17a所示，约束铰链安装孔123456自由，约束锁扣中心12自由度。在尾门左右启动支撑杆安装孔位置，沿局部坐标Z轴加载200N。完成尾门弯刚度分析约束和加载后提交OptiStruct计算，分析结束后应用Hyperview导入分析模型和分析结果，查看尾门在弯曲载荷作用下的法向位移量。如图5-17b所以，尾门结构总的受载载荷为400N,尾门整体弯曲载荷加载点最大位移为2.5mm，尾门对应的弯曲刚度为160N/mm。任务3

结构刚度性能介绍4.部件系统刚度图5-17尾门弯曲刚度分析任务4

结构优化基础介绍1.导入结构优化是指在满足一定约束条件下，通过调整结构的布局、尺寸和材料等设计参数，使得某种特定的目标函数达到最优值的过程。这个过程旨在寻找一种最优的设计方案，使得结构在性能、成本、可靠性等方面达到最佳平衡。结构优化设计是有系统的科学方法，并且在工程技术领域已有成熟的应用。任务4

结构优化基础介绍2.基础知识结构优化设计其实可以分为两个阶段：概念设计阶段和详细设计阶段。概念设计属于产品研发初期，而详细设计属于研发后期，简单的说，概念设计就是先得出结构的基本形状，详细设计就是在此基础上做更加细化的设计。概念设计阶段的结构优化技术有拓扑优化（Topology）、形貌优化（Topography）和自由尺寸优化（FreeSize）。详细设计阶段的结构优化技术有尺寸优化（Size）、形状优化（Shape）、自由形状优化（FreeShape）。总体而言，结构优化技术大体上可以分为三种：拓扑优化、尺寸优化和形状优化。任务4

结构优化基础介绍2.基础知识4.2.1拓扑优化拓扑优化的核心思想是在给定工程结构和边界条件下，通过设计材料的分布，改变物体的拓扑结构，从而达到减小体积、减轻重量、提高强度等实际应用需求的目标。其基本流程包括：建立结构模型、定义设计目标和限制条件、设计初步材料分布、评估设计结果、调整并继续迭代，直到满足设计要求。拓扑优化应用广泛，如建筑物结构、车身设计、飞机零件、医学设备、柔性机器人、微电子器件等领域。任务4

结构优化基础介绍2.基础知识4.2.2尺寸优化尺寸优化方法用于探索超出设计者经验的新的结构形式，有助于零件的结构创新。其重要特征是结构形状和拓扑构型在优化设计之前就已知，并且在整个优化设计过程中保持不变。优化目标一般是零件的最小重量的尺寸形式，要求其必须满足一定的约束条件，如强度、静力、动力等。尺寸优化问题的另一种表述是在给定的结构重量下，寻求使结构强度、刚度等力学性能最优的尺寸形式。任务4

结构优化基础介绍2.基础知识4.2.3形状优化相对于尺寸优化而言，形状优化既可改变结构组件的尺寸，也可改变结构边界的形状。由于在迭代求解过程中结构的边界形状不断变化，因此在形状优化过程中一般需要不断更新或者重新划分有限元网格。形状优化设计中另一个关键问题是结构边界的描述模型，一般是通过某种方式将结构边界参数化或者离散化，从而实现结构边界的演变。任务4

结构优化基础介绍3.优化基础理论经典的设计优化过程包括：选择设计变量，分析设计指标，评估设计结果，确定控制边界或者条件（如，成本、需求、周期等），获得满足需求的设计效果，再验证设计产品性能指标。OptiStruct为工程师提供有效的概念设计工具，最大限度地减少“重新设计”成本和上市时间。基于设计优化过程所涉及的输入与约束，OptiStruct优