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1、工程分析概述及知识管理,2018年03月16日 V1,0,.,2018年03月16日 V1,目录,.,1,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,工程分析，也称CAE（Computer Aided Engineering），是指工程设计中计算机辅助工程，其应用范围很广，包括结构分析、碰撞安全性、流体力学、电磁兼容、多刚体动力学、车辆动力性、燃油经济性、涉水、气动噪声等等。,2,NAVECO进行的工程分析技术包括： 结构分析技术 结构疲劳分析技术 碰撞和安全分析技术 车辆动力学分析技术 CFD分析技术 NVH分析技术,工程分析技术在产品开发中的作用： 在产品开发阶段通过虚拟手段来
2、预测产品的性能，降低产品开发风险，提高产品质量。 与试验技术相比，效率高，结果一致性好，成本低，降低了研发时间，节省了成本。,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,3,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,4,工程分析使用的工具： HYPERWORKS （前后处理） NASTRAN （线性求解器） ABAQUS （非线性求解器） LS_DYNA （碰撞和安全求解器） RADIOSS （碰撞和安全求解器） ADAMS （多刚体动力学） TRUCKSIM （一维车辆动力学仿真） NCODE （疲劳耐久） FEMFAT LAB （虚拟迭代+数据处理） STAR C
3、CM+ （车辆CFD分析） LMS TESTLAB （测试设备+处理） Mode Frontier （DOE优化工具） Matlab （编程工具，用来联合仿真）,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,5,结构分析,线性分析,非线性分析,刚度分析,强度分析,模态分析,频响分析,瞬态响应分析,线性屈曲分析,结构优化技术,热分析,拓扑优化,尺寸优化,形貌优化,形状优化,材料非线性,几何非线性,接触,结构分析,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,6,模态分析,模态是结构的固有振动特性。 模态特性包含自然频率（ natural frequency ）、振型、阻尼。,
4、频率的大小取决于：结构的刚度和质量。对于单自由度系统，模态频率的表达式为：,通过模态分析可判断： 结构件刚性是否满足要求； 结构的薄弱点在哪个方向，哪个部位； 结构件强度是否满足要求； 结构件是否存在NVH问题；,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,7,模态分析,模态频率值低,刚度低,变形大,工艺控制不好,应力大,疲劳开裂,密封性不好,漏风漏雨漏声,抖动,疲劳开裂,异响,振动被放大,共振,制造精度低,舒适性差,电子元器件工作异常,碰撞：车门打不开,车辆操控性降低,运动干涉,模态频率值对性能的影响,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,8,模态分析,针对零部
5、件哪些需要做模态分析： 当外界的激励远小于所在部件系统的固有频率时可不需要做模态分析。 如：转向节、车轮、钢板弹簧支架、转向摇臂等，这些一般不需要进行模态分析。 需要考虑模态分析的件： 对于传动轴吊挂的支架，一般要求其第一阶固有频率大于传动轴最大转速/30*(1.2-1.5),否则可能会引起NVH的问题，或者支架耐久的问题。 对于安装在动力总成上的支架，如离合器泵固定支架，一般要求其第一阶固有频率大于发动机最大转速/30*(1.2-1.5)，否则可能会引起NVH的问题，或者支架耐久的问题。 对于安装在车架上纵梁上的支架，如储气筒固定支架，一般要求其第一阶固有频率大于35Hz，否则可能会引起NV
6、H的问题，或者支架耐久的问题。,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,9,模态分析 例:白车身模态分析,评价指标： 1）白车身第一阶模态频率值不小于18Hz（针对M1和M2类车辆）； 2）局部模态频率不小于30Hz； 3）振型平滑没有明显突变； 针对改型项目，一般要求不能低于原型车。,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,10,模态分析 例:附件类支架模态分析,一般评价指标： 1）Z方向的模态频率值35Hz； 2）X和Y向的模态频率值最好35Hz ，但最低不小于20Hz； 3）模态应变能没有明显集中；,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,
7、11,刚度分析,刚度是指构件结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的力。 静刚度：是在线性弹性的范围内，其大小是由结构本身特性决定的，与外载荷无关。 通常零部件的刚度是指零部件的静刚度。比如车身的弯曲刚度，扭转刚度。 动刚度： 在任意动态载荷作用下，稳态时的作用力和稳态响应位移之比，称为动刚度；,动刚度主要考察系统的动态特性，主要应用在振动和噪声领域。,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,12,刚度分析 例： 白车身弯曲刚度、扭转刚度 车门横向刚度分析 车门安装点刚度 前端安装点刚度 引擎盖,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,13,开口变形量过大，
8、会导致车身密封性差，车门卡死、风挡玻璃破碎、漏雨、渗水等故障。也可能导致开口部位应力过大。,刚度分析,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,14,刚度分析,扭转刚度以及强度分析（IVECO产品系列）,A）带前后悬架，包含前悬架的导向结构，后悬架需要带假簧.前悬架的减振器用刚性的二力杆代替； B）约束方式如图所示，前轴绕X轴旋转2度； C）扭转工况白车身需要带前挡风玻璃，侧窗可带可不带； D）如果有可能，车身的质量尽量合理的配置在车身上。,评价指标： 扭转刚度 应力值 车身各部分的变形量,备注：车身大部分的破坏是发生在扭转工况，扭转工况是考察车身强度的重点。,2018年03月1
9、6日 V1,一、工程分析技术概述,.,15,刚度分析,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,16,强度分析 是指结构抵抗破坏的能力。 破坏通常有两种：1）塑性变形 2）脆性断裂 3）疲劳裂纹、断裂,强度计算评价： 在规定载荷的作用下，构件所产生的应力、变形量、残余变形量。,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,17,强度分析,强度通常的计算方法：,典型四个极限的工况： 1、垂向动载（Z向-3g） 2、急转弯（Y向0.7g或单轮离开地面） 3、急制动（X向0.8g） 4、扭转（对角线上抬车轮或单轮悬空） 不同的汽车厂商计算的方法不完全相同，在这基础上有所变化。
10、,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,18,强度分析,车门Slamming强度分析,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,19,强度分析,前翼子板失稳凹陷分析,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,20,强度分析,静强度分析中安全系数需要考虑如下因素：,1）对标车型的安全系数 （） 2）零部件所受载荷的类型 对称循环载荷，脉冲循环载荷 例：减振器支架、板簧支架 3）零件所受载荷的大小来历，必要时可按正常载荷来分析。 载荷获取的途径：是按极限工况来取，还是按一般工况来取； 个别极限工况下的安全系数可以小于1。 例：极限工况、离合器支架。 4
11、）部件的类型 分安全件、主要件、一般件 5）材料 延展性比较好的材料、脆性材料 6）载荷产生的频次 7）对于冲压件，最大应力产生在零部件的边上还是在内部 8）应力的状态：是拉应力还压应力 如果是压应力，安全系数可以适当放宽 9）焊缝位置适当增加安全系数 ,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,21,优化分析,对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化的设计是降低重量而保持原功能不变，其轻量化的效果是直接的减重。 现有功能尚不能全部满足要求或需要提升的汽车，轻量化设计是完善功能而保持质量不变，如改进汽车的动力学性能，NVH性能和声学性能，操纵稳定性，提高汽车的刚度和安全性等。 汽车
12、轻量化设计既要提高改进性能，同时也使汽车减重。汽车的轻量化设计实际上是功能改进，重量降低，结构优化和合理价格的结合。,轻量化的定义,轻量化系数=重量 /性能,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,22,优化分析,结构优化方法： 1）拓扑优化（Topology optimization） 在给定的设计空间内找到最优的材料分布。主要应用在概念设计阶段，目的是为了找到指定工况下材料的最优分布。这种方法在底盘上的铸件应用比较广泛。 2）形貌优化（Topography optimization） 在钣金件上找出最佳的加强筋位置和形状。此优化方法主要应用于提高结构的刚度和降低噪声为目的的
13、概念设计。 3）形状优化（Shape optimization) 直接基于有限元网格优化产品的位置和几何形状。 4）尺寸优化（Size optimization) 尺寸和参数优化，比如优化焊点的直径，优化钣金的材料厚度。,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,23,优化分析,123456,123456,Load=5000N，方向沿X轴负向，与X 轴的夹角为15度,拓补优化的区域，体单元,非拓扑优化区域，壳单元,2,拓补约束条件： 1)加载点mag变形小于5.8mm； 2)体单元的体积最小,拓扑优化案例：,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,24,优化分析,
14、拓扑优化的结果,根据拓扑优化的结果进行工程设计,2mm QSTE500 Q/BQB 310 1.05kg,2mm QSTE500 Q/BQB 310 0.06kg,单件减重42% A42整车减重14kg,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,25,Design Problem Minimize the mass of the original (production) engine mount bracket while maintaining the same stiffness under all the functional load cases: Drive off
15、forward Drive off Backward Drive into pothole Drive out off pothole Transmission belt attachment load Assembly load (transportation),Optimization Problem statement: Minimize “Mass” With Constraints on nodal displacements,Method Used: Design space created from original design OptiStruct Topology opti
16、mization,优化分析,Engine Mount Bracket,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,26,7 Loadcases: Transport, Driving,. Minimize mass while maintaining same stiffness as the original design,Original Design Weight: 950g,Design Space,Optimized Topology,Final Optimized Design Mass: 730g (20% Reduction),优化分析,Engine Mount Bracket,2018年03月16日 V1,一、工程分析技术概述,.,27,优化分析,设计单元的密度是该焊点保留或删除的标志。密度越高，则说明该焊点对所考察的工况越重要，反之，密度越低，则该焊点所起的作用越小。,尺寸优化：,密度小于0.1的焊点分布,约束目标：扭转模态、弯曲
