汽车设计讲座

汽车设计讲座知识介绍
此次设计讲座主要讲解在汽车设计中CAE技术的应用，分三个主题来进行了介绍：
1、汽车振动噪声（NVH）分析。

2、汽车结构特性的分析和综合。

3、汽车结构的疲劳分析。

以上报告分别为美国通用汽车公司性能集成部门高级工程师钱阳、王聪、柏争先讲解，由于技术保密方面的要求，故所讲的内容均为公共信息。

下面我将分别对上述三个专题报告做介绍。

汽车振动躁声（NVH）分析
一、汽车NVH的简介：
NVH即英文Noise、Vibration和Harshness的缩写，中文的意思为噪声、振动和舒适性，汽车NVH的研究是近几年比较热门的一个研究方
向，随着客户对于汽车更苛刻的要求，NVH分析已经成为汽车设计一个
必不可少的内容。

二、VH产生的根源及其：
2.1、车辆的振动噪声主要来源于以下几个方面：
a.发动机及其传动系统的激励。

b.地面对车轮的激励。

2.2、振动噪声的体现：
一般我们将其分为两种情况：
a、结构噪声：主要发生在中、低频（0~500）范围内，其能量
通过结构来传播。

b、空气噪声：主要发生在高频（≥ 500）范围内，其能量通过
空气来传播。

三、 NVH分析方法：
目前NVH研究主要以激励源的振动频率来进行分类，根据频率范围NVH问题分为：
a.低频NVH分析：
其振动频率范围为0~150Hz，主要体现为结构的振动躁声。

分析主要应用下面的方法：
1、常规分析：
1.1、模态分析：
模态分析是解决低频NVH的最有用的方法。

白车身比装配车身具有更高的确定比装配车身更易于关联和验证，并且便于程序化的计算白车身和装配车身的挠
度模型与他们的网格成2跟次方关系，白车身的挠度被主要
的地板梁和其接头所控制，扭转模态由接头和截面确定。

局
部模型由肋和面曲率控制。

当装配车身模块的频率与其他零件模块一致的时候,将达到振动的峰值.因此,对于装配车身的那些主要零件
模块进行模态分析非常重要:
•-转向柱
•-座椅
•-油箱
•-仪表板
•-门
•-顶棚
•-边框
•-以及,所有质量大于1KG的零件
有限元分析时其模态值一般会比实际测量时低，这个问题的主要原因是由于实际测量时会出现多个模态的重合，从
而得到一个高的值。

1.2、静态分析：
1.3、灵敏度分析：
该分析是模态分析的补充，通过灵敏度分析可以确定车身各个部件对车身模态贡献，为设计更改提供明确的方向，目前
国内在此方面的工作做的不多。

2、频率响应分析：
2.1、频率响应分析的类型；
•-强迫响应分析(怠速/车轮/路面振动)
•-点活动性分析
•-主动轮/路面噪声分析
•-结构声学分析
2.2、频率响应分析的流程图
2.3、NVH分析的主要内容：
•-发系振动分析
•-操纵系统振动分析
•-底盘系统振动分析
Δ模态分析：离合器动作模态
Δ路面车轮摆动分析
Δ间接的车辆分析
Δ发动机安装系统确认
Δ排气管系统确认
Δ整个车辆模态噪声分析
Δ频率间隔图
•-车辆整体振动分析
•-车辆声学分析
b、高频NVH分析：
其振动频率范围为500Hz以上，主要体现为空气的振动躁声，在高频NVH分析时，解决噪音的首要就是解决车身上的孔，这与低频NVH分析时主要考虑车身结构有很大的不同。

分析主要应用统计能量法（SEA）。

统计能量法的理论实质上是能量的平衡，即输入能量等于输出能量，并同时保证能量输出的平衡。

统计能量法的原理是一维线性方程，计算高频NVH分析时，其模型要求没有其他的分析方法那么严格，而且计算化的时间不长，是解决高频NVH分析的理想方法。

由于理论比较简单，为了保证分析的精度，主要依靠分析人员的经验，主观性占比较大的比重。

c、中频NVH分析：
其振动频率范围为150~500Hz范围内，是结构和空气噪声综合产生的结果，在此频率范围内模态值太多，情况过复杂，计算难度太高，目前主要利用基于响应函数的子结构法来模拟，精度不高，还难于工程应用，解决中频NVH问题主要利用试验方法。

四、NVH分析软件
1、前处理软件：
HYPERMESH、PATRAN、LMS、IDEAS、SOFY
2、求解软件：
FEM/BEM、MSC/NASTRAN、SYSNOISE&COMET/ACOUSTICS
IN HOUSE SOFTWARE
3、后处理软件：
HYPERMESH、IDEAS、MATLAB、LMS/B
4、SEA软件：
SEAM、AUTOSEA、SEADS
汽车结构特性的分析与综合
一、CAE分析技术在汽车设计开发流程中的变迁。

CAE分析技术的是基于有限元及其它力学理论完善的基础上发展起来的。

最初该技术应用于航空领域，主要解决复杂结构的力学问题，随着计算机技术的快速发展，其应用的范围越来越宽广，逐渐成为验证设计的最佳方法。

在汽车设计领域其应用同样是越来越广泛，已经成为设计流程中的重要的组成部分。

早期的CAE分析技术，主要应用于技术攻关，当设计出现问题后，利用CAE分析技术去发现该问题产生的根源，提供一个解决方案。

在这段时间内，该技术的应用的范围相对狭隘了许多。

随着计算机技术的快速发展及各种理论的完善，人们对CAE技术的要求越来越高，出现了一大批专一的CAE 分析软件，而且在实际的应用过程中发现，该技术在设计流程中越早采用其效果越好。

现在在汽车设计流程中CAE分析技术已经发挥了很好的作用，随着该技术不断的自我完善，其分析的范围将越来越广泛、发挥的作用将越来越得到认可。

二、CAE分析技术与试验的关系。

CAE分析技术与试验其实是相辅相成的关系，CAE分析技术的发展离不开试验手段的验证，试验的方法同样需要CAE分析的指导。

二者都有其各自的优缺点，就试验而言，其结果比较直观、说服力较强。

但是试验同样存在着局限性，首先试验方法的正确性，许多试验其实同样不能完全模拟汽车的实际情况。

其次试验往往只是对局部问题的解决，试验结果人为因素太多。

最后试验比较耗时和耗财。

CAE分析技术其最大的好处就是在没有样件的情况下进行各种情况的模拟，得到结构的性能。

而且其分析的问题具有多样性。

目前国外汽车公司CAE与试验在设计中各占50%的工作。

4-----需要试验次数为1
三、 CAE 分析技术的应用：
1、 CAE 技术应用区域
下面为CAE 在汽车设计中应用区域示意图：
2、 CAE 的结构分析范围：
---刚度分析、模态分析。

---应力分析、疲劳分析。

---低速下结构的耐碰分析。

---安全性分析。

3、 车身结构分析：
---断面、接头的刚度分析及优化。

---焊点研究。

---车身刚度分析，计算弯曲、扭转刚度。

---模态分析，计算扭转、弯曲模态。

---安全性分析，诸如正碰、侧碰、翻滚下的车身结构的安全
性。

四、 优化分析：
优化分析是CAE 分析中比较好的一种应用工具，在汽车设计中的应用比较广泛。

优化分析的方法很多，在此主要介绍拓扑优化。

拓扑优化实际上就是外型优化，是优化分析中最佳的优化方法。

下面将以一个分析过程来进行简单介绍。

安全性 结构 发动机系统 驱动 操稳 振动、噪
声 疲劳
优化
优化分析应用范围：
1、各种开启件内板的优化。

2、车身断面的优化。

3、车身上安装件的优化。

4、底盘零部件的优化。

汽车底盘和车身结构疲劳分析的实用技术
一、疲劳分析理论：
1、疲劳分析的理论方法：
a、应力-寿命逼近法。

b、应变-寿命逼近法。

c、断裂力学。

2、疲劳分析的流程：
3、疲劳分析的本质：
疲劳分析是一种统计现象，目前难以计算出零件的绝对疲劳强度，一般主要采用对比分析的方法或者采用循环载荷作用下的结构进行判断。

疲劳主要是由于循环载荷的作用下零件表现出的抵抗破坏的能力，疲劳不是绝对值而是相对的。

疲劳分析目前主要应用应变-寿命逼近法，疲劳分析跟材料有比较紧密的关系，其实质就是在考虑材料的塑性性能的一种分析方法，而一般的静态分析材料是弹性的。

同材料的应力应变曲线、表面粗糙度、应力集中系数紧密相关。

二、分析载荷的获得方法：
国外目前计算载荷主要通过两方面获得，一为试验，二为利用ADMAS计算获得。

后者现在基本上占到主要的作用。