汽车车身结构综合分析与试验及评价研究

汽车车身结构综合分析与试验及评价研究合肥工业大学机械与汽车工程学院谭继锦2008.04.20车身产品开发---结构设计地位初步设计详细设计样车试制样车试验批生产准备概念设计方案审查设计审查设计定型结构设计设计标准、规范、方法、流程、验证------创新再造CAE分析与试验验证技术已经成为现代车身设计开发的重要环节；车身开发中分析是基础，试验是保障；CAT计算机辅助工程测试技术CAE计算机辅助工程分析技术并行工程技术优化设计技术加速试验技术产品寿命预估技术环境模拟试验技术结构动态分析技术逆向工程技术失效分析技术系统工程技术……新概念、新方法层出不穷！增强开发能力、缩短开发周期、提高设计质量、降低开发成本采用以知识库为基础的系统开发策略，---即综合分析与试验及评价策略以汽车车身结构为例现代产品研制设计数字样机数字样机仿真评价满意物理样机物理样机实验评价满意定型循环A循环B部件整车分析试验综合评价满意循环C背景------综合分析与试验及评价策略提出随着车型多样化以及车身产品开发进程加快，设计分析与试验费用加大；单一方法既费时费钱又不可靠，传统单一的设计分析试验开发流程已经不能满足企业的需求；由于设计分析人员经验不足，车身设计知识数据与标杆样车数据不足，设计标准不全，车身特性试验理解不细，分析评价及指导不到位等，使得车身设计中暴露的问题未能得到及时的修正，尤其是在车身定型后发现所存在的问题将是影响巨大的。车身结构分析与试验车身弯曲分析；车身扭转分析；车身及零部件模态分析；车身总成模态分析；碰撞安全性分析；车身结构疲劳寿命；结构拓扑形状优化；整车刚度、模态、动响应分析；。。。部件---总成---整车强调两头分析与试验及评价背景------综合分析与试验及评价问题一方面由于对新车型系列缺乏结构分析数据，难以突破设计要求范围，必须采用部件、总成、整车多个层次的设计验证试验。多层次试验验证有助于使部分技术难点在车身开发阶段就通过试验研究得到解决，避免整车试验的复杂性和实施困难。另一方面，车身设计、分析与试验交叉并行进行。试验模态技术与有限元技术已相对成熟，如何将试验数据、分析结果、积累的经验有效的用于车身设计，需要将分析与试验充分融合，并加以正确评估。车身结构动力学设计与分析车身评价是多方位多层次多方法多环境的。以车身结构动力学设计为例：首先要提出车身结构动态设计与分析要求；提出车身结构试验与验证要求；确定结构动态设计原则；进行结构动特性与动响应分析；进行车身频率规划，按照频率控制设计原则、响应控制原则以及噪声控制原则等进行动力学设计及优化；------通过分析并根据动力学设计要求合理选择车身结构形式，结构布局，以确保车身在行驶中能避开干扰频率的共振区，将最大响应控制在限制值内，并符合低噪声的要求。背景------综合分析与试验及评价策略改革现行的分析与试验及评价相分离的状况，弥补单一方法的缺点；在车身概念设计阶段，就需要有效利用建模与仿真，充分利用既往积累经验、结构设计数据库、车身试验数据，应用先期概念和技术验证；尽可能多地利用部件与整车试验数据，强调技术试验的综合性，使分析与试验数据共享，减少数据的不确定性，避免开发后期的重复性试验，使综合分析与评价方法成为车身开发的重要策略。综合分析与试验及评价策略综合分析与试验是一种虚实结合的车身动态特性研究策略，其综合体现在三个方面：1.借助建模与仿真技术完善车身概念开发；2.部件、总成、整车试验与有限元计算综合应用；3.研制阶段与试车阶段分析试验及评价的综合实施（尽可能合并）。综合分析与试验及评价策略评价是对设计、建模与仿真、测试及试车等一系列过程的分析与评论，需要结合综合分析与测试、灵敏度分析、优化设计与动态分析技术等明确问题、界定范围、建立准则、分析验证例如：借助模态分析来评价车身与汽车行驶中各种振源之间的动态干扰，避免共振的发生，评估车身和零部件的模态振型以确定需要的改进措施，分析车身各个设计参数的影响，同时能够对车身多个关键属性进行权衡。按照防止共振，提高动刚度和改善结构阻尼特性的原则，做到调频、减振和降幅的目的。思？？？路分级建模仿真------综合分析评价数字仿真---半物理仿真---物理仿真产品设计多阶段；建模分析多级别；试验验证多层次；综合评价多方法。方案模型思路需要分析与试验知识经验库的建立；CAE工具的综合；试验与评价技术的实施。执行以建模与仿真作为试验与评价知识库；充分利用各种研制试验和试车试验所反馈信息；从传统的试验-改进-试验方法，向建模与仿真-虚拟试验-改进模型-实车验证转变。有效地应用综合分析试验及评价技术，就能在车身开发早期识别问题，最大程度地减少有缺陷产品的风险，做到按设定频率来设计车身结构,按设定响应控制来设计车身结构,使汽车设计达到主动设计的境界，真正实现车身的正向设计。关键：整车结构特性仿真与试验现代分析技术使零部件质量缺陷下降了约40%，但整车质量缺陷仅下降了20%；需要对整车特性进行预测和评价，并从整车观点去修改，才能提高整车的设计质量！车身开发有继承性，车身静动态特性有规律！关键难点整车特性解析模型复杂；整车建模及计算工作量大；整车特性准确预测难度大；整车特性仿真模型不是零件模型的迭加；……解决整车特性仿真与性能仿真结合进行；结构试验与性能试验合并；分级建模技术；非线性柔性结合部结合方法；……关键综合分析与试验及评价策略-----是一种新型模式下的新产品开发技术，对推动创新产品研发、提高产品质量、降低研制费用和缩短试制周期具有重要意义！-------涉及面广，内涵丰富--------系统建模技术、多领域仿真技术、虚拟样机技术、界面技术、分级试验策略、综合评价…----------具有可操作性！！形成思路、方法、流程、标准、功能、体系。应用应用应用成果客车静动态分析与试验；货车静动态分析与设计;轿车刚度强度模态试验分析与评价；客车轻量化设计：减重200—470kg；货车轻量化设计：减重200—500kg;轿车轻量化设计：减重20kg；汽车结构综合分析与试验及评价方法研究；……结束语汽车结构综合分析与试验及评价是一种基于知识的系统研制途径，它综合协同地利用台架试验和分析，数学建模、仿真和分析，行驶试验和分析等多种试验分析方法，以建模与仿真作为试验与评价知识库以及各种台架试验和行驶试验之间反馈的一种工具，使结构仿真、虚拟仿真和实车仿真有机结合，为研制分析与评价和使用试验与评价的更经济有效的综合提供方法和途径。有效地应用综合试验与评价技术，将能在研制项目早期当问题更容易改进且改进费用更低时就能识别问题，能最大程度地减少接受一个有缺陷产品的风险，并促进对缺陷的纠正，因此能够缩短产品研制周期、降低研制费用和减少技术风险。结束语随着车型多样以及车身产品开发进程加快，设计与试验费用加大,传统单一的设计分析试验开发流程已经不能满足企业的需求，提出了综合分析与试验及评价技术的研究思想。改革分析与试验及评价策略、调整车身设计、车身分析与车身试验各部门关系,充分利用既往经验积累、结构设计数据库、车身试验数据，应用先期概念和技术验证。尽可能将研制试验与使用试验合并进行，实施综合试验，减少重复试验、强调技术试验的综合性；试验数据共享，就是折中考虑研制试验与使用试验的不同要求，进行一次试验后搜集足以满足研制试验与使用试验所需的数据。为汽车结构设计及静动态分析和方案优化奠定了基础。结束语汽车结构设计（设计流程，结构集成，各类分析）的综合和平衡；结构评价与分析，评估及提供改进方案；整车综合性能分析；结构设计有其自身的原理和规律，不存在唯一正确答案，需要不断的探索和完善。结束语可以使建模与仿真、台架试验和行驶试验实现协调一致。以这种方式识别出最有效的台架试验和行驶试验，来弥补模型的缺陷。无论多么高新的结构分析技术都不能取代用于评估汽车性能的整车道路试验。当汽车行驶时，所记录下的动态测试数据（如速度、加速度、动应变等），根据测试结果我们就能更好地了解汽车的真实结构响应。