(现代汽车新技术概论)第十一章汽车设计开发技术的发展趋势课件.ppt

1、现代汽车新技术概论第11章 汽车设计开发技术的发展趋势【教学目标】通过本章的学习，了解现代设计方法的基本原则及现代汽车的设计方法。了解虚拟现实设计，绿色设计，并行工程的基本概念、设计方法及其在汽车行业的应用。了解汽车CAE、NVH在汽车业的应用。上一页下一页11.1 现代设计方法现代设计的特征（1）以计算机技术为核心 计算机技术的飞速发展对设计产生了巨大影响，表现为以下几个方面：设计手段更新 产品表示从基于投影原理的二维转变到三维“产品模型(Product Model)”有限单元法、优化设计、逆工程设计、并行设计、虚拟设计、模态分析、计算机仿真，以及以神经网络与模糊方法为代表的智能设计方法等先

2、进设计与分析方法的涌现和发展 随着计算机技术的发展，设计方法从传统的串行方式发展到并行方式 实现CAD,CAPP,CAM,CAE一体化 依赖于计算机技术的数据库技术的发展以及管理信息系统(MIS)、产品数据管理(PDM)等系统的广泛应用，企业管理水平大大提高 网络技术的发展，缩短了企业之间的联系，可实现优势互补和资源共享，使得企业生产组织模式呈现较大的开放空间（2）以设计理论为指导上一页下一页现代设计的原则（1）功能满足原则（2）质量保证原则（3）工艺优良原则（4）经济合理原则（5）社会使用原则上一页下一页返 回汽车设计的方式（1）传统的汽车设计（2）计算机辅助设计（3）计算机全程设计上一页下

3、一页返 回整车设计与开发技术过程 1)整车总布置设计 2)整车结构与性能分析(CAE)现代汽车设计的要求 现代汽车设计发展趋势 1)汽车设计的新概念2)汽车设计全程无人化3)计算机技术的广泛应用上一页下一页返 回11.2 虚拟现实设计 虚拟现实技术(VR，Virtual Reality)，又称灵境技术，是人的想象力和电子学、计算机科学等相结合而产生的一项综合技术，是20世纪90年代为科学界和工程界所关注的技术。虚拟现实是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统，虚拟世界由计算机生成，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的沉浸感、交互感。虚拟现实技术实际上是包括计算机图形学、图形处理与模

4、式识别、智能接口技术、人工智能技术、传感器技术、语言处理与响应技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统的集合。上一页下一页返 回虚拟设计 1)虚拟设计系统构造2)虚拟环境生成系统上一页下一页返 回虚拟设计系统结构构造示意图 虚拟现实技术在汽车开发中的应用（1）汽车设计的概念验证（2）虚拟风洞（3）汽车虚拟设计（4）虚拟维修上一页下一页返 回Flash11.3 绿色设计绿色设计的概念 1）绿色设计的定义 绿色设计GD(Green Design)，通常也称为生态设计ED(Ecological Design)、环境设计DFE(Design for Environment)、生命周期设计LCD(

5、Life Cycle Design)或环境意识设计ECD(Environmental Conscious Design)等，出于这些方法的目标基本相同，都是设计和制造生命周期对环境影响为最小的产品。绿色设计也可以被认为是以绿色技术为原则所进行的产品设计。所谓绿色技术(Environmental Sound Technology)，或简称EST，西方称之为“环境友善技术”，是减轻环境污染或减少原材料、自然资源使用的技术、工艺或产品的总称上一页下一页返 回绿色设计的特点（1）扩大了产品的生命周期（2）绿色设计是并行闭环设计（3）绿色设计有利于保护环境，维护生态系统平衡（4）绿色设计可以防止地球上矿

6、物资源财富的枯竭（5）绿色设计的结果是减少了废弃物数量及其处理的棘手问题上一页下一页返 回绿色设计方法 绿色产品设计阶段划分 绿色设计过程一般需要经历以下几个阶段：需求分析、提出明确的设计要求、概念设计、初步设计、详细设计和设计实施。上一页下一页返 回绿色产品设计阶段划分 环境方面的总体设计要求主要包括以下几个方面：（1）自然资源使用的最少化；（2）能源的消耗最少化；（3）废弃物的产生减量化；（4）对生态系统平衡的危害最小化；（5）人类健康和安全性的危害最小化。设计者可以根据具体的设计项目定性或定量地表达这些要求。上一页下一页返 回绿色设计的过程模型 绿色设计的过程模型 绿色设计在汽车工业中的

7、应用 汽车工业是绿色设计的先导，也是目前绿色设计应用比较深入的行业。过去，汽车设计人员总是设法将汽车设计的时髦豪华，但现在这一概念已经改变，取而代之的是把符合环境保护、小巧玲珑、节省燃料和适合家用作为新的设计指导思想。这就意味着世界汽车制造业将出现“绿色”行动，致力于绿色汽车的开发。绿色汽车必须具备两个标志，即废旧汽车能够回收利用及汽车的生产使用对环境无害或危害最小。上一页下一页返 回 11.4 并行工程并行工程的概述 一般产品成本在很大程度上是在产品开发早期阶段即：概念设计、结构设计、详细设计、过程设计阶段决定的，而这一阶段本身所占有的费用仅为产品全部成本的很少一部分(如图11.6所示)。由

8、于现代产品的客户化要求大大增强，使产品开发周期相对增长；然而随着用户对功能的要求逐步提高，使得产品使用周期越来越短(如图11.7所示)。这种形势迫切要求企业采用新的产品开发手段，以保证产品开发早期阶段能做出正确的决策，从而进一步缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本。上一页下一页返 回上一页下一页返 回产品开发过程成本曲线 产品开发使用周期相关曲线 并行设计在汽车设计中的应用 1）开发过程2）过程建模与仿真3）团队建设与管理上一页下一页返 回1 1）开发过程）开发过程（1）采用CAD，CAM，CAPP，DFA以及虚拟焊装等仿真技术，在产品开发的早期阶段就充分了解新产品的性能、结构以及车身

9、覆盖件和车架等零部件的可制造性问题。尽量减少设计错误，提高设计质量，同时增加DFX的使用，在产品设计阶段就考虑产品加工、装配和工艺等问题，提高设计一次成功的可能性。（2）采用IPT工作模式，该公司根据实际情况，组建四级团队，采用预发布和反馈的办法，并逐步使之制度化。在方案设计和结构设计的一定阶段，向后期设计阶段提前进行信息预发布。一方面，及时得到信息反馈，以提高工艺性、可加工性，另一方面，由于后期设计的提前，使后期设计人员及时体会设计意图，进行工艺和生产准备。（3）健全设计评审和工艺评审制度。评审的优点在于它增加了过程的质量控制，提高上下游设计人员之间的信息交流，使下游设计人员获得足够的信息以

10、开展他们的工作，有利于设计过程的并行和及时发现设计缺陷。（4）实现工艺、工装和材料的并行开发和准备，可精简设计过程，使制造系统与产品开发设计不构成大循环，从而缩短开发周期，提高产品质量。上一页下一页返 回2）过程建模与仿真过程模型 后勤模型协同模型数据模型 上一页下一页返 回 3）团队建设与管理（1）组织结构（2）管理模式（3）工作方式 （4）过程执行与管理上一页下一页返 回11.5 汽车CAE工程分析CAE应用于车身开发上成熟的方面主要有：刚度、强度（应用于整车、大小总成与零部件分析，以实现轻量化设计）、NVH分析（各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等）、机构运动分析等；而车辆碰撞模拟分析

11、、金属板件冲压成型模拟分析、疲劳分析和空气动力学分析的精度有进一步提高，已投入实际使用，完全可以用于定性分析和改进设计，大大减少了这些费用高、周期长的试验次数；虚拟试车场整车分析正在着手研究，此外还有焊装模拟分析、喷涂模拟分析等。CAE工程在汽车上的应用 1）刚度和强度分析（1）车架和车身的强度和刚度分析（2）齿轮的弯曲应力和接触应力分析（3）发动机零件的应力分析 上一页下一页返 回前部受压内板应力 前部受压外板应力 NVH分析 近年来，随着人们环保意识的增强，对汽车提出了更高要求。为此，国际汽车界制定NVH标准，即噪音(Noise)、振动(Vibration)、平稳(Harshness)三项

12、标准，通俗称为乘坐轿车的“舒适感”。上一页下一页返 回CI汽车中易产生振动部位 机构运动分析 机构运动分析就是根据原动件的已知运动规律，求该机构其他构件上某些点的位移、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。上一页下一页返 回机构运动分析 车辆碰撞模拟分析 汽车的安全性是汽车厂商、消费者、政府部门高度关注的问题。交通事故原因的统计分析表明，以预防事故发生的主动安全性只能避免5的事故，因此提高汽车被动安全性日趋重要。上一页下一页返 回汽车的模拟碰撞有限元模型 金属板冲压成型模拟分析 冲压成型过程数值模拟技术的出现为改变这种传统模式提供了强有力的工具。通过对冲压过程模拟分析得到

13、最佳模具结构和工艺条件，并能通过对板材冲压过程数值模拟，在计算机上观察到模具结构、冲压工艺条件（如压边力、冲压方向、摩擦润滑等）和材料性能参数（如皱曲、破裂）的影响，还可以提供最佳板料形状、合理的压料面形状、最佳冲压方向、以及分析卸载和切边后的回弹量，并补偿模具尺寸以得到尺寸和形状精度良好的冲压件。该技术使试模时间大大缩短，从而减少制模成本。上一页下一页返 回疲劳分析 根据疲劳理论，疲劳破坏主要由循环载荷引起。从理论上说，如果汽车的输入载荷相同，那么所引起的疲劳破坏也应该一样。因此，可以在试车场上按一定的比例混合各种路面及各种事件（如开门、关门、刹车等），重现这一载荷输入。这一载荷重现通常可能

14、在较短的时间里完成，因此，可以达到试验加速的目的上一页下一页返 回整车路谱的疲劳分析 空气动力学分析 汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力（称为空气动力），以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。此外，空气对汽车的作用还表现在汽车发动机的冷却、车厢里的通风换气、车身外表面的清洁、气流噪声、车身表面覆盖件的振动、甚至刮水器的性能等方面的影响。上一页下一页返 回用于CFD仿真和风洞实验的车辆模型 尾部流场 虚拟试车场整车分析 CAE技术的飞速发展、软硬件功能的大幅度提高使得整车系统仿真已经成为可能。美国

15、工程技术合作公司（ETA）在ANSYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的虚拟试验场技术（virtual proving ground VPG）就是一个对整车系统性能全面仿真实用软件的代表。VPG技术是汽车CAE技术领域中一个很有代表性的进展。上一页下一页返 回整车非线性分析模型 焊装模拟分析 现代车身焊装模拟分析结合虚拟制造技术，在仿真环境下，运用相应的优化算法对车身焊装工位的机器人加工路径进行离线规划，并通过仿真加工进行验证，从而达到指导实际生产的目的。虚拟制造的基础是采用计算机支持的技术，应用数字建模和仿真技术、虚拟现实技术等来模拟生产、加工和装配等过程，在计算机上将产品“制造”出来

16、，实现将工艺过程转为数字化操作，再由数字化操作指导实际生产。通过建立生产加工的仿真模型研究制造活动，使用户在设计阶段能够了解产品未来制造过程，实现对生产系统性能有效的预测与评价。在仿真环境下的试运行，有利于进行多工艺方案比较，更有利于多机器人焊接轨迹的选取与优化。上一页下一页返 回11.6 NVH11.6 NVH开发流程开发流程 汽车NVH特性是指在车室振动、噪声的作用下，乘员舒适性主观感受的变化特性。它是人体触觉、听觉以及视觉等方面感受的综合表现。汽车的NVH研发可分为以下几个阶段：（1）车辆的前期NVH研究（2）NVH技术指标(Targets)的设定（3）优化设计(车辆结构，子系统，以及m

17、ount/bushings)，达到NVH指标（4）装配线的调试上一页下一页返 回车辆的前期NVH研究 汽车公司的车辆生产开发计划（Vehicle Cycle Plan)，对各种汽车产品的主要功能、外观、潜在购买群体及成本和下线时间有详细的规划。但对具体子系统（Sub component system)的搭配并没有最终确认。例如，悬挂系统结构选择，引擎传动系统连接器（Mount）选择,底盘设计的选择，阻尼减振器（Shock)的安置方位等等。这些子系统的优化组合将在很大程度上决定该车的成本及NVH性能。上一页下一页返 回NVH技术指标的设定 NVH 技术指标设定一般从整车开始，然后才延推至子系统。

18、但这一推演过程有许多未知因素，不是确定的因果关系。市场现有同类车型的NVH性能，及其在下一研发周期内的可能改善，以及开发新车型时可承受的成本，构成整车NVH技术指标设定的基本要数。但子系统NVH指标的设定就要复杂得多。除了遵从模态分析的基本准则外，CAE分析是主要可以依赖的方法。由于研发成本和时间的限制，子系统实测只能辅助进行，并提供数据来进行模型验证。上一页下一页第三章 电容式传感器返 回优化设计,达到指标 车内噪音的来源非常复杂：发动机的振动和噪音、排气系统的噪音、风扇噪音、传动系统噪音、内饰系统噪音、路/胎振动、胎噪、制动噪音以及风噪等都是车内噪音的根源。通常，人们习惯于按传播路径将车内

19、噪音区分为两大类，即：由结构传递的中、低频噪音，它们通常由动力系统的振动、车身悬置系统的振动以及路/胎振动而引起，并通过车身结构振动传播到车内；由空气传递的中、高频噪音，涉及：动力系统噪音、路/胎摩擦噪音以及风噪等。这些错综复杂的车内噪音来源表明，改善汽车的NVH性能是一项复杂的系统工程，它涉及了汽车结构设计以及制造过程的方方面面。上一页下一页返 回首先，必须从源头着手进行“主动降噪”。其方法包括：优化发动机和车身结构、提高车身刚度、改进悬置系统，以及提高零部件的加工精度和装配质量，如此等等，以将噪音源和噪音传播路径最小化。人们都期望通过主动降噪的实施，来获得最佳的NVH性能。然而，诸多的复杂

20、因素表明，主动降噪措施很难做到尽善尽美。作为主动降噪的必要补充，被动降噪不可或缺。被动降噪措施的应用范围广泛，涉及发动机部件、车身结构部件、内饰部件和外饰部件等，其方法主要包括：采用吸音、隔音材料和密封技术来降低空气传递的中高频噪音；采用阻尼材料来设置屏障以隔断振动，以及采用加强材料增强结构部件的刚性来改变激振形态和激振频率，以此降低结构传递的低频噪音。上一页下一页返 回（1）吸音材料和技术 通常，处于不同工作环境下的汽车部件，对吸音、隔音材料的要求也不尽相同。例如，除了要求具有良好的吸音隔音性能外，发动机罩盖要求材料要具有较高的耐高温性，发动机底盘和车轮罩则要求材料具有良好的耐腐蚀性和抗磨损

21、性，而内饰部件则更关注材料的环保性能。上一页下一页返 回引擎罩隔音隔热棉成型件 吸音棉制成的车顶棚（2）密封材料和技术 除了吸音和隔音外，密封技术同样非常重要。焊接完成后的白车身侧围上存在一些封闭的箱体加强梁结构，即所谓的“旁路空腔结构”，如A、B、C柱，门槛、前围和侧围等。空腔除了会传递车外噪音，如发动机噪音、排气管噪音、风噪和胎噪外，当汽车高速行驶时，这些空腔中还会产生高速气流。高速气流通常会引发两大问题：首先，由于空腔不均匀，管阻大，导致高速气流与空腔障碍物之间发生摩擦，从而在空腔壁处形成涡流，最终产生湍动气流噪音；其次，湍动气流会引起空腔钣金件共振，从而产生共振噪音。目前，采用密封技术

22、来封堵空腔是解决旁路噪音问题较理想的方法。上一页下一页返 回空腔填充预成型件（3）结构加强和阻尼技术 汽车本身就是一个弹性振动系统，不平的路面，以及发动机和传动系统的振动都会引起车身振动，甚至引发共振。共振不仅使车内乘员产生不舒适感，还会带来噪音和部件的早期疲劳损坏，并破坏车身的密封性。为解决此类问题，可以采用结构加强材料，用以提高车身钣金件和结构件的刚性，改变局部共振点，以达到抑制振动的目的。上一页下一页返 回结构加强材料在汽车上的应用 整车道路模拟试验 道路模拟试验系统是处理分析NVH的一种有效手段，该系统综合机械、液压、电子、计算机技术及机电等一体化的高科技产品。它主要由全数字电液伺服控制系统、液压伺服油源、电液伺服作动器和分流器与管路系统等4大部分组成。汽车在道路上行驶时，实测的信号（加速度、位移及应变等）经计算机处理以后可以形成一个道路谱驱动信号供模拟试验用。模拟控制系统根据信号发生器或计算机发出的指令，经过调节和放大后通过伺服阀控制作动器的运动，同时接受作动器反馈的位移或力信号进行比较和控制，构成一个闭环控制回路，以实现波形再现控制。上一页下一页返 回上一页下一页返 回试验系统 试验现场 期待您的指导！期待您的指导！